К вопросу о прогнозе будущих оледенений в задаче оценки безопасности захоронений радиоактивных отходов

К вопросу о прогнозе будущих оледенений в задаче оценки безопасности захоронений радиоактивных отходов

П.В. Амосов, Н.В. Новожилова

Горный институт КНЦ РАН

Аннотация. В оценке безопасности захоронений радиоактивных отходов (РАО), особенно отходов высокого уровня активности, а также отработавшего ядерного топлива (ОЯТ), одной из задач является прогноз появления в будущем оледенений, которые могут оказать неблагоприятные воздействия как на площадку захоронения, так и на сами отходы. В представленной работе предпринята попытка рассмотреть возможность повторения в будущем ледниковых периодов для 65-ой параллели северного полушария. При этом в качестве основной причины изменения климата на Земле авторами принята так называемая астрономо-физическая гипотеза, привлекающая для объяснения изменений климата космические процессы, в частности, теория М. Миланковича. Полученные результаты показывают, что ближайшее заметное похолодание возможно примерно через 16 тысяч лет, а сравнимое по своим температурным параметрам с последним ледниковым периодом, имевшим место на Земле (типа Вюрм-3) - примерно через 55 тысяч лет.

Abstract. From the point of view of disposal safety of radioactive waste, especially high radioactive waste, and also spent nuclear fuel, one of the tasks is forecast of glaciations which can render adverse influences both on a disposal site, and on waste. In the work the attempt is undertaken to consider an opportunity of recurrence of glacial periods for the 65-th parallel of the Northern Hemisphere in the future. Thus as the basic reason of climate change on the Earth the authors have accepted the so-called astronomo-physical hypothesis which explanes climate changes by space processes, in particular, the theory of i. Milankovich. The received results show that the nearest appreciable glaciation is possible approximately in 16 ka, and comparable by the temperature parameters with the last glacial period taking place in the Earth (as Vurm-3) - approximately in 55 ka.

1. Введение

Отдельные районы территории северо-запада Российской Федерации рассматриваются специалистами как возможные площадки для подземного захоронения РАО, в т.ч. и высокого уровня активности. Согласно международным и российским нормативным документам в области обращения с РАО, при проектировании геологического захоронения отходов должна быть выполнена оценка воздействия проектируемого объекта на окружающую среду. В частности, для варианта подземного хранилища, а тем более с отходами высокого уровня активности и ОЯТ, содержащими в значительных количествах долгоживущие радионуклиды, предусматривается разработка долгосрочных прогнозов и сценариев развития природно-технических процессов в хранилищах на выбранной площадке. Одним из трудных вопросов, который предстоит решить специалистам, является прогнозирование будущих климатических изменений на территории площадки и их влияния на проектируемое сооружение. На данном этапе исследований предпринята попытка выполнить прогноз во времени появления будущих ледниковых периодов и сравнить их по величине температурных отклонений с имевшими место ранее.

2. Причины изменения климата

Климат Земли зависит от множества факторов, как космических, так и планетарных, поэтому его изменения, имевшие место в прошлом, могли вызываться различными причинами. Эта многопричинность в какой-то мере нашла отражение в большом числе разнообразных гипотез, которые предложены для объяснения происходивших в древности изменений климатов. Из всех существующих гипотез упомянем здесь лишь те, которые лучше разработаны и представляют все основные группы факторов, привлекаемых для объяснения изменений климата (Синицын, 1980). Гипотезы о причинах изменений климата в зависимости от характера природных факторов, ими учитываемых, до недавнего времени было принято разделять на две группы: астрономо-физическую и геолого-географическую. К первой относятся гипотезы, привлекающие для объяснений изменения климата космические процессы, а ко второй - гипотезы, признающие в качестве основной причины изменений климата процессы планетарные.

Амосов П.В., Новожилова Н.В. К вопросу о прогнозе будущих оледенений...

Астрономо-физические гипотезы связывают изменения климата с колебаниями количества и состава солнечной радиации. Они, в свою очередь, подразделяются на две подгруппы, из которых одна исходит из постоянства солнечной радиации и переменности положения поверхности Земли по отношению к потоку солнечных лучей, а другая основное значение придает изменениям самой излучающей способности Солнца, представляющего собой, по этим воззрениям, переменную звезду.

Геолого-географические гипотезы могут быть также разбиты на две подгруппы: гипотезы, связывающие колебания климата с изменениями состава и свойств атмосферы, и гипотезы, объясняющие их изменениями поверхности Земли.

Исследованиями современных авторов (Будыко, 1980) установлено, что в последние десятилетия человек начинает оказывать существенное воздействие на глобальный климат. Основными путями такого воздействия являются: 1) увеличение содержания углекислого газа в атмосфере; 2) рост производства энергии, потребляемой человеком, и 3) изменение концентрации атмосферного аэрозоля.

Анализ мирового опыта в проблеме оценки безопасности геологического захоронения РАО и ОЯТ показывает, что долгосрочный прогноз климатических изменений во многих международных проектах (Rule NIII. 2.f., 1991; Saunders, 1988) основывается на теории М. Миланковича (Миланкович, 1939). В качестве подтверждения правомерности использования подхода М. Миланковича необходимо отметить проект CLIMAP, частично описанный в монографии (Будыко, 1980). В ходе выполнения этого крупномасштабного проекта были собраны обширные материалы по температурам эпохи последнего оледенения, определенным методом изотопного анализа и по данным о распространении некоторых форм планктона для различных районов Мирового океана. Участниками этого исследования (Hays et al, 1976) было сделано сопоставление колебаний температуры за последние 450 000 лет, определенных по данным о составе органических осадков в океанах Южного полушария, с результатами расчетов колебаний радиации, обусловленных астрономическими факторами. В результате детального статистического анализа полученных материалов об изменениях температуры было выяснено наличие ее хорошо выраженных периодических колебаний с периодами 23, 42 и около 100 тыс. лет. Первый из этих периодов совпадает с периодом колебаний времени предварения равноденствий, второй из них согласуется с периодом колебаний наклона земной оси, а третий близок периоду колебаний эксцентриситета земной орбиты. На основании этого согласования авторы пришли к выводу, что изменение перечисленных астрономических факторов является основной причиной последовательности четвертичных оледенений. На взгляд авторов имеются достаточно серьезные основания рассматривать подход М. Миланковича как базовый и для оценки прогноза климата в северо-западном регионе РФ.

3. Краткое изложение теории М. Миланковича

Для объяснения изменений климата в четвертичное время М. Миланкович (Миланкович, 1939) использовал материалы расчетов векового хода трех упомянутых выше астрономических элементов: эксцентриситета земной орбиты, наклона земной оси к плоскости эклиптики и времени предварения равноденствий в результате прецессии земной оси. Все эти элементы изменяются во времени из-за влияния Луны и других планет на движение Земли. Хотя колебания указанных здесь элементов не влияют на количество солнечной радиации, приходящей на внешнюю границу атмосферы для Земли в целом, они изменяют величины радиации, получаемые различными широтными зонами в отдельные сезоны года. Солнечная постоянная и период обращения Земли вокруг Солнца, имеющие незначительные вековые колебания, принимаются в этой теории за постоянные. Для характеристики изменения климата за какой-то промежуток времени М. Миланкович рассматривает изменение за тот же промежуток времени суммы солнечной радиации, поступающей на единицу площади Земли на выбранной широте в течение калорических полугодий, определяемых им из условия, что количество тепла, получаемое единицей площади на широте в любой из дней летней половины года, превышает количество тепла, получаемого этой же поверхностью в любой день зимней половины. Сравнение суммы радиации, поступающей на единицу площади на широте в течение калорического полугодия какого-то года геологического прошлого, с суммой радиации, получаемой той же поверхностью в течение того же калорического полугодия в настоящее время, дает возможность судить о том, получала ли данная поверхность в указанном году геологического прошлого больше или меньше тепла, чем в настоящее время, другими словами - судить о колебаниях климата за этот отрезок времени.

Миланковичем были построены таблицы и графики изменений солнечного облучения Земли на период времени в 600 тыс. лет назад от 1800 г. Теоретическим путем ему удалось после неизбежных упрощений получить простое соотношение между изменением инсоляции ( AQ) на верхней границе атмосферы и изменением температуры на средней высоте суши ( AT). Уже первое сопоставление результатов расчетов Миланковича с климатическими условиями четвертичного времени (Синицын,

1980) показало, что выводы Миланковича хорошо согласуются с историей четвертичных оледенений на равнинных территориях Евразии и Северной Америки. Считается общепризнанным, что девять наиболее значительных колебаний облучения Земли нашли свое отражение в климатической картине геологического прошлого. Кроме того, соответствие вычислений с геологическими данными распространяется не только на последовательность, но и на интенсивность этих колебаний.

Существенное значение для дальнейшей разработки астрономической теории климата имела работа, в которой были заново выполнены и уточнены расчеты колебаний тех элементов радиационного режима, от которых зависит развитие оледенений (Шараф, Будникова, 1969). Они провели расчет инсоляции на верхней границе атмосферы для широты 65° обоих полушарий на период времени в 30 млн. лет геологического прошлого и на 1 млн. лет геологического будущего. Проведенные вычисления показали хорошее согласие полученного ими для изменения летней температуры коэффициента пропорциональности в соотношении между ( AQ ) и ( AT) с данными М. Миланковича. В случае зимнего полугодия этот коэффициент получился вдвое меньше, чем для летнего (у М. Миланковича коэффициент пропорциональности одинаковый для обоих полугодий).

4. Результаты прогноза

Оценить колебания прихода солнечной радиации за теплое полугодие, от которой в наибольшей степени зависит положение границ полярных льдов, позволяют расчеты со значительной точностью, сделанные Шарафом Ш.Г. и Будниковой H.A. Используя их табличные значения величины изменения инсоляции ( AQ) на прошедшие и ближайшие 600 тыс. лет, мы построили соответствующие ходы температур и выделили слагающую земного климата, обусловленную изменчивостью облучения Земли. Анализ динамики отклонения летней температуры эпох в прошлом от современной показал, что минимумы построенной кривой с амплитудой не менее двух градусов совпадают с последними пятью оледенениями на Земле (Вюрм-3, Вюрм-2, Вюрм-1, Рисс-2, Рисс-1). Из этого факта, вероятно, можно предположить, что и в будущем аналогичные минимумы отклонения летней температуры должны соответствовать периодам похолодания или оледенения.

5

4

3

0

2 2

а

S. 1

<в

с

1 0

I-

<и

X

о

¡2 -2

ь

О

-3 -4 -5

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600

Время, тысячелетия

Рис.1. Динамика отклонения летней температуры будущих эпох от современной.

На приведенном рисунке представлена динамика отклонения летней температуры эпох в будущем от современной (напомним, что, согласно теории М. Миланковича, именно летнее полугодие играет решающую роль для оледенения). Как видно из рисунка, ближайший период похолодания, который по величине отклонения температуры примерно в два раза слабее оледенения типа Вюрм-3 (последнее наблюдавшееся на Земле), прогнозируется через 16 тысяч лет, а сравнимое по величине температурного отклонения с Вюрм-3 примерно через 55 тысяч лет. Если учесть, что предполагаемая высота ледникового покрова на территории Кольского полуострова во время последнего оледенения (около 18 тыс. лет назад) составляла от 2000 до 2500 м (Атлас Арктики, 1985), то можно попытаться

Амосов П.В., Новожилова Н.В. К вопросу о прогнозе будущих оледенений.

рассчитать уровень дополнительной механической нагрузки на вмещающий массив, которая может

привести к разрушению барьеров хранилища, и оценить возможные последствия выпахивающей

работы ледников.

Литература

Basic safety rule. Rule N III.2.f. Disposal of radioactive waste in deep geological formations. Paris, p.33, 1991.

Hays J.D., Imbrie J. and Shackelton N.J. Variation in the Earth's orbit: pacemaker of the ice ages. Science, v.194, p.1121-1132, 1976.

Saunders P.A.H. Research and safety assessment. NSS/G100, p.40, 1988.

Атлас Арктики. M., c.204, 1985.

Будыко М.И. Климат в прошлом и будущем. Л., с.351, 1980.

Миланкович М. Математическая климатология и астрономическая теория колебаний климата. М.-Л, с.207, 1939.

Синицын В.М. Введение в палеоклиматологию. Л., Недра, с.248, 1980.

Шараф Ш.Г., Будникова Н.А. Вековые изменения элементов орбиты Земли и астрономическая теория колебаний климата. Труды института теоретической астрономии, Bbin.XIV, с.48-84, 1969.