Палеоархивы катастроф: почему геологические данные до сих пор не спасают от наводнений

В мае 1992 года группа ученых собралась на краю Мраморного каньона в северной Аризоне, где река Колорадо прорезала пермские песчаники, сформировав скалы, возвышающиеся на сотни метров над водой. Поводом стал Первый международный семинар по палеопаводковой гидрологии, организованный Виком Бейкером из Аризонского университета. Для Бейкера и его коллег стены каньона были не просто пейзажем. Они представляли собой своего рода архив.

Здесь осадочные отложения отмечают линии максимального уровня воды наводнений, которые проносились через каньон за столетия до того, как появились гидрологические посты для их измерения. В частности, Бейкер и его коллеги изучали отложения застойных вод — тонкозернистые осадки, отложенные паводковыми водами в защищенных нишах и устьях притоков.

На протяжении десятилетий Бейкер вместе с сотрудниками и студентами разрабатывал методы чтения отложений Мраморного каньона. Исследователи использовали гидравлические модели для обратного расчета расхода воды при прошлых наводнениях и радиоуглеродное датирование, чтобы определить, когда эти наводнения происходили. Их анализ выявил наводнения, которые были почти вдвое мощнее тех, что зафиксированы инструментальными наблюдениями, и которые повторялись гораздо чаще, чем предполагали инженеры [Greenbaum et al., 2014].

Бейкер и его коллеги также разработали статистические подходы для преобразования этих данных в оценки частоты наводнений, которыми могли бы пользоваться современные инженеры и специалисты по управлению водными ресурсами.

Бюро мелиорации США применило эти данные на практике, включив длинную историю наводнений, записанную на стенах каньона, в официальные оценки опасности для безопасности плотин и проектирования инфраструктуры на реке Колорадо. Логика была проста: самые крупные и разрушительные наводнения — одновременно и самые редкие, а значит, они систематически отсутствуют в коротких инструментальных записях, на которые опираются инженеры, что приводит к опасной недооценке рисков.

Расширение области вширь и вглубь

За десятилетия, прошедшие с тех пор как Бейкер помог утвердить палеопаводковую гидрологию как дисциплину, область значительно расширилась, охватив гораздо более широкий спектр условий и методов. Среди них — валунные гряды в горных реках, аллювиальные отложения в низинных долинах, «паводковые кольца» деревьев в прибрежных лесах, обломочные слои на сталагмитах в пещерах и исторические архивы, уходящие на столетия назад в регионах с длительной письменной традицией.

Изучение речных наводнений — лишь одно из нескольких направлений, использующих геологические данные для улучшения оценок опасности.

Знаковый обзор Wilhelm et al. [2019] задокументировал это методологическое разнообразие паводковых исследований по всему миру. Каждый подход требует собственной глубокой дисциплинарной экспертизы и сохраняет различные аспекты истории наводнений. Подходы существенно различаются по точности и достоверности получаемых оценок, и не все из них достигли уровня зрелости, позволяющего напрямую включать их результаты в официальные оценки опасности так, как это было сделано с анализом отложений застойных вод Бейкера.

Более того, изучение речных наводнений — лишь одна из нескольких областей, использующих геологические архивы для улучшения оценок природных опасностей. Нужно восстановить историю тропических циклонов и прибрежных штормов? Палеотемпестология использует керны донных отложений из прибрежных прудов и карстовых воронок, а также изотопные сигнатуры в годичных кольцах деревьев. Необходимо понять, как часто разлом переживает сильные землетрясения? Палеосейсмология читает уступы разломов, следы разжижения грунта, нарушенную стратиграфию и отложения цунами.

У каждой из этих областей — свои методы, свои архивы, свои с трудом накопленные знания, свои «Вики Бейкеры». И каждая сталкивается с одной и той же фундаментальной проблемой: как перевести качественные или полуколичественные свидетельства прошлых событий в точные, ограниченные рамками неопределенности оценки, которыми могут пользоваться планировщики, инженеры и специалисты по управлению рисками.

Предлагаемый центр палеоэкологических записей экстремальных явлений

Новый доклад Национальных академий наук, инженерии и медицины (NASEM) [2026] под названием «Центр синтеза палеоэкологических записей экстремальных явлений» представляет собой своевременное признание того, что этим областям есть что предложить. Несмотря на десятилетия прогресса, отмечается в докладе, долгосрочные записи экстремальных событий по-прежнему недостаточно используются агентствами, отраслями и сообществами, которые управляют рисками.

В докладе предлагается создать новый центр с мандатом «сосредоточиться на интеграции, синтезе и переводе палеоэкологических данных». Предполагается, что эта работа будет проводиться через ориентированные на конкретные задачи рабочие группы, объединяющие академические круги, государственные органы и промышленность. Это похвальная структура, учитывая, насколько разобщены стимулы и временные горизонты этих сообществ.

Однако такая постановка вопроса поднимает фундаментальный вопрос: действительно ли главным барьером для практического применения является недостаток синтеза? Или проблема в том, что большинство этих записей еще не достигли того стандарта, который сделал анализ отложений застойных вод Бейкера полезным для Бюро мелиорации?

Ответ, на мой взгляд, заключается в том, что качество самих записей представляет собой фундаментальный барьер для преодоления разрыва между наукой и практикой. Доклад признает это, по крайней мере неявно, различая записи «Уровня 1» (те, что дают количественные, точные оценки прошлых величин опасности, напрямую сопоставимые с инструментальными данными) и записи более низкого качества. В нем также признается, что такие записи редки.

В большинстве условий и типов опасностей существующие записи палеоэкологических угроз не дотягивают до стандарта «Уровня 1».

Это имеет огромное значение, поскольку включение палеопаводковых оценок с большими погрешностями в анализ частоты наводнений увеличивает неопределенности, а не снижает их [Reinders and Muñoz, 2021].

Записи должны соответствовать порогу качества — примерно 20% погрешности или меньше, — чтобы помогать, а не мешать. Синтез записей ниже этого порога расширяет разрыв вместо того, чтобы его закрывать.

Помимо качества, эти записи сталкиваются со второй проблемой, которая сопротивляется синтезу: они по своей природе привязаны к конкретным точкам. То, что фиксируется в данном месте, зависит от факторов, которые могут сильно варьировать на коротких расстояниях — геометрия каньона, высота и ориентация берегового барьера, высота дерева в пойме.

Два соседних участка на одной реке могут сохранить принципиально разную историю наводнений не потому, что наводнения были разными, а потому, что локальные геоморфологические условия определяли, что было записано и сохранено. Эта привязка к месту — просто свойство этих архивов.

Привязка к месту означает, что такие записи сопротивляются тому широкому синтезу, который хорошо работает для более стандартизированных типов данных. Объединение их в базу данных не дает чистой региональной картины частоты и величины опасности. Скорее, оно создает коллекцию историй конкретных мест, требующих глубокой дисциплинарной экспертизы для интерпретации, сравнения и контекстуализации.

Путь вперед: инвестиции в методы и людей

Существуют перспективные методологические пути повышения качества записей до уровня, пригодного для практиков. Моя лаборатория, которая занимается гидрологическими экстремумами в различных условиях и на разных временных масштабах, работала над интеграцией палеоэкологических записей с моделированием физических процессов. Такое моделирование позволяет исследователям выйти за рамки качественных или полуколичественных свидетельств и получить точные, ограниченные неопределенностью оценки величины опасности. Другие рубежи существуют в геохронологии, разработке прокси-индикаторов и статистических методах.

В палеопаводковой гидрологии гидравлические модели могут имитировать уровни воды, скорости течения и условия осаждения, связанные с наводнениями. Эта способность связывает свойства отложений напрямую с мощностью наводнения и снижает неопределенности в палеопаводковых оценках [Reinders et al., 2023].

Количество лабораторий, активно создающих высококачественные палеоэкологические записи экстремальных явлений и совершенствующих методы их улучшения, остается небольшим.

В палеотемпестологии отложения заплеска в прибрежных прудах фиксируют, когда происходили ураганы, но не их траектории и мощность. Прибрежные гидродинамические и морфодинамические модели предлагают многообещающий путь для заполнения этого пробела — обратный расчет высоты штормового нагона по осадочным отложениям, оставленным штормами. Факторы, специфичные для конкретного места, такие как изменение уровня моря и морфология барьеров, создают реальные проблемы, но подход показывает перспективы и заслуживает постоянных инвестиций.

Развитие этих методов требует сильной профессиональной когорты. Здесь область сталкивается с усиливающейся проблемой. Число лабораторий, активно создающих высококачественные палеоэкологические записи экстремальных событий и продвигающих методологии их улучшения, остается небольшим. Это означает, что существует мало аспирантов и постдоков, обученных этим подходам, мало опытных рецензентов для статей и заявок на гранты, а также ограниченные возможности для оценки того, действительно ли новая работа соответствует порогу качества, необходимому для практического применения палеоэкологических данных.

Сам доклад NASEM называет образование и подготовку кадров одной из ключевых функций предлагаемого центра, предусматривая возможности для постдоков, студентов и приглашенных исследователей. Подготовка специалистов, понимающих и науку, и потребности практиков — тех, кто говорит на языках и седиментологии, и анализа частоты наводнений, или стратиграфии и моделирования штормовых нагонов, — это именно то, что нужно государственным агентствам и отраслевым партнерам, и именно то, что сделало бы центр столь ценным.

Центр, который стоит построить

Центр, посвященный палеоэкологическим записям экстремальных явлений, — это идея, которую стоит реализовать. Однако его структура определит, сможет ли он действительно закрыть разрыв между наукой и практикой, на устранение которого он направлен.

То, что мог бы достичь такой центр, принципиально отличается от того, что может любая отдельная лаборатория. Одна группа может продвинуть один метод для одного типа опасности, но центр мог бы собрать параллельные рабочие группы по разным типам угроз, объединяя экспертизу, рассредоточенную сейчас по небольшому числу лабораторий, и поддерживая программы подготовки кадров дольше, чем длится отдельный грант. Национальный центр экологического анализа и синтеза и Национальный центр социо-экологического синтеза — оба финансируемые Национальным научным фондом США синтез-центры, построенные на основе созыва рабочих групп. Они предлагают шаблоны того, как такой центр мог бы быть организован и где размещен.

Я рекомендую, чтобы такой центр явно ставил во главу угла развитие методов и подготовку кадров наряду с синтезом и практическим применением.

Это означает финансирование аспирантских и постдокторских стипендий и творческих отпусков, которые собирают вместе молодых ученых, состоявшихся исследователей и практиков. Работая совместно, эти группы могут разрабатывать подходы к повышению качества записей для более эффективного применения в разных дисциплинах и профессиях.

Это означает создание рабочих групп, организованных вокруг конкретных типов опасностей и методологических подходов, каждая из которых будет отвечать за разработку и распространение передовых практик и оценку того, что требуется для создания записей, пригодных для использования практиками.

И это означает признание того, что у этих же секторов есть прямая заинтересованность в таких инвестициях. Среди таких партнеров — Федеральное агентство по чрезвычайным ситуациям, Инженерный корпус армии США, а также страховой сектор и индустрия оценки катастрофических рисков. Этим секторам нужны исследователи, обученные говорить на языках и науки, и индустрии, и софинансирование центра, который их готовит, отвечало бы интересам обоих сообществ.

Ученые, собравшиеся в Мраморном каньоне в 1992 году, потратили десятилетия на создание фундамента, который сделал их работу полезной. Предлагаемый центр дает возможность ускорить этот процесс для гораздо более широкого спектра опасностей и условий, но только если он сначала инвестирует в фундамент.

Источники:

1. Greenbaum, N., et al. (2014). A 2000 year natural record of magnitudes and frequencies for the largest Upper Colorado River floods near Moab, Utah. Water Resources Research, 50(6), 5249–5269. DOI: 10.1002/2013WR014835

2. National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine (2026). A Synthesis Center for Paleoenvironmental Records of Extreme Events. National Academies Press. DOI: 10.17226/29290

3. Reinders, J. B., & Muñoz, S. E. (2021). Improvements to flood frequency analysis on alluvial rivers using paleoflood data. Water Resources Research, 57(4), e2020WR028631. DOI: 10.1029/2020WR028631

4. Reinders, J. B., et al. (2023). A hydraulic modelling approach to study flood sediment deposition in floodplain lakes. Earth Surface Processes and Landforms, 48(4), 756–769. DOI: 10.1002/esp.5515

5. Wilhelm, B., et al. (2019). Interpreting historical, botanical, and geological evidence to aid preparations for future floods. WIREs Water, 6(1), e1318. DOI: 10.1002/wat2.1318

6. Muñoz, S. E. (2026). Prioritizing quality before synthesis in paleoenvironmental hazard science. Eos, 107. DOI: 10.1029/2026EO260275