2018-08-28
出品|网易科学人
栏目组 翟中超
图注：西部利亚东部以北科雷马河沿线杜瓦尼亚尔（Duvanny Yar）的永久冻土带发生地面塌陷。新研究表明北阿拉斯加和俄罗斯位于北极圈内的区域可能不再出现冰冻。由于受到侵蚀和气温升高的加速影响，这一地区持续出现塌陷滑坡，而研究这些地区意义重大，即，如果冻结了几世纪之久的富含碳的土地解冻后会发生什么。（图/卡蒂·欧林斯基）
在俄罗斯切尔斯基，尼基塔·齐莫夫（Nikita Zimov）带领学生来到西伯利亚北部，当他正在教学生如何进行生态实地调查时无意发现了一个令人不安的线索，即冻土融化的速度可能比预期的还要快。
像父亲谢尔盖·齐莫夫（Sergey Zimov）一样，尼基塔·齐莫夫多年来一直在运行一个研究站，以追踪俄罗斯远东地区迅速变暖的气候变化。因此，当学生们在位于北极圈以北320公里的地方，在长满苔藓的小丘和落叶松林中采集到土壤送到实验室后，尼基塔·齐莫夫就怀疑情况有些不对劲了。
图注：谢尔盖·齐莫夫和他的孙女一起在俄罗斯切尔斯基靠近科雷马河建立的东北科学站（Northeast Science Station）附近测量永久冻土水平。距科学站大约1小时路程的地方，就是谢尔盖·齐莫夫的大型科学实验基地更新世公园（Pleistocene Park），这里由他和儿子一起运行。这对父子相信，通过重现更新世生态系统，即通过控制草原和大型哺乳动物，他们就能减缓永久冻土的解冻速度。（图/卡蒂·欧林斯基）
今年4月，谢尔盖·齐莫夫给一组工人配备了重型钻头以确保探测的顺利进行。工人们将钻头钻入几米的地下，结果发现浓浓的泥浆。谢尔盖·齐莫夫还说这不可能，因为他所在的靠近科雷马河的切尔斯基社区是地球上最冷的地区之一。即使在暮春时节，地面以下的土壤也应该是冰冻固态的。
但今年，情况变了。
在夏季解冻之前，每年冬季，北极地区距离地表几十厘米或几米的土壤以及富含植物的地带就会冻结。在活动层以下几十米到几百米不等的深处，延伸着厚厚的连续冻土，这就是永久冻土层，而且在一些地方，土壤呈永久冻结状已有几千年的时间。
齐莫夫父子表示，这里气温能降到零下40摄氏度，今年的降雪非常之大，积雪像一层毛毯一样把余热封闭在了地面。他们发现，地面至地面以下76厘米深的部分，原本通常会在圣诞节前冻结，但今年整个冬季都保持着潮湿的糊状。北极永久冻土层的隔热层在冬天根本就没结冰！这算是他们记忆里的第一次。
图注：在俄罗斯切尔斯基东北科学站附近的区域，原本隐藏在地表下的、由冰楔年度冻融形成的多边形地形竟显现出来。（图/卡蒂·欧林斯基）
“这真的令人震惊，”马萨诸塞州伍兹霍尔研究中心的北极科学家马克斯·霍姆斯（Max Holmes）说道。
这一发现没有经过同行评议或发表，也没有呈现某地一年期的有限数据。但是，谢尔盖·齐莫夫附近的另一位科学家进行了相关测量，还有，大洋一侧似乎也有支持谢尔盖·齐莫夫的证据，一些北极专家正在权衡一个令人不安的问题：在北极一些最寒冷、最富碳的地区，永久冻土融化的速度比许多人预期的要早几十年，那么这些释放出的温室气体是否会加速人为造成的气候变化呢？
图注：尼基塔·齐莫夫发现，一处被认为由于地面解冻而扩张的湖泊中出现了甲烷气泡。（图/卡蒂·欧林斯基）
在过去的4年中，有3年是地球上记录在案的最热年份，2018年是第4个。而且实际上两极变暖的速度要快得多，比如说，今年7月，挪威北极圈以北480千米的地方气温达到了32摄氏度。如果大量永久冻土开始融化，那么事情就会变得更糟。
“这是一件大事，”美国北亚利桑那大学永久冻土专家特德·舒尔（Ted Schuur）说道。“在永久冻土世界，这算是令人不安趋势中的一个重大划时代事件，就像大气中碳含量达到百万分之400一样。”
图注：俄罗斯切尔斯基的夏季，狗尾草属植物和棉花随处可见。这座城镇完全建立在永久冻土之上。建筑物建在混凝土支材上，而各种管道也是悬空的，现在这些建筑都能说明地形在变化，而永久冻土融化就是原因。（图/卡蒂·欧林斯基）
活动层不再冻结
北半球四分之一的大陆都位于永久冻土之上。永久冻土层中封存的碳要比大气中碳含量的两倍还要多。
图注：永久冻土层在北半球的分布范围。（图/美国国家雪冰数据中心）
人类消耗着大量化石燃料，地球正在变暖，冻土正在融化，这样一来，微生物就能消耗埋藏的有机物并释放出二氧化碳以及寿命较短的甲烷，而甲烷作为温室气体，其威力相当于二氧化碳的25倍！
至少从20世纪70年代开始，北极永久冻土层的温度就上升了。在很多地方，小规模的局部融化已经开始，但这片冰冻土地的绝大部分仍然被一层随季节冻融的活动层所隔离。
图注：在靠近北冰洋的科雷马河附近，苔原植物上布满融化的水珠。（图/卡蒂·欧林斯基）
现在有迹象表明，每年的冰冻期都会迅速改变。
沿河17公里的下游区域，谢尔盖·齐莫夫他们开始钻探测量。同样是在这片区域，马赛厄斯（Mathias Goeckede）和德国马克斯普朗克生物地球化学研究所的研究员每年夏天都要花几星期在这里进行调查追踪陆地与大气间的碳交换，这处西伯利亚的地面踩起来比较松软，可能是解冻造成的。
马赛厄斯所在站点的测量数据显示附近的雪深在5年里大约翻了一倍。当大量积雪覆盖到地面上，地表以下的热量在冬季有可能就不会消散。马赛厄斯所在站点的一个钻孔数据似乎说明了上面刚刚提到的现象：4月份，地面以下30厘米的深的温度在上面提到的5年期内升高了大约12摄氏度。
图注：俄罗斯巴塔盖地区的巴塔盖卡巨坑（Batagaika Crater）号称“地狱火山口”或“地狱之门”。这座巨坑深度超过90米、长度超过0.8千米，这是地球上最大的坳陷构造之一。科学家认为这处坳陷形成于上世纪60年代，因为当时这片区域附近的森林被砍光，地下永久冻土层因此也就开始融化，地面也就发生了塌陷。（图/卡蒂·欧林斯基）
“这只是一处地点，而且我们一共在这才研究了5年，因此这应该是一个案例研究，”马赛厄斯说道。“但是，如果假定这是一种趋势，那么情况就令人担忧了。”
几千公里以外，弗拉基米尔·罗马诺夫斯基（Vladimir Romanovsky）看到了类似的状况。罗马诺夫斯基是阿拉斯加大学费尔班克斯分校的永久冻土层专家，他在北美负责一些覆盖面很广的永久冻土监测站，这些监测站有25年间甚至更久远的详细监测记录。
“在2014年之前的所有年份里，活动层的完全冰冻期在1月中旬就会发生，”罗马诺夫斯基说道。“自2014年以后，冰冻期已经移至2月底甚至3月份。”
但今年冬天，阿拉斯加州矿业中心费尔班克斯也遇到了非常大雪。罗马诺夫斯基的两个站点的活动层根本就没冻结，这是有史以来的第一次。
“必须非常重视这一情况，”他补充道。
图注：我们可以从巴塔盖卡巨坑的周界上看到永久冻土层。（图/卡蒂·欧林斯基）
研究的争议
北极天气变化无常，在北极一些地区，这几年可能年年下大雪，而接下来的几年就可能一点雪也不下。
一些科学家也对齐莫夫父子的工作有些疑问，因为齐莫夫父子的工作并不像许多西方研究员那样严格。齐莫夫父子的发现不包括温度数据，且记录的连续时间也不算长。他们研究的许多地点也受到了人类活动和动物的干扰，因此这些土壤更容易受到气候变暖的影响。
“在少数几个地方挖几个洞并不是严谨的科学，”阿拉斯加大学费尔班克斯分校的降雪专家马特·斯特姆（Matt Sturm）说道。
美国劳伦斯伯克利国家实验室的永久冻土层专家查尔斯·科文（Charles Koven）了解存在怀疑声的原因，而且他也知道需要进行更多的研究。“如果不了解这些站点区域的历史数据，那么我们就无从下手，”他说道。“如果那里真发出了警报信号，我们不会忽视。”
图注：科学家谢尔盖·齐莫夫在他位于俄罗斯切尔斯基的家以北110千米的一个研究站外凝望着北冰洋。谢尔盖·齐莫夫用手中的金属棒就能快速便捷地检测冻土的深度。（图/卡蒂·欧林斯基）
罗马诺夫斯基和马赛厄斯侧重系统的测量，而谢尔盖·齐莫夫有点像灾变论者，他的预测也比较悲观。齐莫夫父子在西伯利亚更新世公园附近，而这里活动着许多大型哺乳动物，如野牛、牦牛和马。更新世公园是一处模拟历史上巨大草原生态系统的试验的一部分，科学家可以借此观察永久冻土的反应，而更新世大约结束于1.2万年前。
但谢尔盖·齐莫夫也是第一批发现西伯利亚蕴藏着大量富碳永久冻土层的科学家之一，而且他在切尔斯基工作了40年，因此受到许多研究者的高度重视。
“他对景观很了解，因此他很少会出错，”阿拉斯加大学费尔班克斯分校专门研究北极湖泊中甲烷的副教授凯蒂·沃尔特·安东尼（Katey Walter Anthony）说道。“如果他都认为正在发生的事很重要，那么这事应该就很重要很有价值。”
图注：俄罗斯切尔斯基一处冰窖墙壁上的冻深线。几千年来，当地居民一直在冻土层中挖冰窖来当冷冻箱。最近，一些人观察到由于冻土解冻造成冰窖淹水。（图/卡蒂·欧林斯基）
罗马诺夫斯基也知道齐莫夫父子，他还表示虽然自己希望他们能加上温度数据，但检查冰冻深度也是一种合理的方法。“这也是一个令人信服的方法，”罗马诺夫斯基说道。“但对我来说，这么做还不算够完整。”
罗马诺夫斯基和齐莫夫父子的发现究竟代表着多大的范围，目前还不清楚。姑且先当做是个小样本。
但罗马诺夫斯基表示之所以选择现在的这个站点，是因为这里代表了阿拉斯加的中部地区。
“因此，我们就假定今年冬季在阿拉斯加的大片地区并没有出现冰冻期，”他说道。
尽管科学家意识到数据比较有限，但这些变化的确也令他们有些担心。
“这些发现令人不安，”伍兹霍尔研究中心的永久冻土层专家休·纳塔利（Sue Natali）说道。纳塔利最近在阿拉斯加育空地区的一次研究中看到了一处活动层未被重新冻结。“科学家研究几十年都没发现这些东西有什么变化，而现在，变化却正在发生，这件事应该得到关注。”
图注：大部分永久冻土层都是冻结状态。但西伯利亚北部和北极区的一些地方，永冻层解冻的风险比预期的要快，这就有可能释放出大量的二氧化碳和甲烷。（图/卡蒂·欧林斯基）
解冻加速进行
如果一个区域的活动层真的不再冻结，那么后果将很快出现，因此，事情的风险很大。一旦解冻，活动层中的土壤微生物就可以分解有机物质并在全年中释放温室气体。活动层解冻，永冻层就会暴露在更高的温度下，那么永冻层也就开始解冻并释放气体。
在富冰土壤中，如西伯利亚，地面就会下沉。这将会路面、建筑和冰窖造成巨大影响。这些坳陷会改变地面景观，冬季甚至就会变得更暖。坳陷中会积水或积雪，形成新的湿地和苔原湖泊，这些湿地和湖泊都会排放出大量的甲烷。
所有这些水分的流动，不管是地面上还是地下，都会运输大量的热量，这就加速了融化。永久冻土的崩塌会释放出更多的温室气体，而这些温室气体又会加速自身的解冻。
图注：巴塔盖卡巨坑是少数能够看到永久冻土区截面的地方之一。如果你想知道永冻层是不是在融化，那么离近点就能看清。科学家研究这片区域不仅是为了寻找北极气候变化的线索，还想弄清这种现象将对地球上其他区域产生何种影响。（图/卡蒂·欧林斯基）
应该没人期待永冻层释放出其储蓄的所有的碳。大多数计算机模型显示，即使是人类维持较高的排放情景，永久冻土层最多将排放其10%至20%的碳。
但是，记者联系到的十多位北极气候科学家一致认为，今年的活动层数据凸显了全球气候模型的局限性。那些预测未来气候情景的复杂计算机程序通常无法捕捉到永久冻土层的重大变化。
“我们的程序会模拟一些东西，但有许多进程是模型所不能包括的，比如说热传递的过程，”加拿大蒙特利尔大学副教授丹尼尔·福捷（Daniel Fortier）说道。“我认为可以肯定的说，事情发生的速度比我们预期的要快。”
例如，科学家们早就知道，随着时间的推移，海冰的消失和气温的上升将导致北极降雪的增多，而模型能将这些因素合并起来。但是，土壤类型、地表植被、冰的融化以及因升温和融雪而产生的水流等因素叠加串联到一起的情况，上述的计算机模拟起来就不怎么可靠了，而这些因素都可能加速冻土融化。
“模型无法处理这些景观尺度的变化，而所有这些过程都可能导致情况剧变，”位于博尔德的美国国家大气研究中心的永久冻土建模师大卫·劳伦斯（David Lawrence）说道。“想要让这些模型处理好这些进程还需要很长时间。”
大卫·劳伦斯表示，当检测到一些变化时，可能重大的变化也正在进行。这意味着民众和政策制定者可能无法意识到真正的风险。
“大多数模型预测，在2100年之前，并不会出现主要的碳排放，”沃尔特·安东尼说道。可能的确如模型预测的那样，但沃尔特·安东尼表示，“也有可能在我们孩子那一代，或者我们这一代就会发生”。
