多年凍土融化或致俄羅斯發電廠柴油罐坍塌!這可怎麼辦?

2020-12-02 騰訊網

◎ 科技日報記者 陳瑜

據媒體報導，多年凍土融化導致俄羅斯諾裡爾斯克市一家發電廠的柴油罐坍塌，21000噸柴油洩露到地面和水中，造成大面積汙染，出現巨大生態災難，該市已宣布進入緊急狀態。

凍土融化和地面建築有無關係？凍土層融化會對凍土層上建造的建築造成什麼威脅？有沒有什麼辦法避免凍土層融化對建築帶來的影響？科技日報記者就此進行了採訪。

多年凍土區是個大致範圍

「凍土，顧名思義，就是溫度在0℃或0℃以下含有冰的各種巖石或土。」中國科學院西北生態環境資源研究院冰凍圈科學國家重點實驗室副主任吳通華說，凍土按其生存時間細分，可分為短時凍土、季節凍土和多年凍土3種主要類型。

圖片來源：視覺中國

短時凍土是指凍結時間在數小時至半個月的巖土層；季節凍土是指凍結時間在半個月至數月的巖土層；多年凍土是指凍結時間在數年至數萬年的巖土層。

「實際上，人們常說的永久凍土表達不科學，科學的名詞只能是多年凍土。」吳通華告訴記者，對多年凍土，國際上公認的科學定義是：溫度在0℃或低於0℃，且至少連續凍結兩年的巖土層。此外，在有些情況下，比如鹽分含量很高的海底、海岸帶、鹽湖周邊地區，土壤溫度低於0℃，但沒有結冰凍結，也屬於多年凍土。

由於埋藏在地下，多年凍土區一般按照年平均氣溫來劃分。連續多年凍土區是指區域內95%的地方都有多年凍土存在的區域，大致年平均氣溫為-6℃—-8℃；不連續多年凍土區是指多年凍土佔區域總面積的50%—90%，大致年平均氣溫在-1℃—-4℃；此外還有多年凍土佔區域總面積50%以下的島狀多年凍土區。

「多年凍土區是個大致的範圍，並不是指實際多年凍土的存在範圍。」吳通華以青藏高原為例介紹，一般認為青藏高原多年凍土區面積是148萬平方公裡，實際上目前最新的研究結果顯示高原多年凍土面積約為106萬平方公裡，相差的42萬平方公裡是多年凍土區內部的融區。目前最新的研究認為，北半球陸地多年凍土區面積約為2100萬平方公裡。

多年凍土主要分布在北半球。但實際上，赤道附近吉力馬札羅山、南美的安第斯山和南極地區也有一些多年凍土分布，只是這些地區的多年凍土面積較小。除了這些陸地多年凍土之外，北冰洋的大陸架下面還有大量的海底多年凍土，估算面積約為230萬平方公裡，其最大的厚度可達100米。北極海底多年凍土是在末次盛冰期形成的，後來隨著海水上升被淹沒，從而變成海底多年凍土。

凍土融化會引發建築工程病害

「由於多年凍土面積巨大，要對其開展大面積保護並不現實，因此只能針對具體建築物和線性工程（如公路、鐵路和輸油管線等）採取不同的措施。」吳通華舉例說，多年凍土區內的美國阿拉斯加、俄羅斯西伯利亞的很多地區有著重要的石油和天然氣資源，相應地建設了大量工程設施。

多年凍土層一般很厚，建築的地基很難穿透，大部分只能直接建立在多年凍土上。多年凍土融化會引起工程病害，導致房屋倒塌、路基和橋梁破壞。在北極圈內，由於氣候變暖加速，多年凍土區的工程病害程度加重，增加了這些工程運行和維護成本。

比如，受凍土融化的影響，西伯利亞的一段鐵路鐵軌已經扭曲變形。火車如果行駛在這樣的鐵軌上，極有可能會發生嚴重的事故。

「目前還沒看到俄羅斯諾裡爾斯克市發電廠柴油罐坍塌的事故報告，不能簡單將事故與多年凍土融化掛鈎。」但吳通華說，可以肯定的是，人類活動加快了多年凍土融化過程。

有沒有什麼辦法儘量減小凍土層融化給建築帶來的影響？

吳通華提到了世界海拔最高、線路最長的高原鐵路——青藏鐵路。青藏鐵路修建時面臨三大難題：跨越500多公裡多年凍土區、高寒缺氧的環境和脆弱的生態，其中最難解決的是凍土問題。

上世紀50年代初期，我國專家就開始研究高原凍土問題，幾代人經過努力，通過3種方法終於解決了這個世界性的難題。

第一種是採用片石通風路基。在路基的底部鋪設1.5米左右的塊石層，冬天冷風從石塊間帶走熱量，夏天石塊為路基遮擋太陽輻射，同時利用高原原有的低溫和強風降低凍土溫度。第二種方法是採用熱棒。青藏鐵路沿線，路基兩旁有兩排碗口粗細，高約2米的鐵棒，整個棒體是中空的，內部灌有液氨，當土壤溫度較高時，液態氨受熱氣化上升到頂部，遇冷後液化釋放出熱量，然後又流回到底部，如此循環往復，降低凍土溫度。第三種方法是以橋代路。面對地質情況更加惡劣的凍土、河流、沼澤等，可以將橋梁樁基深入地下的多年凍土層，以保持線路穩定。

「從目前監測情況來看，青藏鐵路運行十幾年來，路基保持得不錯，這也證明我們的方法是有效的。」吳通華說。

還是減少溫室氣體排放最靠譜

近年來的種種跡象表明，我們的星球正在變暖，這是一個不爭的事實。

此前發表於《科學報告》的一項研究稱，如果將馬、野牛和馴鹿等大型哺乳動物放到北極，它們可能會減緩凍土融化的速度，並在2100年之前恢復其中的80％。

科學家進行了一個實驗：將100隻大型食草動物放牧到一塊北極苔原上，讓它們踩踏積雪，從而達到冷卻土壤的目的。而這個方法似乎是有效的，在1平方公裡的面積內，食草動物平均將積雪高度降低了一半，從而使土壤暴露於上層較冷的空氣中，讓多年凍土重新凍結。

不過阿拉斯加大學國際北極研究中心的氣候專家裡克·託曼對此想法表示懷疑：「用馬、野牛和馴鹿覆蓋數百萬平方公裡的土地，它們排放的溫室氣體先不說，那裡有那麼多資源去養活如此高密度的食草動物嗎？更別說夏季，它們會破壞苔蘚層了。」

「站在科學的角度，我非常認同克·託曼的說法。」吳通華說，儘管大多數人對多年凍土並不熟悉，但在氣候加速變暖的情況下，多年凍土退化與人類活動關係密切。地球自形成以來，環境就一直在變化。同樣，人類自出現以來，也在不斷地影響環境。人類已經在地球上生存了數百萬年，雖然多年凍土退化後，人類也可以繼續生存，但如今的現實情況是，氣候變暖和多年凍土的退化大大超過了正常情況下的速度，人類可能會因此面臨重大挑戰。目前最可行的辦法就是努力減少溫室氣體排放，同時也需要加強相關的基礎研究，加深對未來多年凍土變化及其環境效應的認識，從而為人類適應其變化爭取更多時間，並提出更有效的應對方案和可持續發展路徑。

來源：科技日報

編輯：陳可軒

審核：管晶晶

終審：冷文生

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