圖片來源：《自然》雜誌
在北極圈內的一個偏遠半島上，突然出現了一些神秘的大洞，這似乎說明了讓科學家擔心的事情正在地下發生。
編譯 | 石雲雷
審校 | 吳非
來源 | 環球科學
爆炸性登場
北極圈內寒冷的西伯利亞平原上，一場爆炸突然發生，在平原上留下一個巨洞。巨洞的邊緣混雜著破碎的灰色冰塊和凍土塊，其附近的植物根部呈現出被燒焦的跡象。
6年前，直升機飛行員在飛過西伯利亞平原西北部的亞馬爾半島（Yamal Peninsula）時，首次發現了這類巨洞，洞的直徑約20米，深為52米。衛星圖像分析顯示，這個被命名為GEC-1的洞是在2013年10月形成的。這並不是一個孤例，截至目前，科學家在亞馬爾半島和鄰近的吉丹半島（Gydan Peninsula）上已經發現了多達17個巨洞。
究竟是什麼原因導致這片永久凍土上出現了這些洞，以及它們是如何突然形成的，在很大程度上仍然是個謎團。
對於許多研究北極的科學家來說，這是一個令人不安的跡象，它表明地球北部這片寒冷、人煙稀少的土地，正在發生一些根本性的變化。Evgeny Chuvilin是斯科爾科沃科技學院的一位地質學家，他特意飛到亞馬爾半島上的這一僻遠角落來一探究竟。他對巨洞的形成倍感困惑，而一個深度接近50米的巨洞似乎包含了解決這一謎團的關鍵信息。
圖片來源：AP Photo/Associated Press Television
近期的一些研究為這種現象提供了線索。目前可以明確的是，這些巨洞的形成原因並不地表下的永久凍土融化、移動或逐漸下沉，而是爆炸。「在爆炸發生時，大塊的土壤和冰塊被拋離至離中心區域數百米的地方，」Chuvilin說，「這種巨大的力量是由很高的壓力造成的。而為什麼會出現這樣的高壓，還是一個謎團。」
一些科學家比較了這些巨洞與冰火山（cryovolcanoes，噴射冰而不是巖漿的火山，存在於冥王星、土衛六和穀神星上）。隨著更深入地了解到這些巨洞的演化階段，他們開始將它們稱作「氣體排放環形山」（gas emission craters）。這個名字也提示了這些大洞是如何形成的。Chuvilin說：「對衛星圖像的分析表明，一次爆炸會在冰丘或土堆所在的地方形成一個巨大的洞。」
奇特的巨洞
冰丘（Pingo）是一種圓頂狀的小山。當凍土層下方的水開始凍結，會將其往上推，使其膨脹成一個土堆。但在北極圈內的大部分地區，這些土堆最終都會塌陷。但西伯利亞西北部的這些土堆並不相同。Chuvilin解釋說，它們膨脹得「非常快，會上升到數米高」，然後突然爆炸。讓土堆膨脹隨後爆炸的並不是凍結的冰，而似乎是積累的下層氣體。
莫斯科國立大學的巖相學家Alexander Kizyakov表示，從氣體累積到爆炸形成巨洞的周期只有3~5年的時間。在離亞馬爾半島不遠的喀拉海海底，科學家也發現了類似的氣體排放形成的土堆和巨洞，另外在巴倫支海也找到了類似的跡象。但是截至目前，他們還沒有在北極圈內的其他陸地上發現類似的現象。
亞馬爾半島的永久凍土中的一些成分，使它們容易爆炸形成巨洞。這裡具有一些典型的地質特徵：上層通常是一層很厚的冰，被稱為平頂冰（tabular ice），它能在永久凍土層上形成蓋層。這一區域還含有特徵性的溼寒土（cryopeg），它由永凍層包圍未凍結的土壤組成——就像一種永凍層「三明治」。而第三個特徵是該地區的地下深處儲藏著天然氣和石油。
圖片來源：Skolkovo Institute of Science and Technology
研究人員發現在巨洞底部的水裡，甲烷的含量升高，這表明甲烷可能正在從下面冒出來。一個主流的理論是，來自永久凍土層下方的甲烷氣體通過一些途逕到達了冰層下未被凍住的土壤中。另一個觀點認為，當溼寒土中的水開始結冰時，其中溶解的高濃度二氧化碳會開始溢出。
Chuvilin表示甲烷和二氧化碳的另一種來源可能是未凍結土壤中的大量微生物，它們能分解有機物質並釋放氣體。研究人員對一個巨洞進行的甲烷同位素分析實驗，似乎也證實了這一點。但是，在近期形成的巨洞底部的水中，產生甲烷的微生物的活性特別低。
但是甲烷也可能從冰中洩露出來。被封存在永凍層中的氣體，會和水組成一種奇怪的凍結狀態，稱為氣體水合物（gas hydrate）。當冰融化時，氣體就會被釋放。「研究人員認為這些巨洞的形成可能存在不同的機制，很難用單一的模型來描述，」Chuvilin說，「巨洞的形成很大程度上取決於環境和地形。」他指出，目前至少發現了一個在河床形成的巨洞。
發現更多巨洞
當它們最終爆炸時，場面看起來確實很壯觀。氣體上方的泥土、冰以及大部分未凍結的物質，被甩到300米外的地方。由於作用力太大，被拋出的土塊直徑可達到1米。洞的周圍會形成一個「護欄」，洞口比洞身更寬。根據當地的牧民報告，當2017年6月米烏德裡亞卡河岸邊的一個洞爆炸時，他們看到了火焰和煙霧。距離洞口以南約33千米的塞亞卡附近的村民稱，氣體持續燃燒了大約90分鐘，火焰達到了4~5米高。
雖然這一區域人口稀少，但在如此接近居住點的地方發生爆炸，也足以引發了人們的擔憂。除此之外，這塊地區還遍布著石油和天然氣基礎設施管道。這些管道正在嘗試開採埋在永久凍土層下的化石燃料。
北極生態學家 Sue Natali說：「一旦我們發現類似的巨洞，就會利用高解析度衛星圖片，來弄清楚它們是什麼時候形成的。」他們的研究表明，這一區域的巨洞似乎比之前認為的更多。「我們已經確認並驗證了兩個新的巨洞的位置，並且正在檢查20多個『非常有可能』是大洞的位點。她的研究團隊希望能夠收集足夠的數據，讓這一搜索過程自動化。而她們的最終目標是創建一種算法，通過衛星圖像尋找可能的氣體排放堆，在大洞形成前預測出它們的位置。
想要弄清楚這些大洞的存在有多普遍，或將是一個緩慢的過程。在爆炸之後，大多數巨洞似乎也會很快消失。在Seyakha村附近，一個直徑70米、深度超過50米的巨洞由於它靠近河邊，在短短的4天裡就充滿了水。從巨洞過渡到湖泊，似乎是一個不錯的結局。
其他巨洞需要更長的時間才能被水淹沒，但經過一兩年的時間，這些洞的邊緣會被腐蝕，它們會充滿水，最終變得與其他成千上萬的圓形小湖泊並無區別。這類湖泊也被稱為熱喀斯特湖（thermokarst lakes），它們點綴在這塊土地上。而究竟有多少湖泊是氣體排放形成的巨洞，目前尚不清楚。
未來的影響
科學家想要知道巨洞存在的情況有多普遍，不僅僅是出於好奇心。他們擔心這一現象的出現，可能與北極更大範圍的氣候變化有關。北極空氣的變暖速度是全球平均值的2倍，這一地區的永凍層在夏季的融化量也正在增加。
這正在改變北極的地貌，導致土壤下沉和類似解凍滑坡（thaw slumps）的現象出現。巴塔蓋卡巨型塌陷（the Batagaika megaslump）就是西伯利亞的一處大型解凍滑坡，它從20世紀60年代的一條溝發展成了直徑近900米的深坑。Natali說:「據我所知，地球上還沒有其他一個地方的氣候變化，導致地面的地質結構發生了變化。」
北極永久凍土層中含有大量的碳，大約是目前大氣中碳含量的2倍。它主要以植物和其他有機質的冰凍殘留物形式存在，此外，其中還有被困在冰晶中的甲烷。隨著地面解凍，微生物可以分解有機物，並釋放出甲烷和二氧化碳。與此同時，困在冰中的甲烷也會被釋放出來。作為一種強效溫室氣體，這些甲烷有可能加速全球變暖，從而導致更多的凍土融化。
亞馬爾半島上的這些巨洞或增加了另一個氣候變化過程的可能性，而後者可能通過一個複雜的反饋迴路，增加氣溫上升、永久凍土融化和溫室氣體排放的可能性。如果事實證明，深埋在永凍層下面的甲烷沉積物開始通過一般無法被穿透的永凍層向上滲透，這將會是凍原上的凍結冰蓋變得更具滲透性的一個跡象。而北極變化如何影響更廣泛的全球變暖，也將具有新的不確定性。
「這些巨洞的出現是一個非常令人震驚的跡象，它表明北極正在發生更廣泛的變化，」Natali說，「當你觀察這塊區域的變化時，有些是逐漸發生的，而有些則是突然發生的，很少出現爆炸性的變化。而這一現象也引起了人們的擔憂，考慮到它將如何影響大氣中溫室氣體變化。」
原文連結：
https://www.bbc.com/future/article/20201130-climate-change-the-mystery-of-siberias-explosive-craters
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