北极融化：我们已经感受到永久冻土融化的后果

阿拉斯加的房屋正在下沉，树木正在倾倒。猛犸象骨骼正在俄罗斯远东地区浮出水面——数量之多，以至于人们开始出售象牙作为大象象牙的替代品。2016年，西伯利亚西部70多人因接触炭疽病住院，这很可能是由几十年前从冻土中解冻的驯鹿尸体传播的。

2016年，融水渗入了全球种子库的入口隧道，这是挪威北极地区的一个地下设施，被称为“末日金库”。那里，数百万收集到的种子应该在很少维护的情况下无限期保持冷冻，作为一种保障措施，以防世界作物在大规模灾难中丧失时重新开始农业。没有种子受损——水在到达金库之前很久就重新冻结了——但这次入侵让世界想知道：末日金库能坚持到末日吗？

这些事件是相互关联的，由同一个现象引起：它们发生在被永久冻土覆盖的地区，这些地面应该全年保持冰冻，但现在由于全球变暖而正在融化。

永久冻土覆盖了北半球所有无冰陆地的大约25%。数千年来，大部分地面都是由土壤、岩石和冰组成的固结块，以及在深度冷冻中免于腐烂的生物碎片。

但随着气温升高，“地面正在变得泥泞”，阿拉斯加北极之门国家公园资源负责人、考古学家杰夫·拉西克说。地面变暖导致侵蚀、下沉和结构损坏。冷冻的生物，包括可能感染活体宿主的病原体，也随之解冻。

而更糟糕的还在后头。 trapped in permafrost — everything from mammoth carcasses to ancient fruit — contains massive stores of carbon, an estimated 1,500 billion tons, or nearly twice the carbon currently in the atmosphere. As the ground warms, the long-frozen material will decay and release the carbon as greenhouse gases.

“大气中碳越多，我们面临的升温就越多，这会产生一个反馈循环，”北亚利桑那大学生态学家克里斯蒂娜·舍德尔说，她协调着一个由科学家组成的全球网络，研究永久冻土融化的影响。

尽管研究人员争相预测气候变化对永久冻土的影响，但北极人民已经在他们脚下亲眼目睹了这一切。

永久冻土星球

永久冻土被定义为至少连续两年保持冰冻的地面——包括岩石、土壤、冰和其他有机物质——覆盖了北半球大部分高纬度地区，但它不再保持冰冻了。随着全球气温升高，特别是在极地地区，大量的永久冻土正在融化，带来了一系列问题。

让逝者复生：复活古老植物和病毒

永久冻土是寒冷、黑暗、无氧的，并且具有中性 pH 值——也就是说，它既不酸性也不碱性，就像水一样。“这确实是让不需要任何代谢活动的东西保持活力的最佳场所，”法国艾克斯-马赛大学微生物学家让·米歇尔·克拉弗里说。这意味着微生物、种子和孢子，以休眠状态冷冻，只要稍加变暖就可能苏醒。

这在2012年得到了证实，当时俄罗斯科学院的研究人员从3万年前的果实中培育出了30多株石竹（Silene stenophylla），这是一种草本白色苔原花。根据发表在《美国国家科学院院刊》上的研究，这些样本是从俄罗斯东北部永久冻土深125英尺的古代松鼠洞中回收的。在富含营养的试管中发芽后，幼苗经历了普通的植物生命：它们在塑料盆和土壤中长成果实累累的花朵，在被冷冻了300个世纪后恢复了正常的生物活动。

看到这项研究后，研究病毒进化的克拉弗里想：“如果他们能复活植物，我们也应该能复活病毒。”

在四年内，他的团队从相同的3万年前的沉积物中复活了两种从未见过的病毒。两者都在实验室培养皿中苏醒并感染了活变形虫。

通过这些实验，研究人员可以直接研究病毒和生命形式如何随时间进化。“我认为我们可以真正更好地理解生命的起源，”克拉弗里说。“永久冻土很重要，因为我们可以深入并找到这些病毒的祖先。”目前，他的团队正准备分析从永久冻土深500多英尺处采集的样本，这些样本的年代大约是60万年前。

尽管科学家们只研究了杀死变形虫的病毒，但这项研究加剧了人们的担忧，即随着永久冻土的融化，对人类具有传染性的病原体也将在实验室外出现。

这在俄罗斯北极地区已经是一个问题，20世纪初的炭疽疫情估计导致150万只驯鹿死亡。这些动物以及受感染的牛，大多被埋在近地表永久冻土中——即夏季融化冬季结冰的所谓活跃层。当变暖时，尸体释放出炭疽芽孢，这些芽孢很容易重新激活成传染性细菌。这种现象很可能导致了2016年导致72名涅涅茨驯鹿牧民住院的疫情。

而且不仅仅是腐烂驯鹿中的炭疽。北美和俄罗斯永久冻土带的墓地中，埋葬着天花、鼠疫和流感的受害者。

然而，克拉弗里认为，永久冻土中的这些疾病引发全球大流行的风险很低。“如果它是一种像天花这样古老的已知疾病，那么那些感染它的人会很悲伤，但情况可能还好，因为它很容易被识别出来，并且你可以将这些人隔离起来。”

他更担心的是，北极采矿和工业开发将永久冻土深处的未知疾病突然带到地表——那些史前病原体，我们对此毫无防御能力。

冰冻遗产：考古遗址的发现与流失

永久冻土融化正在考古遗址打开通往过去的另一扇窗。“这是一个令人难以置信的信息宝库，”在阿拉斯加北极地区进行挖掘工作的拉西克说。“本应早已腐烂的东西被冷冻保存了下来。”

易腐烂的物品，如篮筐、木制工具和衣物，可以在永久冻土中保存数千年，并展示了古代人民如何在地球上最恶劣的环境之一中生存。

例如，在阿拉斯加极北地区，一处可追溯至公元600-1300年的伯尼尔克遗址，考古学家发现了由海豹皮和北极熊毛制成的派克大衣、靴子，甚至婴儿服饰——“完全由天然材料制成的性能极佳的服装，”拉斯克说。“他们在没有Gore-Tex和我们现在所有高科技纤维的时代，就能制作精细的针线，缝制出防水的接缝。”

在阿拉斯加的另一个遗址，雷文布拉夫，骨骼保存得如此完好，以至于拉西克认为它们有几百年历史。但放射性碳定年的结果令人震惊：雷文布拉夫在11000年前就有人居住了。这个时代的永久冻土遗址是理解冰河时代人们如何从西伯利亚迁徙并定居美洲的关键。

永久冻土融化可能有助于考古学家发现遗址，因为变暖的地面会导致侵蚀，从而暴露文物，但这是一把双刃剑。除非迅速挖掘这些遗址，否则易腐烂的文物就会腐烂，而且北极考古学家数量不足以跟上融化的速度。“我们已经接受了总是会失去比我们能够处理或拯救更多的遗址，但现在确实面临着巨大的压力，要非常高效地做出分类决策，”拉斯克说。“这关乎在信息消失之前将其收集起来。”

有毒威胁

永久冻土融化并非唯一威胁：冰盖融化带来了额外的风险。

去年夏天，气候学家威廉·科尔根（丹麦和格陵兰地质调查局研究员）带领一支科学家考察队前往世纪营地，这是一个埋藏在格陵兰冰盖下的废弃美军基地。

“今天你到达世纪营地，那里完全是一片平坦的白色。表面什么都没有。它就是一片薄薄的、白色的冰盖，”科尔根说。

然而，地表以下10层深处是该设施的遗迹，该设施在1960年代曾绵延超过100个足球场，驻扎着多达200名美国陆军士兵。其中一项任务是绝密的，代号为“冰虫计划”：在冰盖下安装弹道导弹，使其处于俄罗斯的射程之内。

到1967年，陆军放弃了该项目，留下了包括污水、放射性冷却剂和致癌工业化学品以及柴油在内的危险废物。当时的工程师认为这些毒素将在冰下无限期保存。

但格陵兰冰盖正在融化，而且速度比之前预测的要快。从2007年到2011年，冰盖每年缩小约2900亿吨。而1900年到1983年，平均每年损失830亿吨。

据科尔根说，好消息是，如果各国实现《巴黎协定》和其他应对气候变化准则中设定的目标，该遗址应该会保持冰冻。

坏消息是：如果目前的变暖趋势持续下去，这些有毒废物很可能在75年内不可逆转地从冰盖中融化出来。

为了做出这些预测，作者们利用营地的历史记录和地图估算了碎片范围。2017年考察队的目标是建立该地点的长期监测。

科学家们无法进入世纪营地，因为几十年的积雪和冰已经封闭了入口。“看起来隧道网络中没有任何空气空间了，所以即使我们向下挖30米到其中一个入口，看起来所有隧道都被完全压碎了，”科尔根说。

相反，研究人员收集了冰芯进行分析，并安装了天气和冰情监测设备，这些设备将实时数据传输回哥本哈根的实验室总部。他们还穿上越野滑雪板，拖着探冰雷达在地面上穿行，以绘制更精确的地下碎片地图。

雷达数据显示，废物扩散范围约为一英里——是预期面积的两倍——在某些地方深度不足100英尺。

尽管扩散范围广泛，科尔根认为这些废物可能仍被困在冰中。“世纪营地是否会成为一个问题，很大程度上取决于我们社会选择的气候路径，”他说。

全市塌陷：在不断变化的地面上生活

现代人类住区也处于危险之中。永久冻土中含有冰，这些冰既普遍存在（像胶水一样将土壤成分粘合在一起），又集中在厚而纯的块状中。当胶状冰融化时，土壤变成泥浆，导致逐渐下沉和侵蚀。当冰块融化时，上覆的地面可能会突然坍塌。

但即使地面温度适度升高，远在完全融化之前，建筑物也可能失去结构完整性并变得不稳定。根据2017年的一项研究，仅在阿拉斯加，未来一个世纪因永久冻土融化造成的建筑物和基础设施破坏可能导致超过20亿美元的损失。

受影响的区域在外人看来可能偏远且人烟稀少，但永久冻土区却包含着从小村庄到人口超过10万的工业城市等各种聚居地。

俄罗斯的诺里尔斯克是北极城市的典型代表。诺里尔斯克建于1935年，最初是一个古拉格劳改营，现已发展成为一个镍矿开采和冶炼中心。它拥有178,800名居民，规模与佛罗里达州劳德代尔堡差不多，但相似之处仅此而已。诺里尔斯克是世界上最北的城市之一，也是俄罗斯污染最严重的城市。12月，太阳不升起，气温低于零下20华氏度。

像俄罗斯北极地区的大多数城市一样，诺里尔斯克是为永久冻土量身定制的。“永久冻土越冷，固定地基的冻结力就越强，”乔治·华盛顿大学研究永久冻土融化对人类居住影响的地理学家德米特里·斯特列列茨基说。

20世纪的工程师根据地面温度计算地基能支撑多少重量——但在过去三十年里，俄罗斯永久冻土区的这些温度已经升高了高达3.6度。“这些设计没有考虑到气候变化如此快的速度，”斯特列列茨基说。

在他的研究中，斯特列列茨基进行了这种核算。他用当前的气候数据取代了建造时的温度。他于2012年发表的一项研究结果表明：与1960年代相比，2010年西伯利亚城市的地基承载能力下降了高达46%，使其面临倒塌的风险。

根据市政府2015年的最新统计，诺里尔斯克有数百座住宅建筑因地面解冻而明显变形。在其他永久冻土城市，10%到80%的建筑处于潜在危险状态。

在某些情况下，工程师通过安装热虹吸管（通过蒸发和冷凝冷却地面的设备）来抢救建筑物。但“这些基本上都是点解决方案。它周围只有几米的范围有效，”斯特列列茨基说。“它们可以挽救一栋建筑物，但不能挽救整个城市。”

当北极居民努力应对摇摇欲坠的建筑时，传统的沿海村庄则面临着彻底的毁灭。在过去的五十年里，整个北极地区的海岸线平均每年后退1.5英尺。在猛烈的风暴中，一些地方甚至在短短几个小时内就流失了70英尺。这些北极海岸线正在消失，这是永久冻土融化、海平面上升和夏季无冰时间延长共同作用的结果。简而言之，更多的海浪正在冲刷更软的土地，并冲得更远。

这意味着一些社区将走向终结。美国陆军工程兵团的一份报告得出结论，基瓦利纳（Kivalina），一个位于阿拉斯加西北部8英里长土地尖端、拥有85户人家的伊努皮亚克原住民村庄，很可能在未来十年内“因侵蚀而消失”。然而，374名居民仍然留在那里。搬迁将耗资超过9500万美元，并危及他们依赖狩猎和捕捞沿海资源的生活方式。他们被大海束缚，尽管大海正在吞噬他们的村庄。

轰隆声：甲烷和神秘的陨石坑

对于未经训练的眼睛来说，它们看起来像是流星撞击：巨大的漏斗状陨石坑，大约80英尺宽，15层楼深，突然出现在俄罗斯苔原上。但据阿拉斯加大学的地球物理学家弗拉基米尔·罗曼诺夫斯基说，他自1970年代以来一直在监测永久冻土，“没有任何科学甚至非科学文献描述过这样的现象。”

“我们甚至还没有给它起个好名字，”他补充道。

据最新统计，俄罗斯亚马尔（一个向北极圈以北延伸400英里的地区）和邻近的吉丹地区至少已确认发现9个陨石坑。亚马尔的驯鹿数量多于人口，这里还拥有俄罗斯最大的天然气储量以及开发这些储量的基础设施。

这些陨石坑的成因尚不确定——没有人亲眼目睹其形成——但研究人员有一个假设：冰状的甲烷和水混合物被困在永久冻土之下和之中，随着它们变暖而膨胀，将地面向上推，直到它喷发。

支持这一解释的是，据报道，在陨石坑首次被发现之前，当地驯鹿牧民听到了巨大的轰鸣声。在现场，研究人员发现了爆炸性高的甲烷浓度，以及散落在数千英尺周边的泥土块。前几年的卫星图像显示，这些陨石坑曾是苔原上隆起的小山丘。

“它们出现且未被真正预测到这一事实告诉我，可能还有我们尚未发现的惊喜，我相信我们很快就会看到，”北亚利桑那大学永久冻土研究员特德·舒尔说。

尽管这些陨石坑以前从未被观察到，但隆起的小山在永久冻土区很常见。使用直升机和卫星进行的系统性调查统计显示，亚马尔和吉丹有7000个这样的土丘，加拿大西北部的图克托亚图克半岛有1350个——按照这个速度，整个北极地区可能轻易存在10万个这样的潜在定时炸弹。大多数很可能是由于霜冻隆起造成的，即饱和土壤中的水结冰膨胀，将地面向上推。但未知数量的土丘可能是即将喷发的甲烷土丘。

快进：我们的碳反馈未来

为了了解永久冻土融化还会带来哪些惊喜，舒尔正在阿拉斯加中部苔原的十几块永久冻土实验性地加速全球变暖。自2008年以来，这些地块，每块大约半个网球场大小，都被被动加热了几度：冬天，周围的围栏会积聚一层隔热的雪毯；夏天，团队会安装开放式、温室状的透明塑料结构，以最大限度地提高温度。

“我们促使永久冻土退化，并观察其影响，试图将苔原推向未来的状态，”舒尔说。

该项目是众多旨在理解永久冻土碳反馈的项目之一：即融化的永久冻土将使长期冷冻的有机物被土壤微生物分解，从而释放温室气体，加速全球变暖。

这一反馈最早在2006年的一篇《科学》论文中被描述。然而，永久冻土碳并未被纳入大多数气候预测。存在太多未知因素，包括永久冻土中含有多少碳、它能多容易降解以及它可能以多快的速度释放。

为了解决这些问题，舒尔的实验性加热研究正与对永久冻土自然融化的观察相结合。科学家们现在系统地测量数百个地点的地温和季节性融化深度。

2015年，舒尔和舍德尔共同撰写了《自然》杂志上的一篇里程碑式论文，该论文综合了现有观测和实验。他们得出结论，一部分永久冻土注定会融化，这将在未来一个世纪向大气中增加约1500亿吨碳。这与土地利用变化（如森林砍伐）预计贡献的量相当，或者大约是化石燃料排放碳量的十分之一。

除了这个不可避免的数量之外，很难预测还有多少永久冻土会融化——主要原因在于这取决于人类的决定。根据2017年《自然气候变化》杂志上的一项研究，如果各国坚持《巴黎协定》，将全球平均气温保持在比工业化前水平高出1.5至2摄氏度（2.7至3.6华氏度），那么与目前变暖轨迹下几乎完全消失的情况相比，55%至70%的永久冻土区可以得到保留。

舒尔说：“如果我们遵循《巴黎协定》，如果我们减少其他地方的排放，那将减缓一切，并有助于将碳留在地下，留在北极现在的位置。”

本文最初以“Something Stirs”为题发表于印刷版。