Актуальность
В настоящее время ученые-климатологи всего мира обеспокоены тенденциями к глобальному потеплению и связывают это явление с повышением концентрации парниковых газов в атмосфере, которое, в свою очередь, вызвано постиндустриальным сжиганием ископаемого топлива и производимой биомассой энергией. В этой связи, в настоящее время получили большое развитие различные программы, направленные на мероприятия, связанные либо с адаптацией к изменению климата, либо с сокращением выбросов парниковых газов. В рамках адаптации к изменениям климата, во всем мире активно изучаются проблемы, направленные на оценку уязвимости экономики и населения при изменении климата. При этом исследуются и разрабатываются различные сценарии последствий изменения климата и то, какими способами к ним адаптироваться.
Наиболее мощным инструментом исследования климатических изменений и реакции окружающей среды на них являются природные изотопы, распределение которых в различных природных соединениях определяется условиями внешней среды.
Одно из важных направлений – изучение влияния изменения климата на запасы водных ресурсов посредством методов изотопной гидрологии. Изменение климата влияет на источники и распределение осадков по всему миру, что приводит к изменениям в поверхностных водах и в пополнении подземных вод. Чтобы понять, как пополняются подземные водоносные горизонты и насколько они могут быть уязвимы к изменению климата, применяется метод измерения соотношении стабильных изотопов воды (1Н/2Н; 16О/18О).
Почвенный покров планеты, «геодерма», выполняет множественные экологические функции в биосфере. Роль почвы в углеродном цикле биологической цепи является определяющей, так как в ней формируется основная часть потока углерода в окружающую среду. Один из наиболее достоверных методов оценки климатических изменений с течением времени – метод датирования, основанный на применении радиоактивного и стабильных изотопов углерода.
Дыхание почвы, неотъемлемую часть которого составляет почвенный СО2-газообмен, является важнейшим компонентом углеродного баланса экосистемы и мощным, постоянно действующим фактором почвообразования. Потепление ускоряет разложение органического вещества почв, и с ростом температур выделяется все больше СО2, который относится к парниковым газам и, соответственно, вносит вклад в климатические изменения.
Рост температуры, также, приводит к ускорению таяния ледников, что в свою очередь приводит к изменению расхода рек, имеющих ледниковое питание. Так же, повышение температуры в целом по планете приводит к ухудшению стабильности верхнего полярного вихря, смена направления которого приводит к аномально холодным зимам.
В рамках данного Проекта планируется применить ядерные, сейсмические и инфразвуковые методы для оценки климатических изменений и выработки рекомендаций по смягчению последствий изменения климата: с помощью метода изотопной гидрологии будут оценены запасы водных ресурсов; с помощью метода углеродного датирования будет определен возраст ненарушенных почв лесных экосистем Казахстана, и проведен анализ климатических изменений, произошедших за период их существования; будет дана оценка эмиссии СО2 фоновыми региональными почвами и определено влияние климатических изменений на нее; на основе сейсмических и инфразвуковых данных будет определена частота и пространственное распределение ледниковых землетрясений, изменение их количества во времени, свидетельствующих об изменении климата за предыдущие десятилетия.
Данные исследования позволят получить информацию о климатических изменениях применительно к территории Республики Казахстан, об их влиянии на окружающую природную среду, а также выработать рекомендации по смягчению последствий изменения климата.
Цель Программы – Создание и внедрение комплекса технологий и методов оценки климатических изменений, и смягчения последствий изменения климата.
Ожидаемые результаты
Прямые результаты:
Конечный результат:
Ожидаемый социальный и экономический эффект
Изучение регионального климата и постоянный мониторинг его изменения является одной из приоритетных задач климатической политики Казахстана. Принимая во внимание географическое положение Казахстана и его обширную территорию, наблюдаемые изменения климатических условий в различных регионах Республики могут оказать как негативное, так и позитивное воздействие на экономическую деятельность и социальную сферу. Научно-методические подходы станут основой для анализа уязвимости экономики и населения Республики Казахстан при изменении климата, разработки различных сценариев потенциальных рисков и угроз, связанных с изменением климата и принятия своевременных и адекватных мер, включая разработку и распространение методов устойчивого землепользования и управления секторами экономики.
Полученные результаты дадут представление о современном состоянии проблемы климатических изменений, а также внесут существенный вклад в общенаучное понимание процессов изменения климата и их влияния на экономику Республики Казахстан.
Ожидаемый экологической эффект
Результаты исследований позволят улучшить понимание процессов изменения климата и факторов, обуславливающих развитие этих процессов и лягут в основу рекомендаций по смягчению последствий изменения климата.
В результатах программы могут быть заинтересованы Министерство энергетики РК, экологии, геологии и природных ресурсов РК, Комитет Государственного санитарно-эпидемиологического надзора Министерства здравоохранения Республики Казахстан. В глобальном масштабе потенциальными потребителями являются страны, поддерживающие политику борьбы с изменением климата.
В результате реализации программы будут обеспечены:
1) Публикация 5 (пяти) статей и (или) обзоров в рецензируемых научных изданиях по научному направлению Программы, входящих в 1 (первый), 2 (второй) и (или) 3 (третий) квартиль по импакт-фактору в базе данных Web of Science и (или) имеющих процентиль по CiteScore в базе данных Scopus не менее 50 (пятидесяти).
2) Публикация 7 (семи) статей в журналах, рекомендованных КОКНВО.
3) Публикация 1 (одной) монографии или учебного пособия в зарубежных и (или) казахстанских издательствах;
4) Получение не менее 1 (одного) патента в зарубежных патентных бюро (европейском, американском, японском) или не менее 1 (одного) зарубежного или международного патента, включенного в базу данных Derwent Innovations Index (Web of Science, Clarivate Analytics) либо не менее 3 (трех) объектов интеллектуальной собственности, зарегистрированных в Национальном Институте интеллектуальной собственности Республики Казахстан.
5) Получение не менее 1 (одного) зарубежного или международного патента, включенного в базу данных Derwent Innovation – Clarivate Analytics.
Основные результаты НИР
По результатам проведенных исследований по 4 задачам в 2023 году получены следующие результаты:
Задача: «Оценка влияния атмосферных осадков на качество водных ресурсов, имеющих важное стратегическое значение, на основе анализа изотопных соотношений в поверхностных и подземных водах»
На основании проведенного обзора водных объектов Восточного региона Казахстана установлено, что главными водными артериями региона, имеющими важное стратегическое значение, являются река Иртыш и ее крупные притоки – реки Уба, Ульба, Бухтарма, Курчум, Чар, Кызылсу, а также Усть-Каменогорское (1952 г.) и Бухтарминское (1960 г.) водохранилища, и наиболее крупные по площади озера - Маркаколь, Зайсан, Сибинские, Маралье, Рахмановское, Бухтарминское, Ульмес, Караколь, Турангаколь, Дубыгалинское, Кемерколь. Для проведения детальных исследований выбрана территория п. Бескарагай, Бескарагайского района, в области которого залегают подземные воды Ишим-Иртышского района, который на территории Восточного региона Казахстана представляет собой часть крупного краевого артезианского бассейна, приуроченного к узкому прогибу палеозойского складчатого фундамента. Для получения исходных данных о распределении стабильных изотопов в атмосферных осадках, определения содержания 2Н и 18О в поверхностных и подземных водах и сравнительного анализа выполнен отбор проб поверхностных и подземных вод, а также атмосферных осадков за прошедший период.
Задача: «Изучение климатических изменений с использованием метода датирования по радиоуглероду»
С целью изучения климатических изменений с использованием метода датирования по радиоуглероду на основе анализа данных касательно лесного фонда Республики Казахстан определены участки исследования для отбора проб почвы с учетом климатических, ландшафтных и иных природных особенностей. В качестве исследовательских участков выбраны лесные экосистемы Бескарагайского района Абайской области и Бурабайского района Акмолинской области. Отбор проб почвы на выбранных площадках лесных экосистема произведен послойно с поверхности почвенного профиля с интервалом в 10 см до глубины 50 см. Определены уровни содержания изотопов углерода, значения которого составили <4 Бк/кг как в верхних слоях, так и в более глубоких слоях почвы, а также органического вещества почвы, структуры и других физико-химических свойств. Установлено, что сумма обменных оснований кальция и магния распределяется равномерно по почвенному профилю и изменяется в пределах 3,6-4,8 мг-экв. на 100 г почвы. Почвы данного контура малогумусные и не засоленные. Содержание гумуса изменяется в пределах от 0,3 до 6,8 %. Сумма солей в водной вытяжке не превышает 0,06%. Профиль промыт от легкорастворимых и карбонатных солей, вскипание от соляной кислоты верхних горизонтах почвы не отмечено.
Задача: «Количественная оценка углеродного потока с поверхности региональных типов почв в результате СО2-газообмена»
В рамках предстоящей количественной оценки углеродного потока с поверхности региональных почв в результате СО2-газообмена проведенных рекогносцировочные исследования, которые показали, что СО2-газообмен или «почвенное дыхание» определяется сезонными погодно-климатическими условиями местности и особенностями гидротермического режима каждого конкретного периода вегетационного сезона. Проведенные исследования СО2-газообмена фоновой темно-каштановой почвы также выявили выраженную сезонную динамику. Среди сезонных лимитирующих экологических факторов, определяющих СО2-газообмен, достоверная корреляционная зависимость установлена для температуры верхнего слоя почвы.
Задача: «Оценка влияния климатических изменений на режим проявления льдотрясений, отражающий процесс таяния масштабных ледников Тянь-Шаня по сейсмическим и инфразвуковым данным, детектирование явления внезапного стратосферного потепления»
Изучены мировые и отечественные источники по изменению ледников под влиянием глобального потепления. Подчеркивается, что в последнем периоде исследований (с начала 21 века) особое внимание уделяется геофизическим методам изучения процессов в ледниках, в частности, развитию нового направления – криосейсмологии. Для горных ледников пока очень мало экспериментальных работ по сейсмологическим исследованиям. Нигде в мире не описан дистанционный метод контроля процессов деструкции ледников, который развивается в нашем исследовании. Проведены впервые кратковременные полевые исследования с использованием сейсмической и инфразвуковой станцией непосредственно в районе ледника Энгилчек. В трех местах проводилась рекогносцировочная регистрация. Результаты показали, что на всех точках получены записи ледовых событий. Источники локализованы, они находятся на территории ледника. Подготовлены волновые формы по сейсмическим группам Маканчи и Каратау, а также по инфразвуковой группе Маканчи за весь период наблюдений в соответствующих форматах. Данные собраны в одном месте на сервере в Центре данных. Описана и освоена программа РМСС, которая будет использована для их обработки. Проведен визуальный анализ волновых форм. Записи ледниковых событий выделены на станциях Маканчи, Каратау, а также на трехкомпонентной станции Подгорное.
По результатам проведенных исследований по 4 задачам в 2024 году получены следующие результаты:
Задача: «Оценка влияния атмосферных осадков на качество водных ресурсов, имеющих важное стратегическое значение, на основе анализа изотопных соотношений в поверхностных и подземных водах»
Получены исходные данные о распределении стабильных изотопов в местных атмосферных осадках, на основании которых построена локальная линия метеорных вод. Определено содержание 2Н и 18О в поверхностных и подземных вода. Сравнительный анализ полученных данных с исходными данными в атмосферных осадках показал, что изотопный состав разный. Изотопный состав поверхностных вод в зависимости от сезона изменяется и характеризуется более утяжелённым составом. Изотопный состав подземных вод одинаковый, сравнительный анализ полученных данных с исходными данными в атмосферных осадках показал схожесть в полученных результатах за исключением одной скважины у придомового участка (ул. Молдажанова, 46). Годичные наблюдения за температурными параметрами воздушной среды, направлением ветра и объёмом выпавших осадков показали, что присутствуют температурные колебания с холодными зимними месяцами, аномально теплыми весной и жарким летом, с доминированием холодных ветров в зимний период и теплых, южных ветров в летние месяцы, с преобладанием зимних и весенних осадков и постепенным снижением их объемов в летний период, что подчеркивает характерные климатические особенности региона.
Задача: «Изучение климатических изменений с использованием метода датирования по радиоуглероду»
С целью изучения климатических изменений с использованием метода датирования по радиоуглероду установлены уровни содержания 14С в почвах осинового и соснового лесов Бескарагайского района области Абай и березового и соснового лесов Бурабайского района Акмолинской области, а также физико-химические свойства лесных почв. Анализ физико-химических свойств почвы показал, что распределение органического вещества в почвенном профиле носит убывающий характер. В исследуемых лесных экосистемах по составу преобладают рыхло- и связанно-песчаные почвы, а также легкосуглинистые. Максимальные концентрации 14С преимущественно зафиксированы в верхних слоях почвы (0-20 см) лесов Бескарагайского района, которые варьируют от 40±6 Бк/кг до 330±50 Бк/кг. Содержание данного радионуклида в поверхностных почвенных слоях обусловлено вкладом «бомбового 14С», так как исследовательские участки расположены на следе радиоактивных выпадений от ядерного испытания, проведенного на территории СИП в 1949 г.
Задача: «Количественная оценка углеродного потока с поверхности региональных типов почв в результате СО2-газообмена»
В рамках предстоящей количественной оценки углеродного потока с поверхности региональных почв в результате СО2-газообмена, проведенных рекогносцировочные исследования, которые показали, что СО2-газообмен или «почвенное дыхание» определяется сезонными погодно-климатическими условиями местности и особенностями гидротермического режима каждого конкретного периода вегетационного сезона. Проведенные исследования СО2-газообмена фоновой темно-каштановой почвы также выявили выраженную сезонную динамику. Среди сезонных лимитирующих экологических факторов, определяющих СО2-газообмен, достоверная корреляционная зависимость установлена для температуры верхнего слоя почвы.
Задача: «Оценка влияния климатических изменений на режим проявления льдотрясений, отражающий процесс таяния масштабных ледников Тянь-Шаня по сейсмическим и инфразвуковым данным, детектирование явления внезапного стратосферного потепления»
Доказано, что ледниковые землетрясения могут регистрироваться на значительных расстояниях более 500 км от источников с возможностью их локализации и определения параметров сигналов. Показано, что на таком же расстоянии регистрируются и инфразвуковые сигналы. Детектированы сигналы по данным сейсмических и инфразвуковых станций, построены азимутальные диаграммы детектируемых событий. Проведен анализ накопленных за большой период сейсмических данных, неоднородных по содержанию и сетям регистрации (1951-2017 гг.), (2002-2022 гг.), (2002-2007 гг.), 2024 г. Удалось сделать выводы о некоторых закономерностях сейсмической деятельности ледника. Выявлен долговременный тренд в увеличении количества ледниковых землетрясений за последнее десятилетие с существенными вариациями, связанными с особенностями климатических условий в определенные годы. Для этой цели внедрен метод РМСС в обработку данных. Для выяснения природы регистрируемых криосферных источников анализируется разнообразие волновых форм разных событий, проводится их классификация. Созданы тектоническая схема района ледникового поля и геоморфологическая матрица района ледникового поля. Выбраны места и установлены три полевых сейсмических станции и одна инфразвуковая станция в ближней зоне от изучаемого ледника. Организован сейсмо-инфразвуковой мониторинг временными станциями и обработка полевых данных. Получен важный материал по зарегистрированным событиям из исследуемой области. Построены карты эпицентров и плотности эпицентров событий с источниками в пределах ледникового поля и вне его.
По результатам проведенных исследований по 4 задачам в 2025 году получены следующие результаты:
Задача: «Оценка влияния атмосферных осадков на качество водных ресурсов, имеющих важное стратегическое значение, на основе анализа изотопных соотношений в поверхностных и подземных водах»
Проведенный сравнительный анализ химического и изотопного состава оказал, что весной талые воды играют основную роль в формировании гидрохимического режима озер, вызывая снижение минерализации. Летом и осенью наблюдается рост содержания растворенных веществ и утяжеление изотопного состава вследствие испарительного фракционирования. Зимой отмечается относительная стабильность показателей, вероятно связанная с подледными химическими процессами. Для р. Иртыш характерна стабильная минерализация и облегчение изотопного состава весной за счет притока талых вод. Подземные воды демонстрируют устойчивый химический и изотопный состав, что указывает на питание за счет инфильтрации талых води зимних осадков. Исключением является скважина №2, где весной фиксируется снижение минерализации и облегчение изотопного состава в мае. Анализ химического состава позволил выявить закономерное изменение степени водообмена по глубине и в пространстве: от активного, атмосферно подпитываемого режима в районе оз. Бабатай до испарительно-засолённого и замедленного циркуляционного режима в районе оз. Даманское. Это отражает природную гидрохимическую зональность территории и подтверждает, что химический состав подземных вод является надёжным индикатором направления и интенсивности водообмена, а также взаимодействия между поверхностными и подземными компонентами водной системы. Представленные данные демонстрируют чётко выраженную сезонную изменчивость температурно-осадочного режима, характерную для резко континентального климата восточного Казахстана. Рост температур в весенне-летний период сопровождается увеличением количества и интенсивности осадков за счёт развития конвективных процессов, в то время как осенью фиксируется закономерное снижение как температур, так и влагообмена в атмосфере.
Задача: «Изучение климатических изменений с использованием метода датирования по радиоуглероду»
С целью изучения климатических изменений с использованием метода датирования по радиоуглероду выполнен изотопный анализ образцов почвы из лесных экосистем Бескарагайского района области Абай и Бурабайского района Акмолинской области. Получены значения относительного содержания радиоуглерода (F14C), стабильных изотопов углерода (δ13C), радиоуглеродных и калиброванных календарных возрастов для фракций ООУ и ГК. Результаты показывают наличие в слоях почв современного и «бомбового» углерода (F14C>1), а также – древних фракций органического вещества (F14C<1). Изменения значений δ13C и F14C по профилю отражают процессы накопления, разложения и стабилизации углерода, происходившие в разные периоды формирования почв. Сопоставление данных по разным экосистемам показывает различия в интенсивности углеродного обмена и глубине залегания устойчивых фракций гумуса. Полученные материалы могут служить основой для реконструкции климатических условий формирования почв и моделирования динамики углеродного цикла в лесных почвах Казахстана. Анализ изотопных характеристик углерода в почвах лесных экосистем Казахстана показал связь между возрастной структурой органического вещества и изменениями глобальной температуры, зафиксированными по данным NASA GISS с конца XIX века. Полученные результаты подтверждают, что динамика F14C и δ13C в почвенных профилях отражает как современное потепление, так и крупные климатические колебания прошлого. Современные горизонты всех исследованных участков демонстрируют обогащение радиоуглеродом (F14C>1) и менее отрицательные значения δ13C, что указывает на активное вовлечение свежей органики и усиление процессов биотрансформации углерода в условиях повышения температуры. Эти данные согласуются с наблюдаемыми положительными температурными аномалиями конца XX – начала XXI века. В более глубоких слоях профилей фиксируются древние фракции ГК и ООУ, возраст которых соответствует климатическим фазам Средневекового климатического оптимума, Малого ледникового периода и «неогляциала». Холодные периоды способствовали стабилизации углерода и его сохранению в форме трудноразлагаемых соединений. Таким образом, современное потепление усиливает микробную активность и ускоряет углеродный обмен. Периоды похолодания в прошлом способствовали накоплению устойчивых форм гумуса, формирующих долговременный углеродный резерв. Эти закономерности имеют важное значение для прогнозирования углеродного баланса почв и оценки вклада лесных экосистем Казахстана в глобальный углеродный цикл в условиях продолжающегося потепления климата.
Задача: «Количественная оценка углеродного потока с поверхности региональных типов почв в результате СО2-газообмена»
Дана количественная оценка эмиссии СО2 с поверхности региональных светло- и темно-каштановой почв, искусственно загрязненных нитратами в дозах 1, 3 и 5 ПДК (в пересчете на азот), в условиях длительного (12 месяцев) модельного эксперимента. В течение 12 месяцев экспозиции не установлено статистически достоверных в выбросах углерода из светло- и темно-каштановых почв, загрязненных нитратами, по сравнению с контрольными образцами (F=0,44; p<0,7 и F=0,21; p<0,9 соответственно). Таким образом, загрязнение нитратами до 5 ПДК не влияет на выбросы CO2 с поверхности светло- и темно-каштановых почв. Оценка температурной чувствительности региональных светло- и темно-каштановых почв Казахстана в модельном эксперименте с кратковременным повышением температуры до 50 °С учетом условий увлажнения не выявил значительного сдвига почвенного СО2-газообмена в сторону увеличения эмиссии СО2. Так, при термостатировании влажных образцов светло- и темно-каштановой почвы при температуре 20, 30, 40 и 50°С средние значения эмиссии СО2 составили 483, 467, 483, 498 и 534, 470, 470, 487 ммоль м-2 с-1, соответственно. При термостатировании сухих образцов светло- и темно-каштановой почвы при температуре 20, 30, 40 и 50°С средние значения эмиссии СО2 составили 483, 467, 483, 498 и 534, 470, 470, 487 ммоль м-2 с-1, соответственно. Таким образом, исследования эмиссии СО2 с поверхности региональных светло- и темно-каштановых почв Казахстана показал высокую устойчивость их СО2-газообмена к воздействию химического и температурного фактора.
Задача: «Оценка влияния климатических изменений на режим проявления льдотрясений, отражающий процесс таяния масштабных ледников Тянь-Шаня по сейсмическим и инфразвуковым данным, детектирование явления внезапного стратосферного потепления»
Дана оценка возможностей дистанционного обнаружения событий от ледников в волновых формах по сейсмическим группам Маканчи, Каратау и инфразвуковой группы Маканчи методом РМСС за более, чем 20-летний период. В результате обработки данных и локализации событий было выяснено, что большая часть эпицентров сейсмических событий с магнитудой М ≥ 3,0 приурочена к верхним частям склонов горных хребтов и грив, но есть отдельные места, где они приурочены и к нижним частям склонов, а также к ложбинам или тальвегам второго и третьего порядков, по которым сползают долинные ледники или уже ручьи и речушки от тающих ледников. По результатам обработки материалов специальной сети станций ближней зоны создан каталог событий, включающий 6990 землетрясений разной природы. По данным созданного каталога ближней зоны и имеющимся каталогам землетрясений за более длительные сроки для Центральной Азии изучены пространственно-временные закономерности распределения сейсмичности в пределах ледникового поля и его окружения. Впервые организован мониторинг за ледниками сейсмоакустическими методами. На основе сопоставления выявленных сигналов сформировано представление о необходимом комплексе аппаратуры для многопараметрической регистрации ледниковых событий, отработан комплекс работ по тщательному выбору мест установки станций. Выполнена очень тщательная работа по изучению изменения площадей ледников по космоснимкам за период 2002-2023 гг. Детально отрисованы границы ледников Северный и Южный Иныльчек как долинных, так и ледников областей питания. Такая работа по разделению ледников на долинные и областей питания и изучению изменения их площадей за достаточно большой период в известном регионе с громадными запасами горного льда как источников пресной воды, проведена впервые. Изменение площадей ледников – как сокращение, так и рост, изучаются в связи с изменением температуры и количеством атмосферных осадков. Отмечается прямая корреляция сокращения и роста ледников с количеством выпадающих атмосферных осадков. Отмечаются три периода увеличения и уменьшения количества осадков и соответствие им роста и сокращения площадей ледников. Общий тренд уменьшения площадей ледников коррелируется с общим трендом увеличения среднегодовой температуры по Северному полушарию. Рекомендуется проводить мониторинг непрерывно на протяжении долгого времени, чтобы можно было достоверно оценить основные закономерности сейсмического режима ледниковых событий, установить связь изменений пространственно-временных характеристик с изменениями климата и возможностью предвидеть нарастание угрозы возникновения опасных событий, связанных с деструкцией ледников.
За весь период реализации задач программы опубликовано 7 (семь) статьей в журналах, рекомендованных КОКНВО, 5 (пять) статей в рецензируемых научных изданиях по научному направлению Программы, входящих в 1 (первый), 2 (второй) и (или) 3 (третий) квартиль по импакт-фактору в базе данных Web of Science и (или) имеющих процентиль по CiteScore в базе данных Scopus не менее 50 (пятидесяти), 1 (одна) монография в казахстанском издательстве, 3 (три) объекта интеллектуальной собственности и 1 (один) патент на полезную модель. Часть результатов была представлена на конференциях и форумах: VII Международная конференция «Триггерные эффекты в геосистемах» (РФ), 39th General Assembly (GA) of the European Seismological Commission (Греция), V Международный научный форум «Ядерные науки и технологии» (РК), XX Международная научная конференция студентов, магистрантов и молодых ученых «Ломоносов – 2025» (РК).