V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Вечна ли вечная мерзлота
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
В городе Якутске, как и на большой территории нашей страны, где существует вечная мерзлота, есть проблема разрушения инженерных сооружений (зданий, дорожного полотна и т.п.). Почему же это происходит? Я задался таким вопросом, когда обратил внимание на соседний жилой дом, который почти на половину рассечен большой трещиной (приложение 1). Мама сказала что, всему виной вечная мерзлота. Мне захотелось узнать об этом и понять, как же это происходит, и можно ли такой процесс предотвратить. Мой дедушка инженер-мерзлотовед, объяснил мне, как происходит процесс, из за которого пострадал дом.
По мере углубления в изучение моей работы я выяснил для себя, что многие вещи мне знакомы, но я и предположить не мог, что виной всему территория вечной мерзлоты на которой мы свами живем. Например, всем знакомая картина появления непонятных пней на пешеходных дорожках или посреди проезжей части, виной этому все та же «вечная мерзлота».И провалы на тех же дорогах, или появление оврагов, которых раньше не было, и их ни кто не выкапывал. Я решил, что это будет интересно и другим ребятам. И в своей работе попытаюсь объяснить, эти удивительные природные процессы.
Цели исследования
Изучить материал о«мерзлоте»
Сформировать понятие «вечная мерзлота»
Задачи исследования
1) Изучить дополнительную литературу по теме творческого экзамена
2) Выяснить, что такое «вечная мерзлота» и причины её образования
3) Как «вечная мерзлота» влияет на нашу жизнь и наш быт.
1.Основная часть
1.1Что такое вечная мерзлота и как она образуется
Для начала нужно пояснить, что же за наука изучает вечную мерзлоту. В нашем городе есть институт мерзлотоведения, в котором работают инженеры-геокриологи, именно они и занимаются ее изучением. Геокриология относится к естественнонаучным дисциплинам. Она включает в себя геологию, географию, физику, химию и строительное дело. Это очень молодая наука, и поэтому не все проблемы в ней решены.
«Вечная мерзлота» интересное и грозное явление природы. В моей работе я попробую разобраться, что это такое, друг или враг она человеку, и как ее изучают.
Что же такое вечная мерзлота? Это явление глубокого промерзания верхних слоев Земли. В криолитологии вечную мерзлоту называют криолитозоной. Греческое слово «криос» означает холод, мороз и лед, «литос» - камень, а «зоне» - пояс.Отсюда следует, что –это толща земли любого состава, имеющая отрицательную температуру, непрерывно находящаяся в мерзлом состоянии несколько лет. Толщина этой зоны измеряется десятками и сотнями метров.
Разница между мерзлой и не мерзлой толщей в том, что при 0 градусах Цельсияпресная вода замерзает, а так как вся почва земли пропитана водой, то замерзая онапревращаясь в лед, крепко скрепляя, как бы цементирует эту почву. При этом резко изменяются механические и другие свойства грунта.
Например, в талом состоянии песок и глину даже дети могут лопатками ковырять, но при замерзании, порода становится прочной как цемент, и разрушить ее можно только взрывом.
На других территориях, весной земля протаивает совсем, в условиях же вечной мерзлоты, к концу лета земля избавляется от то льда только от 20 см до 5 м, а глубже на десятки и даже сотни метров простирается мерзлота. Вот это и есть вечная мерзлота.
Как же она образуется? В начале нашего века климатолог В.Б. Шостакович отмечал, что формирование вечномерзлого слоя земли началось тогда, когда однажды глубоко промерзшая земля зимой, не успела оттаять за лето, и в глубине на следующий год остался слой льда. На следующий год явление повторилось – снова оттаяло меньше, чем промерзло за зиму, при этом толщина мерзлого слоя еще увеличилась в объеме. Такое явление могло возникнуть в ледниковый период, когда на планете резко изменился климат, и стало холоднее обычного.
1.2. Первая встреча с вечной мерзлотой
Шахта Шергина (приложение 2)
В шахте, впервые на больших глубинах, были проведены измерения температур мёрзлых грунтов, выполнены геологические исследования. Шахта Шергина стала источником полученных фактических данных, подтверждающих и неопровержимо доказывающих наличие вечной мерзлоты. Это сыграло огромную роль в становлении и развитии геокриологии как науки.
Шахта имеет статус памятника, охраняемого государством.
Она расположена в г. Якутск во дворе дома по ул. Кулаковского, 18.
Сооружение представляет собой вертикальный колодец глубиной 116,6 м. На дне шахты пробурена скважина глубиной около 24 м (общая глубина — около 140 м). Ствол шахты закреплён сплошным срубом из лиственничных брёвен от устья до глубины 52 м. Такая же крепь имеется на глубине от 74 до 79 м. Размеры шахты Шергина уменьшаются с глубиной. Верхняя часть ствола шахты до глубины 1,4 м имеет сечение 3х3 м. Ниже полутораметрового уровня ствол имеет сечение 1,6х1,6 м, а глубже 110 м шахта несколько сужается.
Над шахтой выстроен бревенчатый сруб с дощатой кровлей. Устье шахты имеет люк, закрытый двухстворчатой крышкой.
Для спуска в шахту использовался горизонтальный ворот, канат и люльки (ведра).
Летом 1828 г живший в Якутске руководитель конторы Русско-Американской Компании купец Фёдор Шергин для получения хорошей воды предпринял рытьё колодца во дворе своего дома. Он знал о постоянном холоде в почвенных слоях, однако надеялся на достижение успеха. Шергин ранее жил в Качуге (верховья реки Лены) и знал, что в той местности удавалось преодолеть слой мёрзлого грунта и выйти на водоносный слой.
За исключением первых лет, работы производились только зимой. Летом работать было невозможно, так как в глубине колодца скапливался углекислый газ, который зимой вытеснялся более холодным воздухом верхних слоев.
В 1831 г. Шергин собирался прекратить дальнейшие работы, так как стала очевидной, что получить воду не удастся. В это время в Якутск из поездки по сибирским русско-американским колониям приехал адмирал Ф. П. Врангель. Он уговорил Шергина продолжать своё предприятие.
В 1837 г от Шергина пришло известие, что колодец был доведён им до глубины 116,4 м (382 фута). Император Николай I наградил Шергина золотой медалью и перстнем с бриллиантом.
В период с 1844 по 1846 гг. в шахте проводились температурные измерения в рамках экспедиции А. Ф. Миддендорфа. Ими занимались сам Миддендорф и его сотрудник Т. Брандт, а после их отъезда — Д. Давыдов — местный учитель и инспектор школ.
1.3.Трансиб
В своем отчете о путешествиях по Сибири А.Ф. Миддендорф не только доказал факт существования «ледянной почвы», проводя наблюдения, он показал, что она встречается на громадной территории Якутска, Западной Сибири, Таймыра и Забайкалья. Два тома монографии А.Ф. Миддендорфа о его путешествии по Сибири вышли на русском языке в 1860-1969гг.
Границу вечной мерзлоты впервые наметил Л.А. Ячевский в 1889 г., основываясь на данных А.Ф. Миддендорфа и других путешественников по Сибири.
Со второй половины XIX в. России стало бурно развиваться освоение Сибири, так как были открыты месторождения золота на р.Лене, железа и каменного угля в Забайкалье. Но освоению Сибири мешало отсутствие надежных транспортных путей. От Урала на восток тянулся Сибирский тракт – примитивная грунтовая дорога. В дождливые дни летом дорога становилась почти непроезжею. Возчик, прошедший из Иркутска в Томск и обратно, делает около 3200 верст и употребляет на это чуть ли не полгода. Одна и та же лошадь, одна и та же повозка совершает такой путь не более одного раза в год. (заседание географического общества 5 декабря 1890 г.) (приложение 3)
В связи с этим правительство пришло к выводу о необходимости строительства Великой Сибирской магистрали. Которая должна была протянуться к берегам Тихого океана от Челябинска и от Владивостока.
В конце XIX в. Началось строительство Великой Сибирской железнодорожной магистрали – Транссиба, именно в это время трудами русских исследователей впервые были обобщены собранные данные, как о самой вечной мерзлоте, так и о способах строительства, и таким образом, заложены основы будущей науки-геокриологии.
1.4.Вечная мерзлота - друг или враг?
Вредна или полезна вечная мерзлота, этот вопрос обсуждается уже довольно давно. Правильный ответ на этот вопрос может быть дан, если имеются в виду определенный район, конкретное производство и тип сооружения.
Скорей всего, до той поры, пока будут отмечаться «неожиданные» нарушения и разрушения сооружений на вечной мерзлоте, легенда о ее «коварстве» будет жить и получать всё новые подтверждения.
Так в чем же она плоха? Причина в том, что вечная мерзлота далеко не вечная. И вообще вечная мерзлота динамичное природное явление. Последнее связано с очень высоким содержанием льда в грунтах с одной стороны, и с постоянным изменением температуры вечной мерзлоты с другой. Например, этой зимой было холоднее, чем прошлой и как следствие, слой «вечной мерзлоты» увеличивается или она появляется там, где ее раньше не было.
1.5.Термокарст (приложение 4)
В другом случае, в периоды более жаркого лета идет подтаивание мерзлых грунтов, что ведет к уменьшению или исчезновению мерзлоты в тех или иных местах. Когда протаивает лед в грунте, вода уходит (утекает), грунты уплотняются, тоесть, идут крупные нарушения земной поверхности. Такой природный процесс носит название термокарст. Это наиболее распространенное явление. Термокарст (провал земной поверхности) образуется,в следствие различных факторов, природных или человеческих. Термокарстовые процессы можно наблюдать после лесных пожаров, и вырубке леса, при создании пашен или просто от глубокого следа вездехода или трактора. В последнем случае, особенно если этот след проложен вниз по склону, довольно скоро он становится долиной ручейка, и через две-три недели на его месте в результате подмыва почвы, возникает глубокий овраг. На дорогах, за пределами города, можно наблюдать такую картину, придорожные кюветы в течение, летнего периода превращаются в овраги, длина, которых достигает больших размеров.
1.6. Пучение (приложение 5)
Кроме просадки земной поверхности в области вечной мерзлоты часто наблюдается процесс пучения грунтов и выпучивания крупных предметов (столбов, камней, свай, блоков). Все мы не раз становились свидетелями таких природных аномалий. Из земли торчит небольшой пенек, спустя год, пенек начинает расти, через несколько лет этот пенек превращается в столб непонятно для каких целей установленный. Это фокус, который нам демонстрирует вечная мерзлота.
Как это происходит? Все мы знаем, что вода при замерзании увеличивается в объеме. С водой, содержащейся в грунте, происходит тоже самое. При оттаивании объем, соответственно уменьшается. Тоесть в течение года грунт пульсирует: несколько повышается зимой и понижается летом. Если в толще земли находится крупный предмет, с первыми морозами начинается промерзание грунтов. Предмет примерзает к грунту, и так как объем грунтовых вод увеличивается, вместе с грунтом приподнимается наш объект, образуя под собой пустоту, куда припротаивании, в теплое время года, грунтовая вода подтекает. В зимний период эта скопившаяся вода замерзает и как бы выталкивает предмет вверх. Весной начинается оттаивание грунта. Верхняя часть почвы при таянии льда уменьшается в объеме, уплотняясь и как бы спускается по столбу, так как основание столба еще крепко вморожено, к концу лета мы обнаруживаем, что крупный предмет «растет». И так с каждым годом все выше и выше пока наш предмет не окажется на поверхности полностью.
1.7. Будущее вечной мерзлоты
Естественные природные процессы протекают весьма медленно, их скорость несоизмерима, со скоростью изменения, которые происходят благодаря человеческому фактору. С каждым годом человек оказывает огромное влияние на эволюцию вечной мерзлоты в планетарном масштабе. Другими словами, при освоении земли человеком (разработка месторождений, строительство магистралей, рост городов) нарушается мерзлота, что приводит к ее уменьшению или исчезновению вовсе.
Мы можем заметить, по рассказам родителей, что лето у нас в г Якутске стало жарче и дольше, а зимы короче и теплее. Это глобальное потепление климата, которое можно заметить не вооруженным взглядом.
В планетарном масштабе, на протяжении 500 лет в средних широтах идет значительное потепление среднегодовых температур воздуха. Ледники во всем мире отступают, отодвигаются к северу и граница вечной мерзлоты ведет себя так же. Если допустить, что потепление климата продлится и дальше, то для вечной мерзлоты сложится катастрофическая обстановка. При вытаивании подземных льдов вследствие потепления климата начнется оседание поверхности земли. Мировой океан за счет таяния этих льдов поднимется. Море затопит обширные низменности. Но это очень долгосрочные прогнозы. У нас есть в запасе примерно 1800 лет.
Заключение
Мерзлота уникальное природное явление, имеющее свои плюсы и минусы.
В настоящее время есть необходимость изучать вечную мерзлоту, максимально сохранять ее естественное состояние. Человеку необходимо, научиться сосуществовать на территории распространения вечной мерзлоты. Инженеры геологи, гидрогеологи разрабатывают все новые инженерные сооружения, для того, что бы коварство вечной мерзлоты минимально влияло на качество эксплуатации сооружений возведенных человеком (дороги, здания и т.п).
Сложно сказать, друг или враг человеку вечная мерзлота. Но необходимость в ее изучении, наблюдении за процессами очевидна. У нас в г Якутске существует Институт мерзлотоведение. Уникальный институт, который занимается непосредственно изучением мерзлоты (приложение 6). Для того что бы человек комфортно чувствовал себя в этом царстве вечной мерзлоты.
В будущем я хочу стать инженером или архитектором. И если я останусь проживать на территории,где распространена вечная мерзлота, то изучать ее нужно будет очень глубоко. За то можно сделать много новых открытий и инженерных разработок в этой области, что меня не может не радовать.
Мерзлота уникальное природное явление, имеющее свои плюсы и минусы.
Список использованной литературы
Морозное пучение грунтов и методика полевого определения касательных сил
пучения, Сафронов Ю.В., М., 1985
Тротуары в Якутске: состояние, проблемы и пути решения, ЛОГ, М.М. Шац, Ю.Б.Скачков, 2016
Тротуары в Якутске
3.Фотошахты Шергина
4.Геокриологическая карта
5. Рисунок выпучивания
6. Фото термокарста
7.Фото института мерзлотоведения
Приложение 1.
Приложение 2.
Приложение 3.
Приложение 4.
Приложение 5
Приложение 6.
16