Коллектив ученых из Сколтеха опубликовал серию из трех работ, посвященных разным аспектам проникновения морской соли и других солей в мерзлый грунт, содержащий газовые гидраты — льдоподобные кристаллы, состоящие из воды и газа, в основном метана. Поскольку этот процесс, называемый солепереносом, влияет на скорость таяния мерзлоты на фоне глобального потепления, его учет необходим для достоверного моделирования климатических изменений.
Результаты исследования опубликованы в статьях в журнале Geosciences и — в Energy & Fuels. «Существующие математические модели природной и техногенной деградации мерзлоты, как правило, пренебрегают процессом солепереноса, однако и естественное засоление мерзлоты из-за контакта с морской водой, и техногенное воздействие растворов, которые используются при бурении скважин, понижают температуру начала оттаивания грунта, а значит, ускоряют деградацию мерзлоты. Так что этот аспект необходимо учитывать, и именно для этого мы стремимся разобраться в тонкостях процесса», — пояснил руководитель научной группы, ведущий научный сотрудник Сколтеха Евгений Чувилин.
В одной из работ ученые исследовали, как давление при солепереносе влияет на деградацию обычной мерзлоты и той, что содержит газовые гидраты (при этом лед и некоторое количество незамерзшей воды содержатся и там и там). Эксперименты с модельным грунтом показали, что при идентичных факторах засоления повышение давления не оказывает заметного влияния на солеперенос в обычной мерзлоте и, как следствие, не влияет на скорость ее деградации.
Но наличие в грунте гидратов меняет ситуацию, поскольку они влияют на диффузию солей. Насыщенный гидратами грунт оказывается очень чувствителен к изменению давления, которое может как ускорять солеперенос при снижении давления, так и подавлять его при повышении давления, а значит замедлять таяние мерзлоты.
В другой работе коллектив рассмотрел, как на тот же процесс влияют еще три фактора: температура среды, концентрация солей и какая конкретно соль участвует в процессе. Эксперимент показал: чем ниже температура (речь о значениях ниже нуля), тем менее активно идет солеперенос. Хотя этот эффект был ожидаем, его количественная оценка в мерзлых гидратосодержащих грунтах проведена впервые. Чем выше концентрация соли, тем активнее она проникает в грунт. Если говорить о химии солей, то выяснилось, что при переходе от хлоридов к сульфатам, а также от начала к концу ряда ионов магния, натрия, кальция и калия интенсивность переноса солей уменьшается.
Наконец, в третьей работе ученые исследовали при помощи множества температурных датчиков, как меняется пространственное распределение температуры в образце в результате солепереноса. В ходе эксперимента в мерзлом грунте возникает неоднородное температурное поле. Это объясняется тем, что в тех областях, куда проникла соль, первым делом начинается подтаивание, а значит, поглощается тепло. В случае с гидратосодержащим грунтом этот эффект в несколько раз сильнее, что связано с разложением газовых гидратов при солепереносе.
При этом охлаждение происходит значительно быстрее, а восстановление температурного поля в образце замедляется. «Полученные результаты экспериментального моделирования позволяют по-новому взглянуть на процессы диссоциации внутримерзлотных газогидратных образований, связанные с солепереносом, и его вклад в деградацию мерзлоты при климатических изменениях на Земле», — подытожил Чувилин.
