aariПроблемы Арктики и АнтарктикиArctic and Antarctic Research0555-26482618-6713Государственный научный центр Российской Федерации Арктический и антарктический научно-исследовательский институт10.30758/0555-2648-2025-71-4-412-427aari-761Research ArticleМЕТЕОРОЛОГИЯ И КЛИМАТОЛОГИЯMETEOROLOGY AND CLIMATOLOGYПроцессы сезонного протаивания грунта на архипелаге Северная ЗемляSeasonal soil thawing processes on the Severnaya Zemlya archipelagohttps://orcid.org/0000-0002-9690-9133МакштасА. П.MakshtasA. P.

Санкт-Петербург

St. Petersburg

maksh@aari.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5517-1427СидороваО. Р.SidorovaO. R.

Санкт-Петербург

St. Petersburg

https://orcid.org/0000-0001-7208-685XМахотинаИ. А.MakhotinaI. A.

Санкт-Петербург

St. Petersburg

https://orcid.org/0000-0002-1750-7903БогородскийП. В.BogorodskyP. V.

Санкт-Петербург

St. Petersburg

ГНЦ РФ Арктический и антарктический научно-исследовательский институтРоссияState Scientific Center of the Russian Federation Arctic and Antarctic Research InstituteRussian Federation202501122025714412427Copyright © Макштас А.П., Сидорова О.Р., Махотина И.А., Богородский П.В., 20252025Макштас А.П., Сидорова О.Р., Махотина И.А., Богородский П.В.Makshtas A.P., Sidorova O.R., Makhotina I.A., Bogorodsky P.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.aaresearch.science/jour/article/view/761

Происходящее в последние годы потепление Арктики обусловливает деградацию вечной мерзлоты, поступление в атмосферу парниковых газов, образующихся при разложении ранее мерзлого органического вещества, увеличение площади и разнообразия растительного покрова, уменьшение несущей способности вечномерзлых грунтов. В этой связи особый интерес вызывает эволюция сезонно-талого слоя грунта (СТС). В статье рассмотрены особенности процессов сезонного протаивания СТС в северной части о. Большевик (арх. Северная Земля). Описаны особенности динамики глубины сезонно-талого слоя по данным комплексных наблюдений, выполненных в 2016–2020 гг. Проанализирована роль уменьшения альбедо подстилающей поверхности вследствие кратковременных вторжений теплых воздушных масс как триггера, приводящего к интенсификации процессов таяния. С помощью модели, реализующей алгоритм Лейбензона, получены и валидированы по данным наблюдений оценки сезонной изменчивости толщины СТС в зависимости от используемого форсинга и характеристик растительного покрова. Предложенный подход может быть использован для оценок СТС по данным дистанционных измерений температуры подстилающей поверхности.

The recent warming of the Arctic causes degradation of permafrost, release of greenhouse gases due to the decomposition of previously frozen organic matter, increase in the area and diversity of vegetation, and decrease of in the bearing capacity of permafrost soils. In this regard, the evolution of the seasonally thawed soil layer is of particular interest. The paper presents the results of comprehensive studies of energy exchange processes in the atmospheric surface layer and the upper layer of permafrost, carried out in 2016–2020 at the Research Station “Ice Base Mys Baranova” (Bolshevik Island, Severnaya Zemlya Archipelago), supplemented by the results of model calculations of seasonally thawed depth (STD) dynamics. The study examines the role of surface snow albedo decreases due to short-term intrusions of warm air masses, leading to the intensification of snow melting and soil surface heating due to increase in absorbed incoming solar radiation, is analyzed. A version of the Leibenson model, validated by data of observations, is used for assessing the role of landscape factors and meteorological conditions in the dynamics of STD. Despite the simplified formulation of the problem and the approximate assignment of heat and mass transfer of soil properties in the area under study, the model results could be considered satisfactory, and proposed approach can be used for assessing the state of STD.

Северная Землямноголетняя мерзлотасезонно-талый слойэнергомассообменSevernaya Zemlyapermafrostseasonal thawing depthenergy and mass exchangeИсследование выполнено в рамках темы 5.1.4 Плана НИТР Росгидромета на 2020– 2024 гг. Регистрационный номер НИТР АААА-А20-120041590009-7.The research was funded within project 5.1.4 of Roshydromet STW’ Plan 2020–2024. STW registration number АААА-А20-120041590009-7.ReferencesBerner L.T., Massey R., Jantz P., Forbes B.C., Macias-Fauria M., Myers-Smith I., Kumpula T., Gauthier G., Andreu-Hayles L., Gaglioti B.V., Burns P., Zetterberg P., D’Arrigo R., Goetz S.J. Summer warming explains widespread but not uniform greening in the Arctic tundra biome. Nature Communications. 2020;11:4621. https://doi.org/10.1038/s41467-020-18479-5Berner L.T., Massey R., Jantz P., Forbes B.C., Macias-Fauria M., Myers-Smith I., Kumpula T., Gauthier G., Andreu-Hayles L., Gaglioti B.V., Burns P., Zetterberg P., D’Arrigo R., Goetz S.J. Summer warming explains widespread but not uniform greening in the Arctic tundra biome. Nature Communications. 2020;11:4621. https://doi.org/10.1038/s41467-020-18479-5Serreze M.C., Walsh J.E., Chapin III F.S., Osterkamp T., Dyurgerov M., Romanovsky V., OechelW.C., Morison J., Zhang T., Barry R.G. Observational evidence of recent change in the northern highlatitude environment. Clim. Chang. 2000;46:159–207. https://doi.org/10.1023/A:1005504031923Serreze M.C., Walsh J.E., Chapin III F.S., Osterkamp T., Dyurgerov M., Romanovsky V., OechelW.C., Morison J., Zhang T., Barry R.G. Observational evidence of recent change in the northern highlatitude environment. Clim. Chang. 2000;46:159–207. https://doi.org/10.1023/A:1005504031923Biskaborn B.K., Smith S.L., Noetzli J., Matthes H., Vieira G., Streletskiy D.A., Schoeneich P., Romanovsky V.E., Lewkowicz A.G., Abramov A., Allard M., Boike J., Cable W.L., Christiansen H.H., Delaloye R., Diekmann B., Drozdov D., Etzelmüller B., Grosse G., Guglielmin M., Ingeman-Nielsen Th., Isaksen K., Ishikawa M., Johansson M., Johannsson H., JooA., Kaverin D., Kholodov A., Konstantinov P., Kröger T., Lambiel Ch., Lanckman J.-P., Luo D., Malkova G., Meiklejohn I., Moskalenko N., Oliva M., Phillips M., Ramos M., Sannel A.B.K., Sergeev D., Seybold C., Skryabin P., Vasiliev A., Wu Q., Yoshikawa K., Zheleznyak M., Lantuit H. Permafrost is warming at a global scale. Nature Communications. 2019;10:264. https://doi.org/10.1038/s41467-018-08240-410Biskaborn B.K., Smith S.L., Noetzli J., Matthes H., Vieira G., Streletskiy D.A., Schoeneich P., Romanovsky V.E., Lewkowicz A.G., Abramov A., Allard M., Boike J., Cable W.L., Christiansen H.H., Delaloye R., Diekmann B., Drozdov D., Etzelmüller B., Grosse G., Guglielmin M., Ingeman-Nielsen Th., Isaksen K., Ishikawa M., Johansson M., Johannsson H., JooA., Kaverin D., Kholodov A., Konstantinov P., Kröger T., Lambiel Ch., Lanckman J.-P., Luo D., Malkova G., Meiklejohn I., Moskalenko N., Oliva M., Phillips M., Ramos M., Sannel A.B.K., Sergeev D., Seybold C., Skryabin P., Vasiliev A., Wu Q., Yoshikawa K., Zheleznyak M., Lantuit H. Permafrost is warming at a global scale. Nature Communications. 2019;10:264. https://doi.org/10.1038/s41467-018-08240-410Степаненко В.М., Репина И.А., Федосов В.Э., Зилитинкевич С.С., Лыкосов В.Н. Обзор методов параметризации теплообмена в моховом покрове для моделей Земной системы. Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2020;56(2):127–138. https:// doi.org:10.1134/S0001433820020139Stepanenko V.M., Repina I.A., Fedosov V.E., Zilitinkevich S.S., Lykosov V.N. Review of methods for parameterization of heat transfer in moss cover for Earth system models. Bulletin of the Russian Academy of Sciences. Atmospheric and Oceanic Physics. 2020;56(2):127–138. (In Russ.). https:// doi.org:10.1134/S0001433820020139Апарин Б.Ф., Апарин В.Б., Пфайффер Е.-М. Почвы и почвенный покров о-ва Большевик архипелага Северная Земля. Вестник СПбГУ. 2007;3(1):104–116.Aparin B.F., Aparin V.B., Pfeiffer E.-M. Soils and soil cover of the Bolshevik Island of the Severnaya Zemlya archipelago. Bulletin of St. Petersburg State University. 2007;3(1):104–116. (In Russ.).Матвеева Н.В. Растительность южной части острова Большевик (архипелаг Северная Земля). Растительность России. 2006;8:3–87.Matveeva N.V. Vegetation of the southern part of the Bolshevik Island (Severnaya Zemlya archipelago). Vegetation of Russia. 2006;8:3–87. (In Russ.).Махотина И.А., Макштас А.П., Тимачев В.Ф. Процессы взаимодействия подстилающей поверхности с атмосферой на о-ве Большевик. В кн.: Макштас А.П., Соколов В.Т. (ред.) Исследование природной среды высокоширотной Арктики на НИС «Ледовая база Мыс Баранова». СПб.: ААНИИ; 2021. С. 31–38.Makhotina I.A., Makshtas A.P., Timachev V.F. Processes of air — surface interaction at Bolshevik Island. In: Makshtas A.P., Sokolov V.T. (ed.) Study of the natural environment of the high-latitude Arctic on the research station “Ice Base Mys Baranova”. St. Petersburg: AARI; 2021. P. 31–38. (In Russ.).Богородский П.В., Макштас А.П., Кустов В.Ю. Первые результаты мерзлотных наблюдений на «Ледовой базе Мыс Баранова» (о-в Большевик, арх. Северная Земля). В кн.: Макштас А.П., Соколов В.Т. (ред.) Исследование природной среды высокоширотной Арктики на НИС «Ледовая база Мыс Баранова». СПб.: ААНИИ; 2021. С. 184–193.Bogorodskiy P.V., Makshtas A.P., Kustov V.Yu. First results of permafrost observations at the “Ice Base Mys Baranova” (the Bolshevik Island, Severnaya Zemlya Archipelago). In: Makshtas A.P., Sokolov V.T. (ed.) Study of the natural environment of the high-latitude Arctic on the research station “Ice Base Mys Baranova”. St. Petersburg: AARI; 2021. P. 184–193. (In Russ.).Кудрявцев В.А., Гарагуля Л.С., Кондратьева К.А., Меламед В.Г. Основы мерзлотного прогноза при инженерно-геологических исследованиях. М.: Наука; 1974. 431 с.Кудрявцев В.А., Гарагуля Л.С., Кондратьева К.А., Меламед В.Г. Основы мерзлотного прогноза при инженерно-геологических исследованиях. М.: Наука; 1974. 431 с.Лейбензон Л.С. Движение природных жидкостей и газов в пористых средах. М.: Гостехиздат; 1947. 244 с.Лейбензон Л.С. Движение природных жидкостей и газов в пористых средах. М.: Гостехиздат; 1947. 244 с.Сосновский А.В., Осокин Н.И. Влияние мохового и снежного покровов на устойчивость многолетней мерзлоты на Западном Шпицбергене при климатических изменениях. Вестник Кольского научного центра РАН. 2018;3(10):178–184.Sosnovsky A.V., Osokin N.I. The influence of moss and snow covers on the stability of permafrost in the Western Spitsbergen under climate change. Bulletin of the Kola Science Center of the Russian Academy of Sciences. 2018;3(10):178–184. (In Russ.).Тишков А.А., Осокин Н.И., Сосновский А.В. Влияние синузий мохообразных на деятельный слой арктических почв. Известия РАН. Серия географическая. 2013;3:39–46.Tishkov A.A., Osokin N.I., Sosnovsky A.V. Influence of bryophyte synusia on the arctic active soil layer. Bulletin of the Russian Academy of Sciences. Geographical Series. 2013;3:39–46. (In Russ.).Макштас А.П., Иванов Б.В., Тимачев В.Ф. Сравнение параметризаций турбулентного энерго-массообмена в устойчиво-стратифицированном приземном слое атмосферы. Проблемы Арктики и Антарктики. 2012;3(93):5–18.Makshtas A.P., Ivanov B.V., Timachev V.F. Comparison parameterizations of turbulent energymass exchange in stable-stratified atmospheric surface layer. Problemy Arktiki i Antarktiki. 2012; 3(93):5–18. (In Russ.).Li J., Luo Y. Natali S., Schuur E.A.G., Xia J., Kowalczyk E., Wang Y. Modeling permafrost thaw and ecosystem carbon cycle under annual and seasonal warming at an Arctic tundra site in Alaska. J. Geophys. Res. Biogeosci. 2014;119(6):1129–1146. https:// doi.org/ 10.1002/2013JG002569Li J., Luo Y. Natali S., Schuur E.A.G., Xia J., Kowalczyk E., Wang Y. Modeling permafrost thaw and ecosystem carbon cycle under annual and seasonal warming at an Arctic tundra site in Alaska. J. Geophys. Res. Biogeosci. 2014;119(6):1129–1146. https:// doi.org/ 10.1002/2013JG002569Chechin D.G., Repina I.A., Artamonov A.Y., Drozd I.D., Dyukarev E.A., Kazantsev V.S., Krivenok L.A., Larina A.V., Pashkin A.D., Shmonin K.N., Stepanenko V.M., Varentsov M.I. Quantifying spatial heterogeneities of surface heat budget and methane emissions over WestSiberian peatland: highlights from the Mukhrino 2022 campaign. Forests. 2024;15(1):102. https:// doi.org/10.3390/f15010102Chechin D.G., Repina I.A., Artamonov A.Y., Drozd I.D., Dyukarev E.A., Kazantsev V.S., Krivenok L.A., Larina A.V., Pashkin A.D., Shmonin K.N., Stepanenko V.M., Varentsov M.I. Quantifying spatial heterogeneities of surface heat budget and methane emissions over WestSiberian peatland: highlights from the Mukhrino 2022 campaign. Forests. 2024;15(1):102. https:// doi.org/10.3390/f15010102Putkonen J. Soil thermal properties and heat transfer processes near Ny-Ålesund, northwestern Spitsbergen, Svalbard. Polar Research. 1998;17(2):165–179. https:// doi.org/ /10.3402/polar.v17i2.6617Putkonen J. Soil thermal properties and heat transfer processes near Ny-Ålesund, northwestern Spitsbergen, Svalbard. Polar Research. 1998;17(2):165–179. https:// doi.org/ /10.3402/polar.v17i2.6617Osterkamp T.E. A thermal history of permafrost in Alaska. In: Phillips M., Springman S.M., Arenson L.U. (ed.). Proceedings of the 8th International Conference on Permafrost. vol. 2. Brookfield: A.A. Balkema; 2003. P. 863–868.Osterkamp T.E. A thermal history of permafrost in Alaska. In: Phillips M., Springman S.M., Arenson L.U. (ed.). Proceedings of the 8th International Conference on Permafrost. vol. 2. Brookfield: A.A. Balkema; 2003. P. 863–868.Ballinger T.J., Overland J.E., Wang M., Bhatt U. S., Hanna E., Hanssen-Bauer I., Kim S.-J., Thoman R.L., Walsh J.E. Arctic Report Card: Surface air temperature. 2020. https://doi.org/10.25923/gcw8-2z06Ballinger T.J., Overland J.E., Wang M., Bhatt U. S., Hanna E., Hanssen-Bauer I., Kim S.-J., Thoman R.L., Walsh J.E. Arctic Report Card: Surface air temperature. 2020. https://doi.org/10.25923/gcw8-2z06Alekseev G.V., Nagurny A.P. Influence of sea ice cover on carbon dioxide concentration in the Arctic atmosphere in the winter period. Doklady Earth Sciences. 2025;401A(3):486–489.Alekseev G.V., Nagurny A.P. Influence of sea ice cover on carbon dioxide concentration in the Arctic atmosphere in the winter period. Doklady Earth Sciences. 2025;401A(3):486–489.Persson P.O.G. Onset and end of the summer melt season over sea ice: thermal structure and surface energy perspective from SHEBA. Climate Dynamics. 2011;39(6):1–23. https:// doi.org:10.1007/s00382-011-1196-9Persson P.O.G. Onset and end of the summer melt season over sea ice: thermal structure and surface energy perspective from SHEBA. Climate Dynamics. 2011;39(6):1–23. https:// doi.org:10.1007/s00382-011-1196-9Shestakova A.A., Chechin D.G., Lüpkes C., Hartmann J., Maturilli M. The foehn effect during easterly flow over Svalbard. Atmos. Chem. Phys. 2022;22:1529–1548. https://doi.org/10.5194/acp-22-1529-2022Shestakova A.A., Chechin D.G., Lüpkes C., Hartmann J., Maturilli M. The foehn effect during easterly flow over Svalbard. Atmos. Chem. Phys. 2022;22:1529–1548. https://doi.org/10.5194/acp-22-1529-2022Анисимов О.А., Кокорев В.А. Моделирование мощности сезонноталого слоя с учетом изменений климата и растительности: прогноз на середину ХХI века и анализ неопределенностей. Криосфера Земли. 2017;21(2):3–10. https:// doi.org/10.21782/KZ1560-7496-2017-2(3-10)Anisimov O.A., Kokorev V.A. Russian permafrost in the 21st century: model-based projections and analysis of uncertainties. Earth’s Cryosphere. 2017;21(2):3–9. (In Russ).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.