Калифорнийская экономика в двадцатом веке стремительно пошла вверх, а вот почва штата двинулась в противоположном направлении. Бурное развитие сельского хозяйства, а также рост аграрной промышленности в долине Сан-Хоакин в сочетании с сильной засухой привели к чрезмерному забору воды из водоносного горизонта. Эти огромные опустевшие месторождения подземных вод сдувались — именно как воздушные шарики. Геологи называют такое явление проседанием грунта. К 1970-му году земля в долине просела на восемь метров, и это было далеко не идеальное последствие для людей и инфраструктуры, находящейся над водоносным горизонтом.
Долина Сан-Хоакин с точки зрения геологии была готова к оседанию, но ее участь не уникальна. Во всем мире от Нидерландов и Индонезии до Мехико геология вступила в сговор с климатическими изменениями в своем стремлении выбить почву из-под ног человечества. Изнурительная засуха приводит к ускоренному истощению водоносного слоя, а из-за подъема уровня моря оседающая почва становится все более незащищенной от наводнений. Согласно результатам проведенного недавно исследования, которые опубликованы в журнале «Сайенс» (Science), в предстоящие 20 лет от проседания грунта может пострадать 1,6 миллиарда человек, а ущерб составит триллионы долларов.
«Проседанию почвы не уделяют должного внимания, потому что это медленное явление. Его не признают, пока воочию не увидят ущерб, — говорит специалист по проседанию грунта Мишель Снид (Michelle Sneed) из Геологической службы США, ставшая соавтором исследования. — Само по себе опускание почвы не является проблемой. Но если проседание происходит на побережье, это большая проблема. Там, где есть глубокие колодцы и скважины, происходит их обрушение по причине проседания грунта. И это проблема».
Чтобы проседание превратилось в проблему, нужны два обстоятельства. Во-первых, соответствующий состав грунта, а во-вторых, чрезмерно эксплуатируемый водоносный слой. В водоносном слое вода содержится в песчанике, гравии и глине. Когда содержание глины в таком месторождении особенно высоко, ее частицы подобны тарелкам, которыми беспорядочно заполнили раковину. Они располагаются как попало, и вода заполняет пространство между частицами. Но если начать извлекать воду из такого пласта, пространство между частицами исчезает, и они плотнее прилегают друг к другу. «Теперь эти тарелки принимают упорядоченное положение, и больше похожи на стопку тарелок в посудном шкафу, — говорит Снид. — Совершенно очевидно, что в этом случае они занимают меньше места. Таким образом, уплотнение водоносного слоя приводит к проседанию грунта на поверхности».
Но если закачать воду обратно в водоносный пласт, эти наши тарелки непременно вернутся в свое хаотичное, неупорядоченное состояние? К сожалению, нет. «Вода немного раздвинет эти частицы, мы получим небольшое расширение в системе водоносного горизонта, и почва чуть-чуть поднимется. Но поднимется она очень незначительно, — говорит Снид. — Речь может идти разве что о паре сантиметров. Частицы все равно будут размещаться как тарелки в нашем посудном шкафу».
Итак, в данный момент у нас двоякая проблема. Земля опустилась и уже не поднимется, а водоносный горизонт уже не сможет удержать столько же воды, сколько и раньше, потому что он сжат. «Это очень важно, — говорит Снид. — Люди в разных местах по всему миру, в том числе, в Калифорнии, начинают использовать водоносные слои в качестве управляемых резервуаров. Но из-за уплотнения грунта емкость этих резервуаров уменьшилась».
Из-за роста численности населения и более интенсивных засух по причине климатических изменений водные ресурсы испытывают возрастающую нагрузку, а грунт проседает во всем мире. Некоторые районы индонезийской столицы Джакарты, например, опускаются на 25 сантиметров в год, а уровень моря вокруг нее поднимается. Компьютерные модели указывают на то, что всего через 30 лет 95% северной части Джакарты может оказаться под водой. Ситуация настолько серьезная, что Индонезия намеревается перенести свою столицу.
Но ученые до сих пор не моделируют глобальные риски от проседания грунта. Чтобы выстроить свою модель, Снид с коллегами изучила имеющуюся литературу по проседанию грунта в 200 местах мира. Они учитывали геологические факторы (высокое содержание глины), а также топологию, поскольку проседание почвы чаще происходит на равнинной местности. Ученые приняли во внимание население и экономический рост, данные о водопользовании и климатические переменные.
Они пришли к выводу, что в планетарном масштабе проседание грунта в предстоящие 20 лет будет угрожать 12 миллионам квадратных километров территории. Это всего 8% земной суши, однако человечество имеет обыкновение строить крупные города в прибрежных районах, которые часто подвержены проседанию грунта. Так ученые пришли к выводу, что в итоге проседание почвы затронет 1,6 миллиарда человек. Далее, их модель показала, что в общемировом масштабе проседание грунта причинит ущерб на общую сумму 8,19 триллиона долларов. Это 12% мирового ВВП.
Да, постепенное проседание почвы не настолько разрушительно, как внезапное землетрясение или извержение вулкана. «Но оно вызывает косвенные последствия, из-за которых в долгосрочной перспективе страдают здания и инфраструктура, увеличивается площадь затопления в бассейнах рек и в прибрежных районах», — говорит геофизик Джерардо Эррера-Гарсия (Gerardo Herrera-García) из Института геологических и горнорудных исследований Испании, ставший ведущим автором исследования.
Проседание грунта очень чувствительно к климатическим изменениям, по крайней мере, косвенно. В условиях потепления на нашей планете засухи будут дольше и интенсивнее. «Это очень важно, — говорит Эррера-Гарсия, — потому что независимо от годового количества осадков важнее всего то, что у нас продолжительный засушливый период». Запасы воды в водохранилищах будут сокращаться, и городам придется выкачивать все больше воды из водоносного слоя. А когда структура такого водоносного слоя разрушается из-за упорядоченного расположения частиц глины, которые мы назвали тарелками в посудном шкафу, пути назад уже нет. Из-за проседания грунта под угрозой 1,6 миллиарда человек, и это только к 2040-му году. Последствия будут ужасные. Возникнет дефицит воды и одновременно с этим затопление низменностей.
«Это по-настоящему ошеломляющие результаты, — говорит геолог Патрик Барнард (Patrick Barnard) из Геологической службы США, изучающий явление проседания грунта и не участвовавший в новом исследовании. — Особенно для прибрежных мега-городов. А ведь большинство мега-городов являются прибрежными. Так что это действительно проблема, не уступающая по значимости затоплению прибрежных областей». А городское население все увеличивается. По данным ООН, к 2050 году в городах будет проживать почти 70% людей. Сейчас этот показатель равен 50%.
Человечество обычно строит свои города там, где реки впадают в моря. А на этих территориях условия для проседания грунта просто идеальные. Давным-давно на дне этих рек образовались отложения с большим содержанием глины, на которой люди потом стали строить дома. «Самые опасные районы находятся возле речных дельт при впадении рек в моря. Там рядом с побережьем размещаются низкорасположенные плоские осадочные бассейны», — рассказывает геофизик Роланд Бергманн (Roland Burgmann) из Калифорнийского университета в Беркли, который специализируется на проседании грунта, но в новом исследовании не участвовал. Но такие же проблемы встречаются и в глубине суши, например, в Мехико, который стоит на осадочных отложениях бывшего озера и тоже страдает от проседания почвы.
Стоящие на мусорных полигонах города тоже опускаются по мере оседания захороненных отходов. В городской агломерации Сан-Франциско, например, некоторые районы опускаются на полтора сантиметра в год. Модели и прогнозы ученых из Университета Аризоны и Калифорнийского университета в Беркли говорят о том, что к концу столетия 430 квадратных километров в районе залива могут оказаться под водой из-за оседания земли и подъема уровня моря.
Проседание грунта становится все опаснее, потому что его последствия могут быть очень разными даже в близкорасположенных друг к другу районах. Это зависит от многих факторов, скажем от состава местной глины, или от того, на какой стороне разлома от землетрясения оказался данный район. Поэтому новое глобальное исследование очень важно для выявления крупномасштабных рисков, однако ученым придется изучать проседание грунта более тщательно.
«В представленной здесь модели заложена основа для выявления районов повышенного риска, — говорит геофизик из Университета Аризоны Манучер Ширзаи (Manoochehr Shirzaei), изучающий проседание грунта и написавший рецензию на новую работу. — Затем мы задействуем инструменты и методы мониторинга, чтобы провести измерения с очень высоким разрешением». Чтобы получить такие детальные данные, привязанные к конкретной местности, ученые наносят на карту рельеф и ландшафт с использованием лазеров аэрофотосъемки, и накладывают на это информацию со спутников, которые при помощи радиолокации определяют темпы проседания почвы.
На самом деле, есть только один способ остановить проседание грунта. Для этого надо отказаться от чрезмерной эксплуатации водоносных пластов, что нереально на нашей быстро теплеющей планете. «Водоносные слои так или иначе будут истощаться, — говорит Ширзаи. — Невозможно требовать, чтобы нуждающиеся в пресной воде люди отказались от использования грунтовых вод по причине проседания почвы. Поэтому надо задуматься о том, какие можно применить стратегии адаптации». Для этого придется поднимать здания на проседающей почве и в зонах затопления. Нужно будет активнее заниматься опреснением морской воды, хотя эти технологии очень энергоемкие, а поэтому дорогие. Либо же города могут последовать примеру Лос-Анджелеса, где меняют устройство улиц, чтобы собирать драгоценную дождевую воду.
В итоге опускающиеся вниз города оказываются один на один с непреодолимыми физическими силами. «Геология есть геология, — говорит Снид. — С этим ничего нельзя поделать»