Thermal Regime of Permafrost in the Borehole Depending on the Snow Cover Thickness in the Area of the Polar Station “Samoilovsky Island” (Lena River Delta)

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The paper analyzes long-term temperature monitoring data in a borehole at the station “Samoylov Island” in the Lena River delta. Temperature measurements over 12 years (from late 2006 to early 2019) show a warming of permafrost at a depth of 26.5 m by 1.3°C. At the same time, air temperature does not show a noticeable rise during this period. To identify the factors influencing the temperature in the borehole, a numerical simulation of the soil temperature changes was carried out. The simulation was performed taking into account the warming effect of snow cover on the the freezing/thawing processes of the upper active layer. Based on the modeling results, it was concluded that the warming of the borehole is associated with increasing in the thickness of the snow cover due to the construction of buildings that accumulate snow around the borehole area. The thermal diffusivity of soils near the borehole at different depths (from 10 down to 21 meters) is amounted within a range of (0.88–1.18)·10–6 m2/s that was determined using the 12-year temperature records (from 2006 to 2019) of seasonal temperature fluctuations at different depths. The time necessary for the borehole to reach a new thermal regime under conditions of an increasing snow thickness accumulating near the borehole was estimated. A new steady-state regime of the borehole was determined, in which the average temperature values at depths of 15.75, 20.75 and 26.75 meters may reach by 2062 are as –4.8, –5.1, –5.5°C, respectively; in 2018, these temperatures were equal to: –6.81, –7.42, –7.86°C.

About the authors

I. I. Fadeeva

Trofimuk Institute of Petroleum-Gas Geology and Geophysics of the Siberian Branch of the RAS

Email: FadeevaII@ipgg.sbras.ru
Novosibirsk, Russia

A. A. Duchkov

Trofimuk Institute of Petroleum-Gas Geology and Geophysics of the Siberian Branch of the RAS

Novosibirsk, Russia

D. E. Ayunov

Trofimuk Institute of Petroleum-Gas Geology and Geophysics of the Siberian Branch of the RAS

Novosibirsk, Russia

References

  1. Адаменко М.М., Гутак Я.М., Треньков И.П. Изменения внутригодового распределения осадков и динамика снежности в горах Кузнецкого Алатау // Геосферные исследования. 2021. № 2. С. 101–109. https://doi.org/10.17223/25421379/19/9
  2. Дубровин В.А., Брушков А.В., Дроздов Д.С., Железняк М.Н. Изученность, современное состояние, перспективы и проблемы освоения криолитозоны Арктики // Минеральные ресурсы России. 2019. № 3. С. 55–64.
  3. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твёрдых тел. М.: Наука, 1964. 488 с.
  4. Миланкович М. Математическая климатология и астрономическая теория колебаний климата. М., Л.: Гос. научно-технич. изд-во, 1939. 208 с.
  5. Мохов И.И., Елисеев А.В., Гурьянов В.В. Модельные оценки глобальных и региональных изменений климата в голоцене // Доклады РАН. Науки о Земле. 2020. Т. 490. № 1. С. 27–32.
  6. Мохов И.И. Изменения климата: причины, риски, последствия, проблемы адаптации и регулирования // Вестник РАН. 2022. Т. 92. № 1. С. 3–14.
  7. Павлов А.В. Теплообмен почвы с атмосферой в северных и умеренных широтах территории СССР. Якутск: Якутское книжн. изд-во, 1975. 301 с.
  8. Попов А.И., Тушинский Г.К. Мерзлотоведение и гляциология. М.: Высшая Школа, 1973. 271 с.
  9. Самарский А.А., Моисеенко Б.Д. Экономическая схема сквозного счета для многомерной задачи Стефана // Журнал вычислительной математики и математической физики. 1965. Т. 5. № 5. С. 816–827.
  10. Фадеева И.И., Аюнов Д.Е. Модельный анализ влияния мощности снежного покрова на температурное состояние мерзлоты на территории НИС “Остров “Самойловский” на основе данных температурного мониторинга // Интерэкспо Г ЕО-Сибирь – XX Междунар. науч. конгресс. Междунар. науч. конференция “Недропользование. Горное дело. Направления и технологии поиска, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых. Экономика. Геоэкология”: Сб. материалов: В 8 т. Новосибирск: С ГУГиТ, 2024. Т. 2. № 4. С. 140–146.
  11. Чувилин Е.М., Соколова Н.С., Буханов Б.А., Истомин В.А., Мингареева Г.Р. Определение температуры начала замерзания грунтов на основе измерения потенциала поровой воды // Криосфера Земли. 2020. Т. 24. № 6. С. 11–20. earth.google // Электронный ресурс. URL: https://earth.google.com/ (Дата обращения: 10.05.2025). ipgg.sbras // Электронный ресурс. URL: http://www.ipgg.sbras.ru/ru/science/projects/fwzz-2022-0031geologo-geophizicheskie-issledovaniya-2022 (Дата обращения: 10.05.2025). retromap // Электронный ресурс. URL: http://retromap.ru/ (Дата обращения: 10.05.2025).
  12. Biskaborn 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 T., Isaksen K., Ishikawa M., Johansson M., Johannsson H., Joo A., Kaverin D., Kholodov A., Konstantinov P., Kröger T., Lambiel C., 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. V. 10 (1). 264.
  13. Boike J., Kattenstroth B., Abramova K., Bornemann N., Chetverova A., Fedorova I., Fröb K., Grigoriev M., Grüber M., Kutzbach L., Langer M., Minke M., Muster S., Piel K., Pfeiffer E.-M., Stoof G., Westermann S., Wischnewski K., Wille C., Hubberten H.-W. Baseline characteristics of climate, permafrost and land cover from a new permafrost observatory in the Lena River Delta, Siberia (1998–2011) // Biogeosciences. 2013. V. 10. P. 2105–2128.
  14. Boike J., Nitzbon J., Anders K., Grigoriev M.N., Bolshiyanov D.Yu., Langer M., Lange S., Bornemann N., Morgenstern A., Schreiber P., Wille C., Chadburn S., Gouttevin I., Burke E.J., Kutzbach L. A 16-year record (2002–2017) of permafrost, active-layer, and meteorological conditions at the Samoylov Island Arctic permafrost research site, Lena River delta, northern Siberia: an opportunity to validate remote-sensing data and land surface, snow, and permafrost models // Earth System Science Data. 2019. V. 11 (1). P. 261–299. https://doi.org/10.5194/essd-11-261-2019
  15. García-García A., Cuesta-Valero F.J., Beltrami H., Smerdon J.E. Characterization of air and ground temperature relationships within the CMIP5 historical and future climate simulations // J. Geophys. Res. Atmos. 2019. V. 124. P. 3903–3929.
  16. Hu G., Zhao L., Wu X., Li R., Wu T., Xie C., Qiao Y., Shi J., Li W., Cheng G. New Fourier-series-based analytical solution to the conduction–convection equation to calculate soil temperature, determine soil thermal properties, or estimate water flux // Intern. J. Heat Mass Transf. 2016. V. 95. P. 815–823.
  17. Langer M., Westermann S., Muster S., Piel K., Boike J. The surface energy balance of a polygonal tundra site in northern Siberia – Part 2: Winter // The Cryosphere. 2011. V. 5. P. 509–524. https://doi.org/1010.5194/tc-5-509-2011
  18. Quante L., Willner S.N., Middelanis R., Levermann A. Regions of intensification of extreme snowfall under future warming // Scientific Reports. 2021. V. 11 (1). 16621. https://doi.org/10.1038/s41598-021-95979-4
  19. Soden B.J., Held I.M. An Assessment of Climate Feedbacks in Coupled Ocean–Atmosphere Models // J. Climate. 2006. V. 19. P. 3354–3360.
  20. Studfiles // Электронный ресурс. URL: https://studfile.net (Дата обращения: 08.05.2025).

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).