Статья: Оценка термической устойчивости мерзлотных ландшафтов к современному потеплению климата (на примере Центральной Якутии) (2025)

Создание и применение так называемых умных, многофункциональных и гибридных материалов является одним из актуальных направлений современного материаловедения. В работе приведены результаты механических испытаний, исследований микроструктуры, оценки электрофизических свойств, а также стохастического моделирования разрушения образцов из бетонного композита, модифицированного переработанным вторичным сырьем в виде восстановленного оксида графена. Работы проведены с целью создания материалов повышенной прочности и с заданной электропроводностью. Дан обзор исследований в области создания и моделирования процессов разрушения гибридных материалов. Приведены подходы к оценке напряженного состояния и обосновано применение концепции зоны предразрушения и структурного размера для описания процессов разрушения в квазихрупких материалах. Показано, что высокие прочностные свойства и электропроводность графена позволяют существенно улучшить характеристики гибридного композита при незначительной концентрации модификатора. Образцы для испытаний были изготовлены с добавлением 0,2 и 0,5 мас.% оксида графена. Для исследования структуры и состава использовались электронная сканирующая растровая микроскопия и инфракрасная спектроскопия. Механические испытания показали, что добавление восстановленного оксида графена вызывает увеличение прочности на 48 % при содержании всего 0,5 мас.% оксида графена и снижение электрического сопротивления до 550–600 Ом, при этом снятие нагрузки восстанавливает прежние значения проводимости. Установлено, что модификация бетона графеном улучшает как электрические, так и механические характеристики. Подобные гибридные материалы могут быть применены в системах мониторинга состояния конструкций, самонагревающихся элементах, при заземлении электроопор, с целью повышения надежности и безопасности эксплуатации энергетических комплексов и технических систем в экстремальных климатических условиях Арктики и Субарктики.

Для широкого применения полиэтиленовых труб при строительстве газопроводов в регионах очень холодного климата необходима разработка оперативной технологии сварки с целью выполнения ремонтно-восстановительных работ без использования теплых укрытий. Предлагается технология оперативной электромуфтовой сварки полиэтиленовых труб при низких температурах на открытом воздухе с управляемой кристаллизацией материала сварного шва. Сокращение времени выполнения соединения достигается предварительным подогревом с помощью закладного нагревателя и выравнивания температур путем свободного охлаждения. Расчет температурного режима сварки методом конечных элементов показал, что при последующем нагреве по режиму сварки в нормальных условиях объем расплава соответствует объему расплава сварки при допустимой температуре воздуха. Для соблюдения режима кристаллизации расплава полиэтилена в условиях низких температур, характерных для сварки при допустимых температурах воздуха, предлагается изменение мощности нагревателя по времени. Для определения временной зависимости мощности закладного нагревателя, обеспечивающей соответствующую кристаллизацию материала сварного шва и зоны термического влияния, решена обратная задача теплопроводности методом градиентной минимизации функционала. На основе решения несвязанной термоупругой задачи с использованием программного средства Dolfin/FEniCS проведен сравнительный анализ влияния распределений температур на сварочные напряжения при сварке по предлагаемой и стандартной технологиям. Расчетами показано, что при сварке с управляемой кристаллизацией напряжения между трубой и муфтой находятся в допустимом диапазоне. Исследования с помощью растрового электронного микроскопа JEOL JSM-7800F надмолекулярных структурных образований в материале зоны термического влияния показали, что предлагаемая технология управляемой кристаллизации обеспечивает формирование в зоне термического влияния сферолитов с размерами, характерными для сварки в нормальных условиях.

Тепловизионная технология, или инфракрасная термография (ИКТ), за последние годы стала важным инструментом для неинвазивного изучения различных физиологических процессов у животных, состояния их здоровья и поведенческих реакций. Метод позволяет регистрировать распределение поверхностной температуры тела, что дает возможность бесконтактно оценивать терморегуляцию, уровень стресса, наличие воспалительных процессов и некоторые адаптационные механизмы животных. Часто данный подход применяется при разнообразных физических нагрузках животных в условиях, где важна способность организма поддерживать температурный гомеостаз, включая негативное влияние комплекса факторов окружающей среды. Кроме того, метод применяется в некоторых исследованиях, посвященных анализу поведенческих реакций у разных видов животных, таких как социальное взаимодействие и адаптация к изменению климата. В данной статье рассматриваются современные подходы к использованию тепловизионной технологии в научных исследованиях в разных направлениях по изучению как домашних, так и диких видов млекопитающих. Показано, что ИКТ может быть эффективно использована в комплексе с другими методами диагностики и наблюдения, что делает ее ценным инструментом не только в биомедицинских, но и экологических и физиологических исследованиях. Также рассмотрены перспективы развития данной технологии, включая интеграцию с беспилотниками, системами искусственного интеллекта и мобильными приложениями. Дальнейшие разработки в области стандартизации протоколов проведения данных исследований по изучению специфичных реакций организма животных в различных условиях, несомненно, будут способствовать развитию как фундаментальных, так и прикладных исследований и помогут расширить применение тепловизионных технологий, в частности, в коневодстве.

Современные системы автоматизированного мониторинга, применяемые в животноводстве и природоохранной деятельности, требуют эффективных методов компьютерного зрения для отслеживания характеристик животных. Настоящее исследование представляет систему автоматизированного мониторинга состояния животных на базе сверточной нейронной сети YOLOv11. Оценка проводилась на специализированных наборах данных, содержащих изображения оленей и соответствующие им заранее измеренные характеристики. С использованием программной платформы AutoGenNet автоматизированы процессы оптимизации гиперпараметров и конфигураций архитектур, что позволяет упростить и ускорить адаптацию предложенной модели для мониторинга разных видов животных. Результаты демонстрируют эффективность использования YOLOv11 для решения рассмотренной задачи. Исследование подтверждает эффективность AutoGenNet в автоматизации создания моделей мониторинга фенотипических характеристик северных оленей (Rangifer tarandus), позволяя упростить и ускорить внедрение систем искусственного интеллекта в современное животноводство. Полученные биометрические данные позволяют рассчитывать производно-оценочные показатели (живая масса, мышечная масса, репродуктивный потенциал), формируя основу для управленческих решений. Важнейшим достижением является реализация принципа бесконтактного мониторинга, исключающего стресс-факторы фиксации животных и обеспечивающего соответствие стандартам биоэтики. Успешная апробация на северных оленях, представляющих собой комплексный биологический эталон из-за экстремальной изменчивости признаков, гарантирует переносимость метода на другие виды сельскохозяйственных животных (свиньи, овцы и т. д.) в менее требовательных условиях. Реализованная система автоматизированного мониторинга фенотипических характеристик северных оленей, основанная на архитектуре YOLOv11 и платформе AutoGenNet, подтвердила свою технологическую состоятельность и практическую значимость.

Общая площадь охотничьих угодий Якутии составляет 241 млн га и предоставляет огромный потенциал для охотничьего промысла, который является неотъемлемой частью культуры и экономики Якутии. Основные виды пушных млекопитающих Якутии: соболь (Martes zibellina), лисица (Vulpes vulpes), бурый медведь (Ursus arctos), волк (Canis lupus), ондатра (Ondatra zibethicus), белка (Sciurus vulgaris), заяц-беляк (Lepus timidus), горностай (Mustela erminea), колонок (Mustela sibiricus), песец (Vulpes lagopus), росомаха (Gulo gulo), рысь (Lynx lynx) и американская норка (Neogale vison). В работе использованы статистические данные зимнего маршрутного учета (ЗМУ) численности животных, анкетно-опросные сведения охотопользователей и госинспекторов и сведения об объемах добычи охотничье-промысловых видов животных. Среди пушно-промысловых животных Якутии лидирующую позицию занимает соболь. Стабильный уровень заготовок соболя при одновременном росте его численности свидетельствует об эффективных мерах по охране этого ценного вида. Ондатра, занимающая второе место по объему заготовок, демонстрирует крайне низкую долю изъятия (1–2 %). Белка, несмотря на рост численности за последнее десятилетие в 62 %, остается экономически невыгодным объектом промысла из-за низких закупочных цен. По данным ЗМУ, в Якутии наблюдается постепенный рост численности всех пушных видов животных. Наряду с этим наблюдается усиленное повышение численности хищников, что вызывает серьезную обеспокоенность и требует принятия срочных мер по регулированию, включая разработку и реализацию программ по отстрелу или иным методам контроля численности, чтобы избежать потенциального ущерба для популяций других животных. В целом, неиспользованный ресурсный потенциал многих пушных охотничье-промысловых видов Якутии является следствием не только низких закупочных цен, но и уменьшения спроса населения на меховые изделия, недостаточного развития инфраструктуры переработки и сбыта, а также нехватки информации и обучения охотников. Для решения этой проблемы необходим комплексный подход государства, включающий финансовую поддержку охотничьего хозяйства, разработку и продвижение новых технологий переработки и маркетинга, проведение обучающих программ для охотников и популяризацию использования местной пушнины. Комплексный подход позволит эффективно использовать природные ресурсы Якутии и обеспечить устойчивое развитие охотничьего промысла.

Весенние лесные пожары в Центральной Якутии остаются актуальной эколого-социально-экономической проблемой. Целью исследования является анализ роли сельскохозяйственных палов как ключевого антропогенного фактора весенних пожаров в лесах Центральной Якутии, а также оценка экономических последствий как самих пожаров, так и запрета на палы, введенного в 2015 г. постановлением Правительства РФ № 1213. Методология включает анализ данных за 25-летний период (2000–2024 гг.), предоставленных Якутской базой «Авиалесохраны» по центральным районам Якутии, полевые экспедиции 2023–2024 гг., ГИС-анализ, фенологический мониторинг и применение классических пирологических методик (Нестерев, Курбатский, Залесов). Результаты исследования показали, что 80–98 % весенних пожаров имеют антропогенное происхождение, причем 60–70 % из них связаны с вышедшими из-под контроля сельхозпалами. Несмотря на запрет, их практика сохраняется как традиционный способ подготовки пастбищ, способствующий раннему отрастанию травы и повышению кормовой базы. Анализ выявил, что запрет не привел к снижению пожарной активности, но наносит скрытый ущерб сельскому хозяйству. Практическая значимость работы заключается в выявлении «окна безопасности» для регулируемых палов – конец апреля–первая пятидневка мая, когда риск перехода огня в лес минимален. Предложена система адаптивного управления огнем, включающая легализацию контролируемых палов, лицензирование, обучение населения и создание регионального центра пирологического мониторинга. Переход от тотального запрета к научно обоснованному регулированию позволит снизить пожарную опасность, сохранить экосистемы и поддержать устойчивое развитие сельских территорий.

Мурманская область является одной из наиболее урбанизированных и промышленно развитых территорий российского сектора Арктики. В регионе представлены горнодобывающая, металлургическая, энергетическая, пищевая промышленность. Исследования проведены в г. Мурманск – крупнейшем незамерзающем морском порту России, расположенном за Полярным кругом. Среди портов Северо-Запада России он занимает лидирующее место по объему перерабатываемых сухих грузов. Основными загрязнителями окружающей среды города являются полициклические ароматические углеводороды и летучие вещества (SO2 и NO2), тяжелые металлы, нефть. Биоиндикация качества окружающей среды города проведена с использованием новых методов экологической палинологии. Цель работы – изучение полиморфизма пыльцы Picea obovata Ledeb. в условиях промышленного загрязнения г. Мурманск. В импактной зоне предприятий города (городские ТЭЦ, мусоросжигательный и судоремонтный заводы) проведены палинологические исследования ели сибирской (Picea obovata Ledeb.). На каждой пробной площади маркировались по 5–6 деревьев, мужские шишки собирались во время пыления P. obovata в конце июня 2024 г. Исследования пыльцы проводились ацетокарминовым методом. Выявлен высокий уровень полиморфизма пыльцы, содержание в образцах пыльцевых зерен с аномалиями развития варьирует от 62,2 до 87,6 %, в контроле 25,8 %. Максимальное содержание тератоморф выявлено в образцах из окрестностей энергетических предприятий, работающих на угле и мазуте: Росляково Южное (87,6 %), Южная котельная (81,6 %), Мурманская ТЭЦ (76,4 %). Выделены три размерные группы тератоморфной пыльцы P. obovatа: нормальная, карликовая и гипертрофированная с различными патологиями воздушных мешков и экзины. Образование большого количества генетически аномальных форм пыльцы P. obovata и особенности их тератологии свидетельствуют о высоком уровне загрязнения окружающей среды и воздействии мутагенов различной природы. Для экологической безопасности населения и снижения уровня загрязнения г. Мурманск необходимо использование экологически безопасных технологий производства и перевод городских котельных на природный газ.

Интенсивное освоение углеводородных месторождений на юго-западе Республики Саха (Якутия) приводит к фрагментации ранее единых лесных массивов. До середины 70-х г. ХХ в. антропогенная нарушенность региона была минимальной. С середины 1980-х годов начали появляться большие площади с нарушенной естественной растительностью, представляющие единую сеть, связанную между собой на большие расстояния. Площади лесов, находящихся под воздействием «опушечного эффекта», возросли более чем в 3 раза. Лесолуговые экотонные комплексы развиваются как на границе естественных растительных комплексов, так и на возникающих в результате антропогенного воздействия экотопах. В работе использовался маршрутный метод исследований, лесоводственно-геоботанические описания проводились по классической методике. Картографический материал подготовлен на основе общедоступных спутниковых снимков и топографической карты масштаба 1:200000. Анализ видового состава растительности показывает незначительную разницу состава видов в глубине лесов и на опушках, но изменяется обилие видов. Наименьшую реакцию на воздействие «опушечного эффекта» проявляют виды деревьев. У типично лесных видов травяно-кустарничкового яруса наблюдается снижение обилия на всю глубину воздействия «опушечного эффекта», происходит проникновение луговых видов из прилегающих нелесных растительных сообществ. Изменение флористического состава воздействует на все компоненты биоценоза, связанные с ним трофическими связями.

Аннотация Исследованы не изученные ранее почвы широко распространенных в Центральной Якутии песчаных массивов – тукуланов. Почвообразующими породами на больших площадях региона выступают древнеаллювиальные легкие по гранулометрическому составу почвообразующие породы дочетвертичного возраста. В голоцене на этих породах начала формироваться светлохвойная тайга, но большие площади вдоль долин рек оставались без растительного покрова и были заняты крупными массивами перевеваемых песков. В настоящее время в условиях происходящих естественных (динамика климата) и антропогенных воздействий (лесные пожары, вырубки и промышленное освоение) происходит заметное расширение безлесных пространств и наблюдается формирование молодых массивов перевеваемых песков. При этом, с одной стороны, наблюдается погребение естественного почвенного покрова, а с другой – эоловая деградация почв на лишенных растительного покрова площадях. Целью данной работы стало исследование свойств основных типов почв, сформированных как на динамичных, так и на закрепленных растительностью участках тукуланов Лено-Вилюйского междуречья. Во время маршрутных исследований применялись сравнительно-географический и профильно-генетический методы, определение основных физико-химических параметров почвы выполнялось с помощью общепринятых в почвоведении методик. Исследования показали, что на территории распространения легких по гранулометрическому составу пород эолово-древнеаллювиального генезиса распространены мерзлотные боровые песчаные почвы с простым слабодифференцированным и сложным полициклическим профилями. Последние характеризуются признаками погребения. На относительно более увлажненных послепожарных участках строение почвы и ее свойства могут быть осложнены также криотурбационными процессами. Все почвы преимущественно слабокислые, малопродуктивные, характеризуются небольшой суммой обменных оснований и очень низким содержанием гумуса. Криотурбированная почва среднекислая, отличается более выраженными признаками иллювиирования железа и равномерным распределением органического вещества в трансформированной части профиля. Замещение типичных таежных ландшафтов «пустынными» поверхностными образованиями полностью трансформирует растительно-почвенный покров территории, отрицательно влияя на продуктивность экосистемы.

Тепловая защита инженерных сооружений является важной проблемой для современного строительства в криолитозоне. Целью работы являлось получение критерия экономической целесообразности использования новых теплоизоляционных материалов вместо традиционно используемых материалов для тепловой защиты инженерных объектов. Рассмотрено два случая: полной замены одного материала другим и комбинированного использования традиционного и нового теплоизоляционного материалов. В качестве критерия использовано отношение затрат на материалы для достижения нормативного термического сопротивления всей теплоизоляционной конструкции. Получены новые показатели связи между экономическими и теплофизическими характеристиками материалов, в частности, между удельной стоимостью теплоизоляционных материалов (стоимость единицы объема) и их коэффициентом теплопроводности. Для общности анализа введены новые показатели: ценовой симплекс; тепловой симплекс; симплекс термического сопротивления. Установлено, что, с экономической точки зрения, использование новых материалов вместо традиционных будет оправдано в том случае, когда отношение стоимостей нового и традиционного материала не будет превышать обратной величины отношения их коэффициентов теплопроводности (т. е. при условии, что ценовой симплекс будет ниже обратной величины теплового симплекса). Приведены конкретные примеры применения разработанной методики при оценке целесообразности использования тонкопленочных теплоизоляционных материалов вместо минеральной ваты для достижения равного теплозащитного эффекта. Показано, что при существующей стоимости тонкопленочных материалов их использование обойдется в десятки раз дороже традиционной тепловой защиты с помощью минеральной ваты даже при существенном снижении ее термического сопротивления за счет увлажнения в период эксплуатации. Результаты вариантных расчетов позволяют наглядно убедиться в установленной новой закономерности связи экономических и теплофизических характеристик теплоизоляционных материалов.

В области криолитозоны на фоне изменения климата и возрастающей техногенной нагрузки с каждым годом возрастает актуальность изучения условий формирования ресурсов и режима над- и межмерзлотных вод, которые наиболее чувствительны к внешнему воздействию. Одним из методов изучения динамики подземных вод при невозможности проведения систематических круглогодичных наблюдений является численное моделирование. Цель выполненных исследований – создать математическую модель фильтрации надмерзлотно-межмерзлотных подземных вод, широко распространенных на правобережье р. Лена в Центральной Якутии, и оценить межгодовую изменчивость их ресурсов. Трехмерная стандартная геофильтрационная модель была создана в программе MODFLOW-USG. Исходными данными для ее построения послужили результаты многолетних полевых гидрогеологических и геокриологических исследований, полученные на водосборной площади одного из круглогодично действующих наледеобразующих источников на бестяхской террасе р. Лена. Для калибровки численной модели использованы данные натурных наблюдений за уровнем воды в скважине, расположенной в зоне транзита межмерзлотных вод. Корректировка фильтрационных параметров и граничных условий модели проводилась до тех пор, пока расхождение между расчетными и фактическими значениями уровня межмерзлотных вод не составило менее 0,1 м для более чем 90 % измерений. Результаты моделирования позволили оценить динамику водообильности межмерзлотного водоносного талика за последние 15 лет, уточнить влияние различных метеорологических факторов и процессов сезонного промерзания-протаивания пород на формирование режима подземных вод, количественно оценить внутригодовую изменчивость дебита источника. Полученные результаты могут послужить основой для постановки задач по прогнозированию изменения мерзлотно-гидрогеологических условий под действием колебаний климата, а также рассматриваться как эффективный метод количественной оценки динамики подземных вод в области распространения многолетнемерзлых пород.

В связи с развитием методов цифровой обработки сейсмических сигналов расширились возможности анализа малоамплитудных сигналов как естественного, так и техногенного происхождения. В данной статье рассматривается возможность дистанционного определения сейсмических сигналов работающего оборудования первой и второй очередей каскада Вилюйской гидроэлектростанции (КВГЭС-1 и КВГЭС-2) в инженерно-геологических условиях криолитозоны при помощи методики и программного обеспечения, разработанных в Федеральном исследовательском центре «Единая геофизическая служба РАН» (ФИЦ ЕГС РАН). С использованием в качестве фактического материала сейсмических наблюдений сети Якутского филиала ФИЦ ЕГС РАН были обработаны записи сейсмической станции «Чернышевский», удаленной от КВГЭС-1 и КВГЭС-2 на 1,256 и 1,456 км соответственно. Построены графики усредненных спектров сейсмических сигналов за различные промежутки времени, на которых наблюдалось множество монохромных сигналов. Анализ построенных графиков и технической документации оборудования каскада ГЭС позволил установить корреляцию между обрабатываемым сигналом и характеристиками работающего оборудования, являющегося возбуждающим источником. На примере анализа нештатной ситуации, возникшей 4 марта 2023 г. в результате некорректной работы систем регулирования генерирующего оборудования каскада ГЭС, был подтвержден факт принадлежности выделенных сигналов к генерирующему оборудованию. Были установлены величины отклонений выделенных частот работающего оборудования от номинальных, а также время возникновения технических неполадок. Опробована и подтверждена применимость использованной методики для проведения сейсмогеотехнического мониторинга инженерных объектов, расположенных в криолитозоне.

Проблема поисков кимберлитов в закрытых территориях на сегодня остается весьма актуальной, поскольку легко открываемых, имеющих выход на дневную поверхность и хорошо читаемых в геофизических полях объектов в пределах Якутской алмазоносной провинции практически не осталось. Поэтому при постановке поисковых работ на алмазоносные кимберлиты требуется новый – не традиционный (геологический, минералогический, структурный и т. п.) подход. Установлено, что в долеритах даек Вилюйско-Мархинского пояса, располагающихся вблизи кимберлитов (Накынское, Мало-Ботуобинское и Сюльдюкарское кимберлитовые поля), содержание оксида титана ряда высокозарядных и редкоземельных элементов (Th, Ta, Hf, Nd, Tb, Gd) увеличивается в два раза и более по сравнению с типичным их содержанием в целом в долеритах полей. Эту особенность в поведении названных элементов предложено использовать как один из поисковых на кимберлиты критериев. Учитывая факт наличия в пределах Чаро-Синского дайкового пояса долеритов с аномально повышенным количеством оксида титана и ряда высокозарядных (Th, Hf, Ta, Zr, Y), редкоземельных (Nd, Tb, Gd) элементов, проведено сравнительное изучение долеритов даек вблизи этих тел. Установлено, что в сторону от дайки с максимальным содержанием реперных элементов их концентрация постепенно уменьшается. Предложено считать такие участки перспективными на обнаружение кимберлитов. К подобным участкам отнесены территории в пределах Чаро-Ленского междуречья и правобережья р. Лена напротив п. Синск. Полученные в работе результаты и выделенные участки предложено рекомендовать геолого-производственным предприятиям для постановки поисковых работ на кимберлиты на конкретных, локальных территориях.