Факультет

Студентам

Посетителям

Что изучает мерзлотоведение (геокриология)?

К середине нашего столетия сформировалась новая отрасль геолого-географических и геотехнических (инженерно-строительных) знаний — мерзлотоведение, или, более широко, геокриология.

Истоками ее послужили результаты исследований зоны мерзлых горных пород на севере и востоке Евразии, выполненные плеядой ученых — А. Ф. Миддендорфом, А. И. Воейковым, Л. А. Ячевским, В. А. Обручевым. Б. Б. Полыновым, А. В. Львовым, М. И. Сумгиным, А. А. Григорьевым и др. Начальный этап развития геокриологии подытожен в двухтомной коллективной монографии «Основы геокриологии (мерзлотоведения)», выпущенной издательством Академии наук СССР в 1959 г. Именно с этой крупной научной работы и начался новый современный этап развития геокриологии.

Греческое слово «криос» означает холод, лед, поэтому геокриологию можно понимать как науку о подземном льде, холодных и ледяных зонах земной коры. Точнее, это наука о мерзлых, промерзающих и протаивающих горных породах и почвах, их состоянии, строении, распространении, свойствах и закономерностях изменения в результате различного рода воздействий.

В геокриологии мы встречаемся с большим числом сложных задач как практического, так и теоретического характера. Задачи эти углубляются по мере рационализации освоения Севера, совершенствования проектирования, строительства и эксплуатации новых сооружений, понимания экологических связей и реализации природоохранных мероприятий. Поэтому геокриология, стимулируемая подобными задачами, быстро развивается, вовлекая в свою сферу большое число исследователей, чему во многом способствует существующая тесная связь между геокриологическими, технологическими, техническими и экологическими проблемами северных регионов.

Выделяются следующие аспекты назначения геокриологии:

  • технико-технологический;
  • инженерно-строительный и строительно-технологический;
  • экологический в локальном и глобальном плане;
  • биологический (сельское хозяйство, лесоведение);
  • связанный с добычей полезных ископаемых;
  • предусматривающий создание заповедников, других охраняемых территорий и рекреационных зон;
  • и наконец, ноосферный (эвристический, управленческий, воспитательный).

Безусловно, ноосферный (от греч. «ноос» — разум) аспект назначения геокриологии, по существу, объединяет все предыдущие. Умение управлять взаимодействием между природой, техникой и технологией общественного производства и есть основная цель развивающегося человечества во имя его существования. Но, чтобы управлять, необходимо познать закономерности природных объектов и процессов изменения в них. Именно этой цели применительно к геокриологическим системам и служит молодая наука геокриология.

В ней к настоящему времени выделились три основные относительно самостоятельные ветви развития, это: общая и региональная геокриология (мерзлотоведение), осуществляющая географо-геологические исследования с продолжением систематизации геокриологических явлений и процессов; физическая геокриология, которая нацелена на изучение физической стороны геокриологических процессов в верхнем ярусе земной коры (почве, литосфере) с привлечением современных физических методов и подходов; и наконец, инженерная геокриология, непосредственно связанная с управлением геокриологическими процессами при строительстве и эксплуатации дорог, коммуникаций, промышленных и гражданских объектов, развитии горнодобывающей промышленности и сельского хозяйства и т. д.

Мы можем себе представить четко разработанный и эффективно действующий механизм ноадаптации к природной обстановке как систему сбалансированных технических, технологических и организационно-управленческих средств, методов и мероприятий, которые позволяют рационально использовать природные ресурсы, максимально приспосабливать инженерные и другие объекты хозяйственной деятельности к специфическим особенностям северных ландшафтов, обеспечивать устойчивость этих ландшафтов и повышать показатели их качества как среды обитания человека.

В этой картине техногенные воздействия на территориях криолитозоны сведены до минимума благодаря широкому и углубленному применению геокриологических знаний, сильному ограничению площади земной поверхности, отводимой под хозяйственную деятельность, снижению уровня загрязнений до малосущественного, развитию постоянной дорожной сети, а также созданию транспортных средств с малым удельным давлением на грунт. В дополнение к этому на территориях, вовлекаемых в хозяйственную деятельность, для компенсации отрицательных техногенных воздействий широко и в соответствии с их назначением применены термодные, теплоизолирующие и эрготермодные системы.

Как нами уже было показано при рассмотрении принципа движения энергии и принципа сопротивления в физической геокриологии, «живучесть», или устойчивость, любой физической или физико-геологической системы определяется потоками энергии по разным степеням свободы этой системы, а также соответствующими сопротивлениями, стоящими на пути движения потоков энергии. Именно система сопротивлений для потоков энергии в различных видах ее перехода и образует любую диссипативную структуру.

Почвенно-грунтовые комплексы северных районов — это своего рода диссипативные структуры, устойчивость которых можно поддерживать путем введения дополнительных термических сопротивлений (теплоизолирующих покрытий) или термических проводников — термодов (от греч. «терм» — тепло, «од» — путь).

К термодам относятся известные тепловые трубы, термосифоны, термосваи, воздушные колонки. Как правило, эти устройства имеют замкнутую полость или контур с текучим теплоносителем (невязкая или легкокипящая жидкость, газ или воздух). Высокая теплопроводящая эффективность таких устройств связана с конвективным переносом тепла в них теплоносителем при участии главным образом гравитационных, (или архимедовых) сил. Иногда в подобных устройствах для интенсификации движения теплоносителя используют принудительную циркуляцию.

В настоящее время термоды находят все большее применение как средство для охлаждения и недопущения оттаивания мерзлых оснований сооружений (зданий, плотин, опор линий электропередач и др.). Обладая однонаправленным действием, т. е. передавая тепло только в направлении от грунта в атмосферу, термоды фактически осуществляют охлаждение грунта лишь в холодный сезон года.

Быстрое промораживание грунта вокруг подземной части термода с наступлением морозного сезона года предотвращает развитие сил пучения. Поэтому термоды в настоящее время используют и как средство для предотвращения пучения фундаментов сооружений.

В некоторых леспромхозах в Западной Сибири для быстрого промораживания заболоченных участков использовали колья (стволики деревьев) примерно метровой длины, которые вбивали в болотистый грунт. Колья располагали в шахматном или ромбическом порядке, заглубляя в почву на полдлины. Из-за меньшего термического сопротивления от грунта в атмосферу в направлении через колья грунт вокруг них промерзал быстрее, чем через земную поверхность со снегом. В результате примерно на две недели раньше можно было открывать движение по зимней дороге на болоте. После промораживания несущего слоя выступающие части кольев сминались бульдозером.

Термоды устанавливаются вертикально или наклонно частично заглубленными в грунт, и другой своей частью контактируют с теплоотводящей средой, например атмосферным воздухом.

Великого отечественного мыслителя К. Э. Циолковского мы по праву можем считать изобретателем термодов. Так, в своей работе «Второе начало термодинамики», написанной в 1905 г. (опубликована в 1914 г.), он писал: «Можно представить себе другую планету… и говорить о ней как о Земле. Пусть на ней находится шахта версты в 4 глубины, состоящая из двух отвесных каналов, сообщающихся внизу между собой. Наполним их водою: так как на глубине 4 версты температура будет градусов в 120, то вода в каналах нагреется и температура ее в высших частях дойдет до 120°С.

Но вода не останется в равновесии: одна из двух шахт хотя немного (случайно) будет нагрета сильнее. В ней водяной столб будет легче и потому он устремится кверху, перевешиваемый более холодным столбом. Сначала это движение будет слабо, еле заметно, а затем достигнет известной постоянной силы, потому что, при движении, вода в выводящем канале, пройдя большее расстояние, будет иметь температуру несравненно более высокую, чем в другом канале, куда вода только что поступила с охлажденной поверхности Земли.

При узком выходном отверстии шахты мы будем иметь не только горячую воду, но и механическую силу в форме высоко бьющего фонтана».

Таким образом, К. Э. Циолковский описал термод для передачи внутренней энергии из недр планеты к ее поверхности с последующим получением не только тепла, но и механической работы. Поэтому такое устройство — это уже эрготермод (от греч. «эрг» — работа), т. е. термод, в котором осуществляется и процесс целенаправленного получения работы. К эрготермодам мы вправе относить и известные тепловые насосы.

Термоды и эрготермоды могут успешно применяться для термической и механической стабилизации оснований сложных инженерных сооружений при экономном использовании энергоресурсов. Примером этому может служить запатентованная в США система совместного транспортирования по подземным трубопроводам, проложенным в мерзлом грунте, нефти и газа с использованием принципа теплового насоса, который охлаждает окружающий газопровод мерзлый грунт и нагревает вязкую нефть, движущуюся по нефтепроводу, расположенному внутри газопровода. Другой пример эрготермода — это сочетание абсорбционной холодильной машины с гравитационной тепловой трубой, впервые предложенное В. П. Латышевым (1974). Оно предполагает использование бинарной смеси хладагентов и позволяет за счет разности температур двух сред вызывать охлаждение третьей среды.

Итак, именно геокриология открывает путь разумной адаптации хозяйственной деятельности человека к природным условиям Севера, позволяет использовать мерзлые горные породы в качестве основания, среды и конструктивных элементов для различных видов инженерных сооружений, указывает пути обеспечения их устойчивости.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.



Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: