Новости

Период ледяных явлений на реках, впадающих в Белое море, стал короче на три недели за последние 60 лет

03.07.2025

На северных реках лед стал образовываться позднее, а сходить, наоборот, раньше. Это подтвердили <a target="_blank" href="http://www.krc.karelia.ru/news.php?id=6090&plang=r">карельские ученые</a>, проанализировав данные морских и метеорологических наблюдений за 64 года в устьях рек, впадающих в Белое море в районе западного побережья. Из-за изменения климата период, когда реки покрыты льдом, стал короче на три недели. При этом наиболее резкие сокращения произошли за последние 30 лет, что соответствует тенденциям глобального потепления для водоёмов арктической зоны. Сотрудники Института водных проблем Севера КарНЦ РАН Вячеслав Баклагин и Наталия Махальская исследовали, как менялся ледовый режим на устьях рек – притоков западного побережья Белого моря с 1956–2020 годы. Территориально реки расположены в Республике Карелия и Архангельской области: Гридина, Кузема, Поньгома, Кемь, Шуя, Нижний Выг, Сума, Нюхча и Малошуйка. Особое внимание в работе уделялось влиянию температурного фона за этот период. "Мы рассматривали именно устьевые участки, потому что ледовый режим в этих местах является весьма чувствительным индикатором изменения климата. По законам гидравлики в районе уширения скорость течения реки гораздо меньше, поэтому этот фактор не так сильно влияет на сроки наступления ледостава, а большее значение имеет именно понижение температуры", – пояснил старший научный сотрудник лаборатории географии и гидрологии ИВПС КарНЦ РАН Вячеслав Баклагин. В качестве исходной информации ученые использовали данные о среднесуточной температуре по сведениям морских гидрометеорологических береговых станций Росгидромета. Сведения о сроках наступления дат ледовых явлений и их продолжительности представлены данными, собранными с девяти гидрологических постов. Также были использованы материалы Государственного водного кадастра РФ и Автоматизированной информационной системы государственного мониторинга водных объектов. Рассматривались даты появления осенних ледовых явлений, начала ледостава, начала и окончания весенних ледовых явлений – разрушения льда, а также продолжительность ледостава и периода с ледовыми явлениями в целом. В итоге были сформированы непрерывные ряды данных за 64 года. В результате их обработки ученые получили осреднённые характеристики ледового режима рек. Они показали, что период замерзания на реках западного побережья Белого моря происходит, преимущественно, с третьей декады октября по третью декаду ноября. При раннем похолодании в отдельные годы, например, в 1961 и 1974 годах, первые ледяные образования наблюдались в первой половине октября, а в тёплые зимы 1968, 1997, 2006 годов – в последних числах ноября. Разрушение ледяного покрова весной происходит, как правило, во второй половине апреля, средняя дата вскрытия – 22 апреля. Полное очищение рек ото льда приходится на начало мая. Исследование показало, что с конца 1980-х годов температурный фон на западном побережье Белого моря заметно вырос, и продолжительность периода с ледовыми явлениями сократилась. Переломной точкой стали 1988–1990 года. Так, статистический анализ многолетних колебаний средней температуры воздуха за холодный сезон выявил, что температурный фон последних лет, с 1991 по 2020 годы, стал выше на 1,4 °C, по сравнению с периодом 1956–1990 гг. Регрессионный анализ показал, что в целом за 64 года среднее значение температуры воздуха в регионе за холодный сезон выросло на 2.7 °C. Результаты исследования <a target="_blank" href="https://journals.rcsi.science/2076-6734/article/view/268501">опубликованы</a> в научном журнале "Лед и снег". "Анализ многолетних колебаний температурного режима воздуха за холодный сезон на западном побережье Белого моря показал, что за последний ряд лет (1991–2020 гг.) средняя температура воздуха имеет тенденцию к росту 0,42 °C/10 лет. Этот факт соответствует тенденциям глобального потепления, которые отмечаются исследователями для водоёмов и рек арктической зоны в последние десятилетия", – говорится в научной статье. Из-за повышения температуры продолжительность периода с ледовыми явлениями уменьшилась на 21 день. При этом за последние 30 лет среднее значение этой характеристики на северных реках сократилось по сравнению с периодом 1956–1990 гг. практически до двух недель. В эти годы средние сроки образования устойчивых ледовых явлений сместились на неделю в сторону более поздних дат. Также до недели в сторону ранних дат сдвинулись средние сроки вскрытия и очищения ото льда. Сокращение продолжительности периода с ледовыми явлениями идет со скоростью 3.3 дня за 10 лет. <div> Прогнозы процессов формирования и разрушения ледяного покрова на реках требуются в различных отраслях народного хозяйства, например, для судоходства, рыбного промысла, организации ледовых переправ. Их понимание важно и для предупреждения и предотвращения возникновения чрезвычайных ситуаций – наводнений, прорывов дамб и прочих, возникающих при подъёме уровня воды в результате зажоров и заторов на реках. Полученные в работе карельских ученых результаты помогут уточнить и обновить справочные данные Росгидромета, которые могут быть востребованы при разработке методик в гидропрогнозировании. С научной статьей "Многолетняя изменчивость характеристик ледового режима в устьевых областях рек западного побережья Белого моря на фоне климатических изменений" Вячеслав Баклагин стал победителем конкурса молодых ученых КарНЦ РАН по итогам 2024 года. Старший научный сотрудник специализируется на обработке данных спутниковых наблюдений о ледовых явлениях. "Сейчас мы планируем сравнить натурные данные, полученные в морских гидрометеорологических постах со спутниковыми наблюдениями, чтобы оценить, насколько точно последние оценивают ситуацию на акватории морей и озер", – поделился планами Вячеслав Баклагин. По словам ученого, спутниковые наблюдения имеют неоспоримое преимущество перед другими методами получения данных, но большим минусом является их недостаточная достоверность. "Данные, которые находятся в свободном доступе, имеют хоть и не большое пространственное разрешение, но в целом достаточное для оценки тенденций изменения ледового режима крупных водоемов, а используемые алгоритмы, которые позволяют дешифрировать получаемые датчиками сигналы, не всегда работают корректно и иногда имеют существенные ошибки в определении льда. Особенно это касается микроволнового режима, который применим для любых погодных условий, и поэтому представляет большой практический интерес. Нам интересно оценить эту погрешность и дать заключение о возможности использования спутниковых данных для оценки многолетний изменчивости ледового режима, например, таких водоемов как Белое море", – резюмировал исследователь. Источник: <a target="_blank" href="http://www.krc.karelia.ru/news.php?id=6090&plang=r">Карельский научный центр РАН</a> </div>

Ледяные линзы укрепили железные дороги в Арктике

02.07.2025

<div> Коллектив российских ученых из МФТИ и НИЦ "Курчатовский институт" провел детальный вибрационный анализ железнодорожных путей в условиях вечной мерзлоты и сделал неожиданное открытие о двойственной природе одного из самых опасных ее проявлений — ледяных линз, <a target="_blank" href="https://naked-science.ru/article/column/ledyanye-linzy-ukrepili-z">сообщает Naked Science</a>. С помощью сложного компьютерного моделирования исследователи показали, что ледяная линза, изначально создающая пиковые нагрузки на конструкцию, со временем превращается в стабилизирующий элемент, рассеивающий разрушительную энергию. Исследование имеет важное значение для безопасного строительства железных дорог в Арктике. Результат, полученный в рамках госзадания НИЦ "Курчатовский институт", <a target="_blank" href="https://link.springer.com/article/10.1134/S1995080224608270">опубликован</a> в Lobachevskii Journal of Mathematics. Освоение Арктики, с ее колоссальными запасами природных ресурсов, немыслимо без надежной транспортной инфраструктуры. Однако ее строительство и эксплуатация в зоне вечной мерзлоты — это постоянная борьба со стихией. Одной из главных проблем является морозное пучение грунта: при промерзании влажной почвы в ней образуются крупные ледяные включения, или линзы. Эти линзы, разрастаясь, неравномерно приподнимают железнодорожную насыпь, деформируют рельсы и создают угрозу безопасности движения. Предсказать, как поведет себя такая сложная система под динамической нагрузкой от проходящего поезда, — одна из сложнейших задач инженерной геологии. До сих пор большинство исследований было сосредоточено на долгосрочных процессах, таких как просадка грунта Это делали с помощью математических методов конечных элементов. Однако для понимания мгновенной реакции конструкции на ударную волну от поезда, для анализа волновых процессов, длящихся доли секунды, требуются иные, более точные подходы. Именно на этой быстрой, "ультразвуковой" динамике и сосредоточились ученые. Целью исследователей было создать цифровую модель, которая бы с высокой точностью показала, что происходит в структуре "шпала-балласт-грунт-ледяная линза" в первые мгновения после прохождения поезда. Для этого они использовали сеточно-характеристический метод, идеально подходящий для описания распространения упругих волн. Главной трудностью было точно описать сложную геометрию самой ледяной линзы, имеющей, как правило, вытянутую, эллиптическую форму. Чтобы решить эту проблему, математики применили подход, известный как метод пересекающихся сеток (Chimera meshes). Евгений Песня, инженер кафедры вычислительной физики МФТИ, объяснил суть метода: "Представьте, что вы создаете карту местности. Для ровных полей и лесов вы можете использовать простую прямоугольную сетку. Но как быть со сложным объектом, например, извилистым озером? Вы можете либо пытаться искривить всю вашу карту, что сложно и неэффективно, либо поступить иначе: наложить на общую карту отдельную, очень детальную карту озера, которая точно повторяет его контуры. Мы использовали общую, фоновую сетку для грунта и балласта, а на нее "наложили" отдельную, высокоточную криволинейную сетку, которая идеально описывает геометрию ледяной линзы. Специальные алгоритмы затем «сшивают» эти сетки, обеспечивая корректный обмен информацией между ними". С помощью этой модели ученые провели серию численных экспериментов, смоделировав прохождение условного поезда над участком пути. Они сравнили два сценария: один с наличием крупной ледяной линзы в грунте под насыпью, и второй — без нее. Результаты оказались парадоксальными. Как и ожидалось, плотная и твердая ледяная линза сначала повела себя как преграда. Пришедшая от поезда волна напряжений отразилась от ее верхней границы, что привело к резкому, почти на 13%, увеличению пикового давления у основания балластной призмы — слоя щебня, на котором лежат шпалы. На первый взгляд, это подтверждало исключительно негативную роль ледяного включения. Однако дальнейшее моделирование показало совершенно иную картину. Последующие переотражения волн внутри системы привели к тому, что ледяная линза начала работать как рассеиватель, или диффузор. Она стала эффективно разбрасывать энергию волны, стабилизируя путь и предотвращая концентрацию напряжений. В итоге, после первоначального всплеска, общая нагрузка на конструкцию в стационарном режиме оказалась даже более благоприятной, чем в сценарии без линзы. <figure><img width="587" alt="Поперечное сечение модели железной дороги: 1 — шпала, 2 — скальный грунт, 3 — пылеватый песок, 4 — мерзлый пылеватый песок, 5 — мерзлая пылеватая глина, 6 — ледяная линза / © Pesnya, E., Kozhemyachenko, A. A., & Favorskaya, A. V., Lobachevskii Journal of Mathematics" src="https://naked-science.ru/wp-content/uploads/2025/07/pesn1.jpg" height="256" decoding="async" data-lazy-srcset="https://naked-science.ru/wp-content/uploads/2025/07/pesn1.jpg 1173w, https://naked-science.ru/wp-content/uploads/2025/07/pesn1-750x327.jpg 750w" data-lazy-sizes="(max-width: 1173px) 100vw, 1173px" data-lazy-src="https://naked-science.ru/wp-content/uploads/2025/07/pesn1.jpg" data-ll-status="loaded" sizes="(max-width: 1173px) 100vw, 1173px" srcset="https://naked-science.ru/wp-content/uploads/2025/07/pesn1.jpg 1173w, https://naked-science.ru/wp-content/uploads/2025/07/pesn1-750x327.jpg 750w"><figcaption>Поперечное сечение модели железной дороги: 1 — шпала, 2 — скальный грунт, 3 — пылеватый песок, 4 — мерзлый пылеватый песок, 5 — мерзлая пылеватая глина, 6 — ледяная линза / © Pesnya, E., Kozhemyachenko, A. A., & Favorskaya, A. V., Lobachevskii Journal of Mathematics</figcaption></figure> Этот вывод имеет огромное практическое значение. С одной стороны, ледяная линза создает опасный пик напряжений, который необходимо учитывать при проектировании. Если расчеты показывают, что конструкция не выдержит этого первоначального удара, инженеры могут обоснованно принять решение об использовании дорогостоящих технологий искусственной заморозки грунта для создания более однородного и прочного основания. С другой стороны, если конструкция способна пережить этот пик, то в дальнейшем наличие линзы может сыграть положительную роль, придавая дополнительную устойчивость железнодорожному пути. Антон Кожемяченко, доцент кафедры вычислительной физики МФТИ, так прокомментировал значимость разработки: "За основу исследования взята постановка задачи прохождения подвижного состава по одной из высокоскоростной магистрали на территории Китайской Народной Республики, расположенной в гористой местности, где преобладает температурный режим вечной мерзлоты. Тем не менее, фундаментальные исследования в области железнодорожного движения в условиях многолетних мерзлых грунтов важны и для Российской Федерации, так как существенная часть нашей страны находится в зоне вечной мерзлоты. Ранее наша научная группа уже рассматривала особенности проектирования инженерных сооружений в арктический зоне". Проведенный анализ также подтвердил необходимость укрепления краев балластной призмы, поскольку именно там наблюдаются максимальные смещения. Результаты работы могут быть использованы в комплексе с долгосрочными моделями для полного и всестороннего анализа проектируемых железнодорожных сооружений в Арктике, обеспечивая новый уровень их безопасности и надежности. Источник: <a target="_blank" href="https://naked-science.ru/article/column/ledyanye-linzy-ukrepili-z">Naked Science</a> </div>

НОВОСТИ НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ В АРКТИКЕ