Криолитозоона Якутии занимает площадь более 3 млн км² на востоке Евразии. Ее строение и функционирование определяются прежде всего экстремальными показателями климата, а также присутствием природных льдов с их тенденциями к фазовым переходам. Неустойчивость и мобильность верхних горизонтов криолитозоны стимулирует развитие здесь опасных криогенных процессов, охватывающих большие массы вещества и энергии. Это иногда приводит к опасным и даже катастрофическим проявлениям, например, масштабное разрушение криолитозоны в Верхоянских горах (рис. 1) что, в условиях прогрессирующего потепления климата, создает реальные предпосылки к развитию в Якутии опасных и даже катастрофических процессов криогенного генезиса. Феерическая картина батагайского провала (рис. 1) наглядно демонстрирует, с одной стороны, поистине грандиозные масштабы потенциально опасной ледовой структуры криолитозоны, с другой, – масштабы проблемы, с которой нам предстоит столкнуться в случае дальнейшей эскалации потепления.

Наряду с криогенными существуют и другие, не менее опасные процессы, в частности землетрясения, а также – модулируемые все теми же флуктуациями климата, лесные пожары с их постпожарной переработкой криогенного рельефа, наводнения, снежные лавины, паводково-склоновые проявления – оползни-сплывы, селевые выбросы, наледеобразования. Эти процессы уже сегодня способны влиять на состояние природных и природно-технических геосистем, а через них и на социальные процессы.

В современной волне глобального потепления, уже принёсшей ущерб человечеству на многие миллиарды долларов, установлены два непреложных факта:

1. Потепление идёт опережающими темпами на территории Якутии, расположенной в ядре Сибирского антициклона – главного холодильника Северного полушария;

2. Оно же представляет основную угрозу любым формам деятельности человека и его проживанию в зоне вечной мерзлоты, в которую опять же целиком входит Якутия.

Отсюда основной вывод: какие бы проблемы природного и социального характера мы не решали в Якутии, Северной Азии и Северном полушарии в целом, все они решаются только внутри проблемы глобального потепления.

Учитывая тот факт, что в настоящее время не существует не только ни одного надежно обоснованного прогноза о поведении многосотметровой толщи мерзлоты при развивающемся потеплении, но и надежного обоснования самого тренда потепления, рассматриваемая проблема обретает стратегическую направленность.

Цель исследования: поиск закономерностей в отклике климата, природных и инженерно-геологических процессов в криолитозоне Якутии на модуляции солнечной активности по ходу 11летнего и векового циклов.

Материалы и методы исследования

Использовался комплекс методов математического моделирования: Фурье- и вейвлет анализа, автокорреляции и графического анализа численных рядов исходной метеорологической и гелиофизической информации, а также методы полевых геоморфологических и инженерно-геологических исследований природных и природно-технических геосистем криолитозны.

В качестве отправной точки для анализа закономерностей изменчивости природно-климатических обстановок в криолитозоне Якутии мы обратились к фактору солнечной активности (СА).

На первом этапе исследований методами численного моделирования: Фурье- и вейвлет-анализа, автокорреляции и графического анализа исследованы ряды многолетних значений среднегодовой температуры приземного воздуха и атмосферных осадков длиннорядной и репрезентативной метеостанции Якутск и ряд солнечной активности в числах Вольфа. Выявлена устойчивая связь динамики метеорологических элементов и фактора солнечной активности более чем за столетие (продолжительность ряда инструментальных метеорологических наблюдений в Якутске 190 лет, непрерывные наблюдения – последние 134 года).

По характеру отклонений в ходах кривой солнечной активности (рис. 2) отчетливо выделяются три вековые волны с периодом в 90–100 лет. В морфологии этих волн, как и по ходу 11-летних циклов, выделяются эпохи минимума, максимума и ветви подъема и спада. Установлено, что число короткоживущих групп солнечных пятен максимально в эпоху минимума векового цикла, тогда как самые долгоживущие и крупные группы чаще всего появляются в эпоху максимума [1].

К настоящему времени выполнены реконструкции гелиосферного модуляционного потенциала и чисел Вольфа на основе радиоуглеродных данных с начала XI века по середину XIX века с учетом климатических изменений [2]. Развитие солнечной активности по ходу 11-летнего цикла имеет свои особенности. На фазе роста цикла наблюдается быстрое увеличение активности, а на фазе спада – медленное затухание. При этом активность на фазе роста увеличивается тем быстрее, чем мощнее цикл (правило Вальдмайера), а на фазе спада её поведение хорошо связано с текущей средней широтой пятен [3].

А.Л. Чижевский [4] одним из первых показал глубокую зависимость процессов и явлений в географической оболочке от фактора солнечной активности. Наши исследования отклика рядов среднегодовой температуры и атмосферных осадков ГМС Якутск на 11-летний и вековой циклы СА показали, что наиболее значимые аномалии температуры и атмосферного увлажнения возникают на ветвях подъема и спада этих циклов тяготея к экстремумам в активности Солнца – максимумам и минимумам [5]. В целом ряд СА показывает последовательное усиление динамики на протяжении последних трех сотен лет, что косвенно может свидетельствовать о присутствии в режиме СА сверхвекового цикла «подстилающего» вековые (рис. 2). Очевидно, этим циклом и определяется тенденция к развитию потепления, особенно ярко проявившегося с окончанием Малой ледниковой эпохи (МЛЭ) в первой трети Х1Х века (рис. 3).

Рис. 2. Кривая солнечной активности в числах Вольфа (данные инструментальных телескопических наблюдений 1749–2017 гг. и рассчитанные – 1700–1748 гг.) и ее линейный тренд

Рис. 3. Диограмма среднегодовой температуры г.Якутска с 1830 по 2016 гг.

Рис. 4. Линейные тренды значений показателей среднегодовой температуры по ряду ГМС Якутск за период с 1883 г. по 2000 г. (ряд 2) и чисел Вольфа (ряд 1)

Рис. 5. Линейные тренды значений среднегодовых атмосферных осадков по ряду ГМС Якутск за период с 1883 г. по 2000 г. (ряд 2) и чисел Вольфа (ряд 1)

Из диаграмм рис. 4 и 5 видно, что линейные тренды чисел Вольфа и среднегодовой температуры и атмосферных осадков в Якутске положительны, однонаправлены и вполне сопоставимы. Ранее об климатических эффектах на десятилетних-столетних солнечных шкалах было показано в работах [6–7].

Результаты исследования и их обсуждение

На рис. 6 показано результаты Фурье-анализа ряда среднегодовой температуры метеостанции Якутск в сопоставлении с ходами СА в числах Вольфа (W).

Все моды, выявленные в динамике рядов метеорологических элементов метеостанции Якутск (11, 22, 36, 48, 72 лет), согласуются с хорошо известными солнечно-обусловленными осцилляциями Швабе-Вольфа, Хэла, Брикнера, двойной Брикнера и полувековой. При этом установлено запаздывание на ¼ периода экстремумов циклов температуры (максимумов и минимумов) относительно экстремумов 11-летних циклов (рис. 6), что необходимо учитывать при прогнозировании климатических аномалий.

Анализ отклика атмосферного увлажнения на аномалии 11-летнего цикла показал, что за последние 87 лет непрерывных наблюдений на ГМС Якутск за атмосферными осадками (с 1934 по 2018 гг.) проявилось 11 волн (ритмов) усиления и ослабления их динамики периодически менявшие природно-климатические обстановки от менее аридных к более сухим, и наоборот. Аномалии увлажнения развивались на фоне реализации восьми 11-летних циклов солнечной активности проявившихся за тот же период времени (Циклы 17–24). Из них три цикла – 17, 18 и 19 приурочены к ветви подъема векового цикла СА прошлого столетия, а четыре – 20, 21, 22 и 23, к ветви его спада. Еще один цикл – 24-й относится к новому вековому циклу текущего века (см. рис. 6 b).

Первый максимум атмосферного увлажнения на шкале осадков проявился в Якутске в 1930-е гг. Он синфазен максимуму нечетного 11-летнего цикла 17. Однако последовавший за ним минимум осадков проявился не на минимуме солнечного цикла, а ранее – на ветви спада цикла 17, причем, последовавшая затем положительная аномалия увлажнения пришлась на минимум следующего четного цикла 18. Кроме того, в дальнейшем, сменившая влажную фазу сухая климатическая фаза проявилась синфазно максимуму четного 11-летнего цикла 18, т.е. зеркально относительно влажной аномалии пришедшейся на максимум цикла 17. Следующая влажная аномалия проявилась на ветви спада четного цикла 18 вблизи минимума цикла 19, а последовавшая за ней сухая фаза – в начале ветви спада цикла 19 сразу за его максимумом. На ветви спада вековой волны СА ХХ столетия (циклы 20, 21, 22 и 23) и в начале ветви подъема нового векового цикла (11-летний цикл 24) положительные аномалии осадков тяготеют к максимумам нечетных и к минимумам четных 11-летних циклов, тогда как отрицательные аномалии или засухи, наоборот – к минимумам нечетных и максимумам четных.

Таким образом, можно заключить, что несмотря на определенную «турбулентность» проявившуюся в ходах кривой атмосферных осадков на фоне векового усиления солнечной активности по ходу ветви подъема векового цикла прошлого столетия, достаточно отчетливо просматривается закономерность состоящая в том, что аномалии осадков, тяготеют к реперным фазам 11-летних циклов – их максимумам и минимумам. В шести последних циклах максимумам нечетных циклов и минимумам четных соответствуют положительные аномалии осадков, тогда как отрицательные или засухи пришлись на минимумы нечетных и максимумы четных. Выявленную закономерность вероятно можно объяснить наличием разной магнитной полярности у четного и нечетного 11-летних циклов (закон Хэла).

Статистический анализ аномалий гидрологических, пирологических, сейсмических, инженерно-геологических процессов и режима наледеобразования показал, что развитие всех изученных природных аномалий, в том числе и опасных, сопряжено с аномалиями СА. Как правило, аномалии исследованных природных процессов, как и аномалии климата, развиваются на ветвях подъема и спада солнечных циклов в непосредственной близости от их реперных фаз – максимумов и минимумов [8–10].

Заключение

Анализ результатов проделанной работы не оставляет сомнений в том, что динамика природно-климатических процессов в криолитозне Якутии, как и опасные инженерно-геологические обстановки на участках горно-геологического освоения модулируются циклами солнечной активности. Они тяготеют к реперным фазам циклов – максимумам и минимумам.

В целом результаты выполненных исследований указывают на то, что в нашем распоряжении появилась космическая гелиогеофизическая матрица, которую можно использовать при разработке и уточнении долгосрочных географических и инженерно-геологических прогнозов в Якутии.