В зимний день на севере Канады холод кажется абсолютным. Снег скрипит под ногами, а реки безмолвно лежат под толстым льдом. Но под этой привычной поверхностью земля незаметно накапливает тепло.
Это скрытое потепление дестабилизирует замёрзший фундамент, на котором держатся северные сообщества. Вечная мерзлота — постоянно замёрзшая земля, которая поддерживает дома, дороги, аэропорты и топливные баки на большей части территории Северной Канады — из-за изменения климата становится теплее.
Север потеплел примерно в три раза быстрее, чем в среднем по миру. Это хорошо документированный эффект арктического усиления — процесса, из-за которого Арктика нагревается гораздо быстрее, чем в среднем по миру.
Вечная мерзлота не разрушается внезапно. Вместо этого она реагирует медленно и кумулятивно, накапливая тепло тёплых летних периодов год за годом. Со временем это тепло проявляется видимым образом: наклоненные здания, трещины в фундаментах, опускающиеся дороги и вздувшиеся взлётно-посадочные полосы.
Долгосрочные измерения в скважинах по всей Северной Канаде подтверждают, что температура вечной мерзлоты продолжает расти даже в тех местах, где поверхность земли всё ещё промерзает каждую зиму.
Сообщества в Северо-Западных территориях, Нунавут и Юкон уже сталкиваются с этими последствиями. По мере деградации вечной мерзлоты она подрывает жилищное строительство и транспортные коридоры, нарушает мобильность и деятельность на суше.
Воздействие неравномерно, и коренные общины часто сталкиваются с наибольшим воздействием и несут наибольшие издержки. Повреждённая дорога или нестабильный топливный бак — это не просто инженерное неудобство; это может прервать цепочки поставок, аварийный доступ и повседневную жизнь.
Мониторинг и численное моделирование указывают на один вывод: деградация вечной мерзлоты контролируется не столько отдельными тёплыми годами, сколько долгосрочным балансом тепла, поступающего в землю и выходящего из неё.
Для большей части прошлого века северное инженерное проектирование было разработано так, чтобы не допускать попадания тепла в замёрзшую землю. Такие практики, как подъём конструкций на сваях, минимизация нарушения грунта и установка систем пассивного охлаждения, таких как термосифоны, доказали свою эффективность в исторически холодных условиях. Но эти подходы зависят от длинных и стабильно холодных зим.
В Канаде уже продемонстрировали способы преднамеренного влияния на температуру под землёй. Вдоль северных автомагистралей и насыпей используются вентилируемые обочины и системы воздушной конвекции, чтобы увеличить потери тепла зимой из оснований вечной мерзлоты, ощутимо охлаждая землю под ключевой инфраструктурой.
Работа в Юконе показала, что наклонные термосифоны, установленные под насыпями шоссе, могут снизить температуру вечной мерзлоты и поднять уровень вечной мерзлоты, стабилизируя богатые льдом грунты, которые в противном случае продолжали бы оседать.
Геотермическая инженерия предлагает более адаптируемый подход. В южной Канаде и других местах некоторые здания уже используют сваи фундамента, которые служат двум целям: структурной поддержке и теплообмену. Вместо того чтобы пассивно пропускать тепло в окружающую почву, эти системы циркулируют жидкость для передачи тепла в землю или из неё по мере необходимости.
В северных регионах вечной мерзлоты тот же принцип может быть применён иначе. Вместо того чтобы позволять теплу из зданий, трубопроводов или энергосистем мигрировать вниз в чувствительные к таянию почвы, сваи фундамента могут перехватывать часть этой энергии и возвращать её в здания зимой, когда спрос на тепло наиболее высок. Летом работа будет сосредоточена на ограничении поступления нового тепла, сохранении сезонных выгод от охлаждения.
Это не о превращении вечной мерзлоты в энергетический ресурс. Это о предотвращении неконтролируемой утечки тепла, поддержании самих основ, которые удерживают северную инфраструктуру на месте.
Воздействие выходит далеко за рамки отдельных зданий. Дороги, взлётно-посадочные полосы, хранилища топлива, водоочистные сооружения, линии электропередач и системы связи по всей Северной Канаде зависят от стабильности грунта. Многие из них также являются постоянными источниками тепла из-за движения транспорта, подземных коммуникаций и электрической инфраструктуры.
По мере таяния дороги деформируются, топливные баки смещаются, а взлётно-посадочные полосы становятся небезопасными. Оседающая взлётно-посадочная полоса, например, может на недели задерживать полёты, доставляющие продукты питания, топливо и медицинские supplies.
Для инфраструктуры, рассчитанной на срок службы в 50 лет и более, управление температурой под землёй может иметь такое же значение, как и сама конструкция. Когда эти системы выходят из строя, последствия распространяются, увеличивая изоляцию, повышая затраты и ограничивая доступ к основным услугам.
Воздействие таяния вечной мерзлоты не распределяется равномерно. Коренные общины часто оказываются наиболее уязвимыми, сталкиваясь с непропорциональным ущербом для жилья и инфраструктуры, которые лежат в основе мобильности, продовольственной безопасности и доступа к услугам здравоохранения и образования.
Многие северные сообщества также по-прежнему в значительной степени зависят от дизельного топлива для обогрева и электроснабжения, что закрепляет энергетические системы, которые добавляют постоянное тепло в землю и повышают долгосрочные затраты на содержание инфраструктуры.
Любой подход к геотермальному управлению или управлению температурой грунта должен разрабатываться в подлинном партнёрстве с правительствами и жителями коренных народов. Инженерные решения, которые стабилизируют почву при одновременном снижении зависимости от топлива, будут успешными только в том случае, если они соответствуют местным приоритетам и поддерживают долгосрочное самоопределение сообществ.
Ничто из этого не заменяет необходимость быстрого сокращения выбросов парниковых газов. Никакая технология не может сохранить всю вечную мерзлоту при неконтролируемом потеплении. Но в Северной Канаде адаптация больше не является необязательной.
Исследования показывают, что задолго до того, как повреждения станут видимыми, под землёй накапливается тепло, ослабляющее почвы и меняющее ландшафты. Здесь инфраструктура может сыграть центральную роль, влияя на то, как тепло поступает, перемещается по земле и покидает её.
Канада сейчас стоит перед выбором: она может продолжать строить так, как будто замёрзшая земля статична, или может проектировать для вечной мерзлоты такой, какая она есть: чувствительная тепловая система с долгой памятью.
Предоставлено The Conversation.