Введение

Не я ли, отправляясь затем от крохотной души самого маленького из живых существ, трижды обнаруживал душу самого большого из живых существ — земного шара — в атоме снега...

Иоганн Кеплер. «Новогодний подарок, или о шестиугольных снежинках»

Криосфера — оболочка Земли с отрицательной температурой (ниже О °С, или 273,15 К), распространенная в пределах атмосферы, гидросферы и литосферы. Ее отличительной чертой является то, что вода в ней может существовать в твердой фазе (лед, снег, иней). Земля — довольно холодная планета, несмотря на то что ее средняя температура — около +15 °С; ее самым холодным местом является Полюс недоступности в Антарктике, где среднегодовая температура -58 °С, а абсолютный полюс холода расположен в центральной части Антарктиды, на российской станции «Восток», где в 1983 г. зафиксировали температуру воздуха -89,2 °С. Нижняя граница криосферы совпадает с подошвой слоя мерзлых и охлажденных горных пород. Этот слой характеризуется большой устойчивостью и достигает максимальной глубины в высоких широтах — в Антарктиде (свыше 4 км) и Субарктике (около 1,5 км), но отличается сезонной изменчивостью и вовсе выклинивается в средних и низких широтах. Верхняя граница криосферы проходит на высотах около 100 км над уровнем моря в разреженных слоях атмосферы.

Общая характеристика криосферы на Земле приведена в табл. В.1. Приблизительно 75 % ресурсов пресной воды сконцентрировано в виде льда.

Криология, как отрасль наук о Земле, развивается по трем основным направлениям — структурное, генетическое, динамическое. Структурная криология представляет морфологическое направление в исследованиях, направленных на изучение строения криосферы как единой иерархической природной системы. Но так как природные явления тесно друг с другом связаны, настоящие структурные исследования невозможны без использования данных двух других направлений. Задачами структурной криологии являются:

1) изучение структуры и пространственного положения криогенных систем различного уровня;

ю

2) исследование механизма их возникновения и последовательности развития.

Таблица В. 1

Снег и лед на Земле¹

Наш подход заключается в том, что криосфера представляет собой иерархическую природную систему, отличительным элементом которой является присутствие (или потенциальная возможность появления) льда, предстающего в различных формах. Пространством криосферы является область с отрицательной температурой, т. е. основой криосферы является энергетический фактор. Материальная основа криосферы — кристалл льда, являющийся объектом, в котором реализуются процессы теплообмена между Землей и космосом.

Льдом насыщена вся криосфера. А. Б. Добровольский писал, что «лед образует на земном шаре постоянную оболочку, криосферу, весьма однородную по составу, но очень различную по внешнему виду. Эта оболочка находится в тесных связях, своеобразных и определенных, с литосферой, гидросферой, и атмосферой. У нее есть свой верхний и свой нижний пределы, причем последний очень высоко поднимается вверх в жаркой зоне, постепенно опускаясь по направлению к холодным зонам (где он частично проникает вглубь земли), и, вообще говоря, является переменным в зависимости от времени года»^[2]. По мнению П. А. Шумского, именно лед определяет неустойчивость криосферы. Он считает, что от всех остальных высокотемпературных минералов лед, образующий прерывистую оболочку в пограничной зоне атмосферы, гидросферы и литосферы, мало где находит термодинамические условия, отвечающие его устойчивому состоянию. Таким образом, равновесие в криосфере гораздо менее устойчиво, процессы льдообразования чаще сменяются противоположными по направлению¹.

Распределение льда в природной системе зависит от следующих факторов:

• — особенностей, присущих льдообразованию в данной среде;
• — закономерностей развития природной системы, в которой реализуется льдообразование;
• — изменений среды в ходе трансформации или разрушения льда.

Реализуясь в геологических телах, участвуя в различных природных процессах, кристаллы льда определяют строение криосферы: от эпизодических, кратковременных, формирующих нестабильные системы облаков, содержащих атмосферные льды, до сезонных и многолетних, образующих снежный покров, сезонномерзлые почвы и горные породы, ледяные покровы водоемов, наледи и, наконец, многовековые криогенные образования: ледники, толщи мерзлых горных пород.

Отрасль науки, изучающей лед во всех видах и проявлениях, получила название криология. Единство материального носителя предполагает общность внутренних связей, процессов, свойств. Однако развитие криологии пошло по пути дифференциации. Формирование и распределение льда (снега) в атмосфере и на поверхности Земли изучается метеорологией; развитие сезонных льдов на поверхности морских и пресноводных водоемов рассматривается океанологией и гидрологией; формирование и движение ледяных скоплений (ледников) — гляциологией; изучением формирования льда в литосфере занимается геокриология (мерзлотоведение, криолитология), а в живых системах — криобиология. Положение исследований взаимоотношений криосферы и социума вообще оказалось неопределенным (история, этнография, экономика, медицина). В новом тысячелетии формируется новое научное направление — североведение, в котором эта проблема рассматривается^{[4] [5]}. Такое разделение криологии объяснимо, поскольку объекты изучения определялись прикладными хозяйственными задачами. Однако необходимость целостного рассмотрения криосферы ощущалась всегда. В последние десятилетия приходит понимание, что понижение температуры среды до значений, при которых вода переходит в лед, является мощным фактором, воздействующим не только на природу, но и на социальные структуры. В качестве основного структурного элемента криосферы выделяется устойчивую (ква- зистационарную) криогенную систему, под которой мы понимаем закономерно построенный природный объект (геологическое тело, биологический объект, атмосферное или водное ледяное образование и др.), имеющий отрицательную температуру, общность происхождения, содержащий лед, обладающий структурными связями и устойчивостью к внешним воздействиям. Квазистационарные криогенные системы обладают одним общим качеством: в пределах каждой из них сохраняется структурная упорядоченность и обеспечиваются определенные параметры системы (температуру, структуру, свойства). Устойчивость параметров и строения соответствует времени, когда криогенная система находится в равновесном состоянии с окружающей средой. Если же рассматривать период формирования системы или разрушения, то наблюдаются несоответствия и в строении, и в параметрах. Такое состояние системы мы выделяем как переходное, а область пространства, ему соответствующую, — как переходную зону или область.

В курсе уделяется особое внимание рассмотрению переходных состояний криогенных систем. Эта тема недостаточно разработана, хотя имеет большое значение при изучении криосферы. Поэтому в рамках предложенного подхода мы рассматриваем криосферу как совокупность областей стабильного состояния (криогенные квазистационарные системы), разделенных переходными областями. И те и другие имеют особые черты строения, их соотношение соответствует определенным палеогеографическим и современным условиям. Наиболее динамичными элементами криосферы являются переходные зоны. Их время существования и занимаемая область меньше, чем соответствующие характеристики квазистационарных криогенных систем, но их влияние на структуру и свойства последних исключительно велико.

В настоящее время в геокриологии ведущую роль играют линейно-детерминистические представления о процессах формирования, трансформации или разрушения мерзлых пород. Промерзающие, мерзлые или оттаивающие массивы рассматриваются как объекты с усредненными показателями (льдистость, влажность, содержание солей и газов, гранулометрический состав, теплопроводность и др.). Эти параметры зависят от температуры, определяемой поверхностными условиями, и меняются с соответствии с теплообменными процессами. Считается, что, обладая значениями усредненных характеристик строения и теплообмена, можно с помощью соответствующего математического аппарата предсказать состояние мерзлых толщ, изменение их характеристик и развитие криогенных процессов.

Авторы курса попытались продемонстрировать, что криолито- зона и криосфера в целом представляет собой совокупность криогенных систем и их развитие происходит крайне неравномерно. Спокойные периоды квазистационарного, устойчивого состояния в равновесии с окружающей средой сменяются этапами потери устойчивости, когда внутренние связи ослабевают (и даже разрушаются) и сменяются напряженными критическими периодами, в которые определяется, каким будет строение новой системы. При этом происходит самоорганизация новой структуры, соответствующей новым условиям. На этапе самоорганизации — в переходном состоянии — важна связь структур различного строения и уровня. В таких состояниях действуют смешанные энергетические и вещественные потоки, зарождаются новые формы, отбираются параметры порядка, регулирующие процесс на системном уровне. Происходит кооперация частей системы с возникновением нового качества. В таких состояниях определяющую роль играет не порядок, а хаос. И без этого неупорядоченного, неконтролируемого компонента были бы невозможны новые качественные изменения.

В траектории развития системы различают точки бифуркации или, шире, полифуркации, когда траектория разветвляется. И в законе движения нет указания на то, по какой ветви следовать. Есть лишь спектр возможностей. Выбор ветви зависит от флуктуаций, от факторов локального масштаба. Через малые блуждания система попадает в область притяжения одной из возможных траекторий дальнейшего движения. Хаос сначала обеспечивает возможность схода с прежней траектории при потере устойчивости в зоне кризиса, а затем помогает подключиться к новому аттрактору, вымывая помехи на этом пути^[6].

Тема 1

Авторы: Хименков Александр, Брушков Анатолий

• [1] Маэно Н. Наука о льде. М. : Мир, 1988.
• [2] Dobrowolski А. В. Historja naturalna lodu. Warszawa, 1923.
• [3] Dobrowolski А. В. Historja naturalna lodu. Warszawa, 1923.
• [4] Шумский П. А. Основы структурного ледоведения. М. : Изд-во АН СССР, 1955.
• [5] Голубчиков С. Н., Ерохин С. В. Российский Север на переломе эпох. М. : Пасьва,2003.
• [6] Баранцев Р. Г. Синергетика в современном естествознании. М. : URSS, 2003.