科學家致力研究危險的永凍層融化現象

2011/12/22 20:05:01 網誌分類: 科技
22 Dec

科學家致力研究危險的永凍層融化現象

2011-12-22 14:43:36 來源於:譯言網

{#9.jpg}

 

 

 

科學家致力研究危險的永凍層融化現象

賈斯汀吉利斯

阿拉加斯州費爾班克斯——冰凍湖面上,有一個氣泡從冰孔裏冒了出來。氣泡破滅了,接著又冒出一個,接著又一個,好像冰層下面某個地方有只鍋在沸騰。

每個破滅的氣泡都散發出一團甲烷,那是一種腐爛的植物殘餘在湖下產生的作用強大的溫室氣體。這些植物上次見到陽光的時間是3000年前,之後一直被深深地封凍在冰裏,直到現在。

這兒是一個熱點,研究甲烷溢出的傑出科學家凱特伊•M•沃爾特安東尼宣稱。幾分鐘後,她俯身走到危險的冰塊邊緣,將一隻瓶子插入水裏提取氣體樣本。

對於努力瞭解地球未來即將來臨的最大謎團之一的科學家來說,這是又一個小的線索。

專家們早就知道北極陸地是冷凍著的碳的倉庫,這種碳在以陷入冰層土壤裏的樹葉、根系和其他有機物質的形式被封閉著。這種冰凍混合物一融化就會產生甲烷和二氧化碳,吸收熱量,暖化地球。不過,近年來發現的有機殘骸的數量如此巨大讓專家們非常吃驚。

最近的一項估計顯示,北半球近四分之一地面以下常年性冰凍層(即永凍層)所含的碳量是整個大氣的兩倍。

科學家認為,這一地區的許多地方氣溫在升高,其主要原因就是人類活動導致的溫室氣體的迅速釋放。永凍層也在變暖。有一部分已經融化,越來越多的跡象表明,冰凍的碳可能趨於不穩定的狀態。

就像你的冷凍箱放的西蘭花,科羅拉多州巨石鎮的國家冰雪資料中心科學家凱文舍費爾說。只要一直放在冷凍箱,就不會有事。可一旦從冷凍箱拿出來,放進冷藏箱,就會解凍,並最終出現腐爛。

如果大量的碳進入大氣,將會加劇全球的暖化進程。一個特別讓人擔心的可能是相當部分的碳並不以二氧化碳(有機物分解時通常形成的氣體)的形式出現,而是在湖泊或濕地情況下化學分解所產生的甲烷氣體。甲烷吸收太陽熱量的能力特別強,所以,北冰洋地區新釋放的大量甲烷氣體成了氣候科學方面最大的未知因素之一。

科學家宣稱,瞭解這一問題為首要的重大課題。美國能源部與歐盟最近承諾,進行新的項目進行這方面的研究,美國航天局也正在考慮一項類似的計畫。不過,研究人員說,與巨大的風險相比,在這方面投入的人力和財力依然太少。

目前,科學家面臨的問題比答案多得多。最近所做的初步電腦分析表明,在北極及次北極地區最終每年釋放碳量相當於目前人類活動所排放的碳量的15%左右。

不過,這些計算刻意比較謹慎保守。最近由41位研究永凍層的科學家所做的一份調查提出了更多非正式的預測。他們估計,如果人類燃燒化石燃料繼續維持在較高水準,地球劇烈變暖,從永凍層釋放的氣體最終每年約相當於目前人類活動導致的排放量的35%

專家們還說,如果人類開始迅速使自身的排放置於控制之下,那麼從永凍層釋放的溫室氣體將有可能被控制在較低而水準上,也許只相當於目前人類排放量的10%

即使在低位元,這些數字也意味著,有關溫室氣體久拖不決的國際談判將有可能變得更為困難,因為留給各個國家繼續燃燒大量化石燃料的餘地越來越小。

在大多數專家看來,首要的擔心並不是永凍層將很快分解——一般估計認為需要超過一個世紀也許幾個世紀的時間——但是一旦分解開始,將無法停止。

澳大利亞負責一項監視全球溫室氣體專案的何塞普•G•卡納德利說:即使只有目前排放量的5%10%,也讓人特別擔心,而達到30%則最為可怕。這將是一個長期排放源,可能持續幾百年的時間。

最近已經出現令人擔憂的趨勢。在北方許多地區,森林大火持續增加,早期研究表明,大規模的燃燒會導致永凍層消融速度進一步加快。

永凍層的興衰

一天,阿拉斯加大學(費爾班克斯)科學家大衛麥圭爾站在懸崖斷臂上,俯瞰巨大的河谷,描繪出這個地區200萬年來的歷史。他說,北美西部和東西伯利亞獨特的地質構造才形成了數量如此巨大植物殘骸被封閉在這裏的冰層裏。

在上一個冰期,這些地區並沒有被冰川覆蓋,但這裏的風很強,氣候非常寒冷。狂風與河流攜帶了沉澱在阿拉斯加和西伯利亞低地大量的淤泥和沙塵。

到了夏季,這種土壤的上面有薄薄一層出現融化,長出草來,吸收二氧化碳。在嚴寒的冬季,草根和葉子甚至動物屍體,還沒有來得及分解就封凍了,這樣便形成了一層又一層的永凍層。

20000年前,冰期達到頂峰,凍土面積遠遠超過了現在,一直延伸到未被冰川覆蓋的南48州的腹部。持反對氣候立場的人士喜歡說這段歷史,稱說現在的永凍層及冰川融化正是上個冰期的最後時期。

以北阿拉斯加的永凍層為例,儘管溫度上升很快,但依然遠遠在冰點以下。一個叫作二氧化碳及全球變化研究中心的組織聲稱,近期永凍層消失的危險並沒有我們曾祖父的時代危險。

儘管主流科學家同樣希望永凍層破裂的速度真的比較緩慢,但他們拒絕接受上述觀點。他們認為,在過去1萬年左右人類文明興起的過程中,氣候是相當穩定的。而在現在,隨著人們燃燒大量化石燃料的碳,地球的溫度不斷上升,北極地區的暖化速度翻番。科學家認為,這種現實情況已經使剩餘的永凍層處於危險之中。

幾十年來,研究人員一直在監測北方的數百處鑽孔處永凍層的溫度。有些地區偶爾會出現長達10年的溫度下降,但是整個趨勢卻呈現持續的快速上升,多數北極地區溫度上升呈現出最快速度。

在北極的南部邊緣地區,融化現象最為明顯。在包括阿拉斯加中部許多地方的廣闊區域,冰凍層溫度一直徘徊在冰點以下不遠位置,預計2020年將開始大規模融化。在北阿拉斯加和北西伯利亞,永凍層的溫度至少維持冰點以下華氏12度,專家人為可以維持更長的時間。

巨石鎮冰雪資料中心主任馬克賽裏澤說:即使溫室氣體讓地球變暖,北極地區的冬季也一樣寒冷黑暗。

科學家需要更好的古代碳素資料資料。到目前為止,加拿大一位名叫查理斯塔諾凱爾與同事一道在2009年發表的估算報告是最好的。根據他們的計算,北方土壤裏有大約1.7億噸的碳,其中88%被封鎖在永凍層。這個數量是大氣中所含碳量的大約2.5倍。

法國傑出科學家菲力浦凱爾斯當時曾寫道,他對這一估計數字感到大為吃驚,因為它對以前的計算數量做了大幅度的上調。

凱爾斯博士寫道:假如地球變暖,土壤中細菌分解有機物的速度加快,釋放二氧化碳來,就會形成正回饋迴圈,加速全球暖化。

甲烷氣體

凱特沃爾特安東尼一直去尋找甲烷,卻沒有找到。

作為阿拉斯加大學(費爾班克斯)一個年輕研究員,她想弄清楚的是,在永凍層融化地區,從湖泊中釋放出來的這種氣體到底有多大的數量。2000年的夏天,她在西伯利亞做現場研究,足跡遍佈各種各樣湖泊周圍的氣井,卻幾乎一無所獲。

後來到了10月,湖泊封凍。在湖面裂紋處夏季很難看到的甲烷氣體忽然變得明顯起來。

我走到冰上,就是這種黑冰,看上去就像佈滿星星的夜空,沃爾特安東尼博士說。到處都可以看到這些泡沫氣團。我終於明白了,啊,全部的甲烷就在這兒。

有機物脫離深凍狀態,就會被細菌吃掉。如果這種物質透氣性很好,呼吸氧氣的細菌就會從事這種分解,碳素將以二氧化碳這種主要溫室氣體的形式進入大氣。但在氧氣非常有限的地方,如湖底或濕地的底部,一種叫甲烷菌的微生物會從事這種有機物的分解,碳以甲烷的形式顯現。

科學家對這兩種氣體都感到擔憂。他們認為大部分碳素將以二氧化碳的形式出現,只有百分之幾部分才被轉化為甲烷。但是,由於甲烷是一種很強的溫室氣體,在最近的研究中41位元科學家預計,這部分甲烷氣體吸收的熱量與二氧化碳所吸收的熱量一樣多。

沃爾特安東尼博士的重要發現是,從湖底冒出的甲烷並不是許多科學家先前想像的那樣,在各個地方向外洩露,而是通過散佈在為數不多但非常活躍的氣柱外泄,有些氣柱每天甚至可以排出許多品脫的甲烷氣體。在一些湖泊中,這種形式占發現的甲烷的絕大部分,但以前的研究並沒有考慮到這些因素。這就意味著可能要對永凍層融化時湖泊釋放的甲烷量進行大幅度的上調。

沃爾特安東尼博士所研究的大部分湖泊是以某種特殊的機制構成的。封凍的永凍層支撐了地面,跟水泥柱子支撐房子的結構幾乎一模一樣。但是融化開始時,有時後地面變成了漿糊狀,整個地表面塌陷成為一種被稱為熱溶喀斯特的低窪區。在那裏可以形成湖泊或濕地,黑色的水面會捕獲太陽的熱量,導致附近更多的永凍層融化。

在熱溶喀斯特附近,由於地下土層結構的快速變化攪亂了樹根,樹木經常七扭八歪地躺在地上,結果就造成了醉酒的森林。溶解現象自成體系,更多古代植物殘骸露出來。

最近一天,氣溫只有華氏11度,沃爾特安東尼與助手艾米斯特倫姆拖著設備,來到菲爾班克斯附近兩個封凍的熱溶喀斯特湖上。秋天一直暖和異常,冰層很薄,發成雷鳴般的嘎嘎響,但還浮得住。在觀測點,甲烷泡沫非常活躍,水沒法結冰。有著六月月身孕的沃爾特安東尼彎身從氣柱上取樣。

這裏的冰比我們想要得到的薄,她說。不要告訴我的婆婆!我自己的母親也不知道。

在從湖泊獲取的甲烷氣體上,沃爾特安東尼博士已經做了多次化學試驗,該氣體種的碳分子可以追溯到3萬年以前。她發現在菲爾班克斯附近,具有同樣長歷史的碳在許多地點出現,而西伯利亞地區湖泊中碳的年齡為4.3萬年。

這些草是上次冰期末哺乳類動物的食物,沃爾特安東尼說。在冷凍箱裏一直存放了4萬年,現在冷凍箱門打開了。

科學家尚無法確定在不斷變暖的氣候下,整個北極地區熱溶喀斯特湖現象會不會變的越來越普遍,如果如此,這種變化將加速永凍層的融化和甲烷的產生。不過他們已經開始看到,在包括阿拉斯加最北部的一些地區,這種現象正在增加。

我們預計,增加了的熱溶喀斯特湖活動可能是一種非常強作用,但我們真的還吧不清楚,阿拉斯加大學(菲爾班克斯)另一位科學家蓋多格勞斯說。他正與沃爾特安東尼合作,研究熱溶喀斯特湖及甲烷滲漏位置的精確位置,希望這個研究小組最終可以利用衛星及航拍技術來檢測甲烷氣體釋放的趨勢。

由於這種工作還處於初級階段,所以研究人員擔心該地區的變化可能已經超過了他們研究或者預測將來情況的能力。

苔原燃燒之時

2007年的一天,在阿拉斯加北方的平原上,一起雷電點燃了苔原上的大火。

從歷史上看,這種由地衣、苔蘚和嬌嫩植物構成的苔原地形因過於潮濕不會燃燒。但是,由於氣候一直在變暖、變幹,阿拉斯加地區的森林與苔原火災正在增加。

Anaktuvuk河大火燃燒了400平方英里的苔原。對湖泊淤泥的研究表明,至少過去5000年來這一地區沒有發生過如此嚴重的大火。

經過計算,科學家發現,這次大火以及引起後續事件向空氣中突然增加巨額的碳量,大約相當於邁阿密這樣規模的城市兩年的排放量。科學家說,這次大火使永凍層頂層發生融化,從而引發了他們對永凍層自地上會出現漂移的擔憂。

到目前為止,平衡來看,北極地區一直在吸收碳,人們曾預計在整個21世紀會繼續保持這種趨勢。但是最近的分析表明,由於永凍層發生融化,在10到20年內北極地區可能變成一個淨碳產出源,而這些研究還未涉及火災。

我一直認為,火災次數增加,是失去永凍層,向大氣中釋放永凍層碳的最快途徑,正在從事Anaktuvuk河火災研究的佛羅里達大學科學家蜜雪兒邁克說。這一災難性的快速途徑,將會徹底改變一切。

科學家需要回答的根本問題是,到目前依然不甚瞭解的諸多因素,到底會加速永凍層的碳釋放——或者延緩碳釋放作用大於他們的估計。

例如,從融化中的永凍層釋放的養分會讓北極地區植物更為稠密,而植物會吸收一些二氧化碳。相反,如果像Anaktuvuk河大火這樣的火災迅速蔓延到正在暖化的北方大地,那麼植被、土壤、泥煤礦和融化了的永凍層中的大量有機物就會付之一炬。

在阿拉斯加做了廣泛實地研究的佛羅里達大學研究人員愛德華•A•G•舒爾對親眼所看到的,包括發現從人類文明前到現在掩埋在地下的碳正在溢出的現象,感到憂慮。

在我看來,很久不在空氣中的古代碳素如果現在真的進入了大氣,則是一種令人毛骨悚然的感覺,舒爾博士說。那是一種重大的覆性事件的印跡,我們沒有有朝一日將其關斷的能力。

回應 (0)
我要發表
user