出品|網(wǎng)易科學(xué)人欄目組 翟中超

圖注：西部利亞東部以北科雷馬河沿線杜瓦尼亞爾(Duvanny Yar)的永久凍土帶發(fā)生地面塌陷。新研究表明北阿拉斯加和俄羅斯位于北極圈內(nèi)的區(qū)域可能不再出現(xiàn)冰凍。由于受到侵蝕和氣溫升高的加速影響，這一地區(qū)持續(xù)出現(xiàn)塌陷滑坡，而研究這些地區(qū)意義重大，即，如果凍結(jié)了幾世紀(jì)之久的富含碳的土地解凍后會(huì)發(fā)生什么。(圖/卡蒂·歐林斯基)

在俄羅斯切爾斯基，尼基塔·齊莫夫(Nikita Zimov)帶領(lǐng)學(xué)生來到西伯利亞北部，當(dāng)他正在教學(xué)生如何進(jìn)行生態(tài)實(shí)地調(diào)查時(shí)無意發(fā)現(xiàn)了一個(gè)令人不安的線索，即凍土融化的速度可能比預(yù)期的還要快。

像父親謝爾蓋·齊莫夫(Sergey Zimov)一樣，尼基塔·齊莫夫多年來一直在運(yùn)行一個(gè)研究站，以追蹤俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)迅速變暖的氣候變化。因此，當(dāng)學(xué)生們?cè)谖挥诒睒O圈以北320公里的地方，在長(zhǎng)滿苔蘚的小丘和落葉松林中采集到土壤送到實(shí)驗(yàn)室后，尼基塔·齊莫夫就懷疑情況有些不對(duì)勁了。

圖注：謝爾蓋·齊莫夫和他的孫女一起在俄羅斯切爾斯基靠近科雷馬河建立的東北科學(xué)站(Northeast Science Station)附近測(cè)量永久凍土水平。距科學(xué)站大約1小時(shí)路程的地方，就是謝爾蓋·齊莫夫的大型科學(xué)實(shí)驗(yàn)基地更新世公園(Pleistocene Park)，這里由他和兒子一起運(yùn)行。這對(duì)父子相信，通過重現(xiàn)更新世生態(tài)系統(tǒng)，即通過控制草原和大型哺乳動(dòng)物，他們就能減緩永久凍土的解凍速度。(圖/卡蒂·歐林斯基)

今年4月，謝爾蓋·齊莫夫給一組工人配備了重型鉆頭以確保探測(cè)的順利進(jìn)行。工人們將鉆頭鉆入幾米的地下，結(jié)果發(fā)現(xiàn)濃濃的泥漿。謝爾蓋·齊莫夫還說這不可能，因?yàn)樗诘目拷评遵R河的切爾斯基社區(qū)是地球上最冷的地區(qū)之一。即使在暮春時(shí)節(jié)，地面以下的土壤也應(yīng)該是冰凍固態(tài)的。

但今年，情況變了。

在夏季解凍之前，每年冬季，北極地區(qū)距離地表幾十厘米或幾米的土壤以及富含植物的地帶就會(huì)凍結(jié)。在活動(dòng)層以下幾十米到幾百米不等的深處，延伸著厚厚的連續(xù)凍土，這就是永久凍土層，而且在一些地方，土壤呈永久凍結(jié)狀已有幾千年的時(shí)間。

齊莫夫父子表示，這里氣溫能降到零下40攝氏度，今年的降雪非常之大，積雪像一層毛毯一樣把余熱封閉在了地面。他們發(fā)現(xiàn)，地面至地面以下76厘米深的部分，原本通常會(huì)在圣誕節(jié)前凍結(jié)，但今年整個(gè)冬季都保持著潮濕的糊狀。北極永久凍土層的隔熱層在冬天根本就沒結(jié)冰！這算是他們記憶里的第一次。

圖注：在俄羅斯切爾斯基東北科學(xué)站附近的區(qū)域，原本隱藏在地表下的、由冰楔年度凍融形成的多邊形地形竟顯現(xiàn)出來。(圖/卡蒂·歐林斯基)

“這真的令人震驚，”馬薩諸塞州伍茲霍爾研究中心的北極科學(xué)家馬克斯·霍姆斯(Max Holmes)說道。

這一發(fā)現(xiàn)沒有經(jīng)過同行評(píng)議或發(fā)表，也沒有呈現(xiàn)某地一年期的有限數(shù)據(jù)。但是，謝爾蓋·齊莫夫附近的另一位科學(xué)家進(jìn)行了相關(guān)測(cè)量，還有，大洋一側(cè)似乎也有支持謝爾蓋·齊莫夫的證據(jù)，一些北極專家正在權(quán)衡一個(gè)令人不安的問題：在北極一些最寒冷、最富碳的地區(qū)，永久凍土融化的速度比許多人預(yù)期的要早幾十年，那么這些釋放出的溫室氣體是否會(huì)加速人為造成的氣候變化呢？

圖注：尼基塔·齊莫夫發(fā)現(xiàn)，一處被認(rèn)為由于地面解凍而擴(kuò)張的湖泊中出現(xiàn)了甲烷氣泡。(圖/卡蒂·歐林斯基)

在過去的4年中，有3年是地球上記錄在案的最熱年份，2018年是第4個(gè)。而且實(shí)際上兩極變暖的速度要快得多，比如說，今年7月，挪威北極圈以北480千米的地方氣溫達(dá)到了32攝氏度。如果大量永久凍土開始融化，那么事情就會(huì)變得更糟。

“這是一件大事，”美國(guó)北亞利桑那大學(xué)永久凍土專家特德·舒爾(Ted Schuur)說道。“在永久凍土世界，這算是令人不安趨勢(shì)中的一個(gè)重大劃時(shí)代事件，就像大氣中碳含量達(dá)到百萬分之400一樣。”

圖注：俄羅斯切爾斯基的夏季，狗尾草屬植物和棉花隨處可見。這座城鎮(zhèn)完全建立在永久凍土之上。建筑物建在混凝土支材上，而各種管道也是懸空的，現(xiàn)在這些建筑都能說明地形在變化，而永久凍土融化就是原因。(圖/卡蒂·歐林斯基)

活動(dòng)層不再凍結(jié)

北半球四分之一的大陸都位于永久凍土之上。永久凍土層中封存的碳要比大氣中碳含量的兩倍還要多。

圖注：永久凍土層在北半球的分布范圍。(圖/美國(guó)國(guó)家雪冰數(shù)據(jù)中心)

人類消耗著大量化石燃料，地球正在變暖，凍土正在融化，這樣一來，微生物就能消耗埋藏的有機(jī)物并釋放出二氧化碳以及壽命較短的甲烷，而甲烷作為溫室氣體，其威力相當(dāng)于二氧化碳的25倍！

至少從20世紀(jì)70年代開始，北極永久凍土層的溫度就上升了。在很多地方，小規(guī)模的局部融化已經(jīng)開始，但這片冰凍土地的絕大部分仍然被一層隨季節(jié)凍融的活動(dòng)層所隔離。

圖注：在靠近北冰洋的科雷馬河附近，苔原植物上布滿融化的水珠。(圖/卡蒂·歐林斯基)

現(xiàn)在有跡象表明，每年的冰凍期都會(huì)迅速改變。

沿河17公里的下游區(qū)域，謝爾蓋·齊莫夫他們開始鉆探測(cè)量。同樣是在這片區(qū)域，馬賽厄斯(Mathias Goeckede)和德國(guó)馬克斯普朗克生物地球化學(xué)研究所的研究員每年夏天都要花幾星期在這里進(jìn)行調(diào)查追蹤陸地與大氣間的碳交換，這處西伯利亞的地面踩起來比較松軟，可能是解凍造成的。

馬賽厄斯所在站點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)顯示附近的雪深在5年里大約翻了一倍。當(dāng)大量積雪覆蓋到地面上，地表以下的熱量在冬季有可能就不會(huì)消散。馬賽厄斯所在站點(diǎn)的一個(gè)鉆孔數(shù)據(jù)似乎說明了上面剛剛提到的現(xiàn)象：4月份，地面以下30厘米的深的溫度在上面提到的5年期內(nèi)升高了大約12攝氏度。

圖注：俄羅斯巴塔蓋地區(qū)的巴塔蓋卡巨坑(Batagaika Crater)號(hào)稱“地獄火山口”或“地獄之門”。這座巨坑深度超過90米、長(zhǎng)度超過0.8千米，這是地球上最大的坳陷構(gòu)造之一?？茖W(xué)家認(rèn)為這處坳陷形成于上世紀(jì)60年代，因?yàn)楫?dāng)時(shí)這片區(qū)域附近的森林被砍光，地下永久凍土層因此也就開始融化，地面也就發(fā)生了塌陷。(圖/卡蒂·歐林斯基)

“這只是一處地點(diǎn)，而且我們一共在這才研究了5年，因此這應(yīng)該是一個(gè)案例研究，”馬賽厄斯說道?！暗?#xff0c;如果假定這是一種趨勢(shì)，那么情況就令人擔(dān)憂了?！?/p>

幾千公里以外，弗拉基米爾·羅馬諾夫斯基(Vladimir Romanovsky)看到了類似的狀況。羅馬諾夫斯基是阿拉斯加大學(xué)費(fèi)爾班克斯分校的永久凍土層專家，他在北美負(fù)責(zé)一些覆蓋面很廣的永久凍土監(jiān)測(cè)站，這些監(jiān)測(cè)站有25年間甚至更久遠(yuǎn)的詳細(xì)監(jiān)測(cè)記錄。

“在2014年之前的所有年份里，活動(dòng)層的完全冰凍期在1月中旬就會(huì)發(fā)生，”羅馬諾夫斯基說道。“自2014年以后，冰凍期已經(jīng)移至2月底甚至3月份。”

但今年冬天，阿拉斯加州礦業(yè)中心費(fèi)爾班克斯也遇到了非常大雪。羅馬諾夫斯基的兩個(gè)站點(diǎn)的活動(dòng)層根本就沒凍結(jié)，這是有史以來的第一次。

“必須非常重視這一情況，”他補(bǔ)充道。

圖注：我們可以從巴塔蓋卡巨坑的周界上看到永久凍土層。(圖/卡蒂·歐林斯基)

研究的爭(zhēng)議

北極天氣變化無常，在北極一些地區(qū)，這幾年可能年年下大雪，而接下來的幾年就可能一點(diǎn)雪也不下。

一些科學(xué)家也對(duì)齊莫夫父子的工作有些疑問，因?yàn)辇R莫夫父子的工作并不像許多西方研究員那樣嚴(yán)格。齊莫夫父子的發(fā)現(xiàn)不包括溫度數(shù)據(jù)，且記錄的連續(xù)時(shí)間也不算長(zhǎng)。他們研究的許多地點(diǎn)也受到了人類活動(dòng)和動(dòng)物的干擾，因此這些土壤更容易受到氣候變暖的影響。

“在少數(shù)幾個(gè)地方挖幾個(gè)洞并不是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)，”阿拉斯加大學(xué)費(fèi)爾班克斯分校的降雪專家馬特·斯特姆(Matt Sturm)說道。

美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的永久凍土層專家查爾斯·科文(Charles Koven)了解存在懷疑聲的原因，而且他也知道需要進(jìn)行更多的研究?！叭绻涣私膺@些站點(diǎn)區(qū)域的歷史數(shù)據(jù)，那么我們就無從下手，”他說道?！叭绻抢镎姘l(fā)出了警報(bào)信號(hào)，我們不會(huì)忽視?！?/p>

圖注：科學(xué)家謝爾蓋·齊莫夫在他位于俄羅斯切爾斯基的家以北110千米的一個(gè)研究站外凝望著北冰洋。謝爾蓋·齊莫夫用手中的金屬棒就能快速便捷地檢測(cè)凍土的深度。(圖/卡蒂·歐林斯基)

羅馬諾夫斯基和馬賽厄斯側(cè)重系統(tǒng)的測(cè)量，而謝爾蓋·齊莫夫有點(diǎn)像災(zāi)變論者，他的預(yù)測(cè)也比較悲觀。齊莫夫父子在西伯利亞更新世公園附近，而這里活動(dòng)著許多大型哺乳動(dòng)物，如野牛、牦牛和馬。更新世公園是一處模擬歷史上巨大草原生態(tài)系統(tǒng)的試驗(yàn)的一部分，科學(xué)家可以借此觀察永久凍土的反應(yīng)，而更新世大約結(jié)束于1.2萬年前。

但謝爾蓋·齊莫夫也是第一批發(fā)現(xiàn)西伯利亞蘊(yùn)藏著大量富碳永久凍土層的科學(xué)家之一，而且他在切爾斯基工作了40年，因此受到許多研究者的高度重視。

“他對(duì)景觀很了解，因此他很少會(huì)出錯(cuò)，”阿拉斯加大學(xué)費(fèi)爾班克斯分校專門研究北極湖泊中甲烷的副教授凱蒂·沃爾特·安東尼(Katey Walter Anthony)說道。“如果他都認(rèn)為正在發(fā)生的事很重要，那么這事應(yīng)該就很重要很有價(jià)值?！?/p>

圖注：俄羅斯切爾斯基一處冰窖墻壁上的凍深線。幾千年來，當(dāng)?shù)鼐用褚恢痹趦鐾翆又型诒褋懋?dāng)冷凍箱。最近，一些人觀察到由于凍土解凍造成冰窖淹水。(圖/卡蒂·歐林斯基)

羅馬諾夫斯基也知道齊莫夫父子，他還表示雖然自己希望他們能加上溫度數(shù)據(jù)，但檢查冰凍深度也是一種合理的方法。“這也是一個(gè)令人信服的方法，”羅馬諾夫斯基說道?！暗珜?duì)我來說，這么做還不算夠完整。”

羅馬諾夫斯基和齊莫夫父子的發(fā)現(xiàn)究竟代表著多大的范圍，目前還不清楚。姑且先當(dāng)做是個(gè)小樣本。

但羅馬諾夫斯基表示之所以選擇現(xiàn)在的這個(gè)站點(diǎn)，是因?yàn)檫@里代表了阿拉斯加的中部地區(qū)。

“因此，我們就假定今年冬季在阿拉斯加的大片地區(qū)并沒有出現(xiàn)冰凍期，”他說道。

盡管科學(xué)家意識(shí)到數(shù)據(jù)比較有限，但這些變化的確也令他們有些擔(dān)心。

“這些發(fā)現(xiàn)令人不安，”伍茲霍爾研究中心的永久凍土層專家休·納塔利(Sue Natali)說道。納塔利最近在阿拉斯加育空地區(qū)的一次研究中看到了一處活動(dòng)層未被重新凍結(jié)。“科學(xué)家研究幾十年都沒發(fā)現(xiàn)這些東西有什么變化，而現(xiàn)在，變化卻正在發(fā)生，這件事應(yīng)該得到關(guān)注。”

圖注：大部分永久凍土層都是凍結(jié)狀態(tài)。但西伯利亞北部和北極區(qū)的一些地方，永凍層解凍的風(fēng)險(xiǎn)比預(yù)期的要快，這就有可能釋放出大量的二氧化碳和甲烷。(圖/卡蒂·歐林斯基)

解凍加速進(jìn)行

如果一個(gè)區(qū)域的活動(dòng)層真的不再凍結(jié)，那么后果將很快出現(xiàn)，因此，事情的風(fēng)險(xiǎn)很大。一旦解凍，活動(dòng)層中的土壤微生物就可以分解有機(jī)物質(zhì)并在全年中釋放溫室氣體。活動(dòng)層解凍，永凍層就會(huì)暴露在更高的溫度下，那么永凍層也就開始解凍并釋放氣體。

在富冰土壤中，如西伯利亞，地面就會(huì)下沉。這將會(huì)路面、建筑和冰窖造成巨大影響。這些坳陷會(huì)改變地面景觀，冬季甚至就會(huì)變得更暖。坳陷中會(huì)積水或積雪，形成新的濕地和苔原湖泊，這些濕地和湖泊都會(huì)排放出大量的甲烷。

所有這些水分的流動(dòng)，不管是地面上還是地下，都會(huì)運(yùn)輸大量的熱量，這就加速了融化。永久凍土的崩塌會(huì)釋放出更多的溫室氣體，而這些溫室氣體又會(huì)加速自身的解凍。

圖注：巴塔蓋卡巨坑是少數(shù)能夠看到永久凍土區(qū)截面的地方之一。如果你想知道永凍層是不是在融化，那么離近點(diǎn)就能看清。科學(xué)家研究這片區(qū)域不僅是為了尋找北極氣候變化的線索，還想弄清這種現(xiàn)象將對(duì)地球上其他區(qū)域產(chǎn)生何種影響。(圖/卡蒂·歐林斯基)

應(yīng)該沒人期待永凍層釋放出其儲(chǔ)蓄的所有的碳。大多數(shù)計(jì)算機(jī)模型顯示，即使是人類維持較高的排放情景，永久凍土層最多將排放其10%至20%的碳。

但是，記者聯(lián)系到的十多位北極氣候科學(xué)家一致認(rèn)為，今年的活動(dòng)層數(shù)據(jù)凸顯了全球氣候模型的局限性。那些預(yù)測(cè)未來氣候情景的復(fù)雜計(jì)算機(jī)程序通常無法捕捉到永久凍土層的重大變化。

“我們的程序會(huì)模擬一些東西，但有許多進(jìn)程是模型所不能包括的，比如說熱傳遞的過程，”加拿大蒙特利爾大學(xué)副教授丹尼爾·福捷(Daniel Fortier)說道。“我認(rèn)為可以肯定的說，事情發(fā)生的速度比我們預(yù)期的要快?！?/p>

例如，科學(xué)家們?cè)缇椭?#xff0c;隨著時(shí)間的推移，海冰的消失和氣溫的上升將導(dǎo)致北極降雪的增多，而模型能將這些因素合并起來。但是，土壤類型、地表植被、冰的融化以及因升溫和融雪而產(chǎn)生的水流等因素疊加串聯(lián)到一起的情況，上述的計(jì)算機(jī)模擬起來就不怎么可靠了，而這些因素都可能加速凍土融化。

“模型無法處理這些景觀尺度的變化，而所有這些過程都可能導(dǎo)致情況劇變，”位于博爾德的美國(guó)國(guó)家大氣研究中心的永久凍土建模師大衛(wèi)·勞倫斯(David Lawrence)說道?！跋胍屵@些模型處理好這些進(jìn)程還需要很長(zhǎng)時(shí)間?！?/p>

大衛(wèi)·勞倫斯表示，當(dāng)檢測(cè)到一些變化時(shí)，可能重大的變化也正在進(jìn)行。這意味著民眾和政策制定者可能無法意識(shí)到真正的風(fēng)險(xiǎn)。

“大多數(shù)模型預(yù)測(cè)，在2100年之前，并不會(huì)出現(xiàn)主要的碳排放，”沃爾特·安東尼說道?？赡艿拇_如模型預(yù)測(cè)的那樣，但沃爾特·安東尼表示，“也有可能在我們孩子那一代，或者我們這一代就會(huì)發(fā)生”。

總結(jié)

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