瑞士的突破性研究揭示永久冻土层解冻的原因

阿尔卑斯山的永久冻土主要分布在海拔2500米以上，有助于稳定地质不稳的山坡。图片：瑞士伯尔尼阿尔卑斯山的施雷克峰。Kevin Hadley

瑞士科研团队首次准确量化了阿尔卑斯山区永久冻土的解冻程度。他们的研究方法有助于科学家理解气候变化对山区永久冻土的影响，并优化了山体滑坡与岩石崩塌的预测方法。

2017年8月23日上午9点30分后，瑞士和意大利边境阿尔卑斯山岑加洛峰(Pizzo Cengalo)发生严重山体滑坡。超过300万立方米的岩石混合着水向山谷坍塌，造成8人死亡，山谷下的瑞士邦多村(Bondo)部分被掩埋。

邦多山崩是瑞士一个多世纪以来最严重的山崩之一。七年后的今天，司法系统仍在评估当局应该在多大程度上为受害者的遭遇负责。但显然，人类活动引发的气候变化是这场灾难的诱因。

瑞士的冰川迅速融化，在短短两年内体积缩小了10%，这番景象是气候变化最直观的体现。然而，受高温影响的不仅仅是冰川。看不见的永久冻土层--温度持续低于冰点的土壤--也在迅速解冻。瑞士近期的热浪和过去二十年阿尔卑斯山的炎热夏日正在加速这一现象。

永久冻土覆盖了地球近四分之一的表面积，包括在海拔2’500米以上的阿尔卑斯山脉，约占瑞士国土面积的5%。由冰、岩石和土壤形成的这层冻土就像一种“胶水”，可以稳固原本不安全的山坡。

当冻土中的冰融化时，像邦多那样的自然灾害风险便会增加。弗里堡大学自然地理学教授克里斯蒂安·豪克(Christian Hauck)说：”因此，能够测量永久冻土并监测其变化非常重要。”

瑞士在永久冻土研究方面走在世界前列。瑞士于2000年建立了首个国家级监测网络(PERMOS)，1987年开始在瑞士东部的科尔瓦奇峰(Piz Corvatsch)进行的一系列测量，是世界上持续时间最长的山区永久冻土监测项目。

最近，瑞士的永久冻土测量工作达到了另一个里程碑，因为豪克和他的研究团队发明出了一种新型测量方法来量化土壤中冰含量的损失。这种方法不仅适用于阿尔卑斯山，也适用于北极地区，那里的永久冻土解冻会向大气中释放大量温室气体，从而加速气候变化。

测绘土壤图谱以测量永久冻土中的冰含量

在全球范围内应用的一种方法中，研究人员在地面钻探深达100米的孔洞，通过测量永久冻土的温度来研究其演变过程。在瑞士阿尔卑斯山区，有超过20个此类观测点。这些区域的永久冻土每十年变暖约1°C。然而，钻孔作业既复杂又昂贵，尤其是在高海拔地区，而且这种方法无法测定冰含量。

另一种技术是在地表放置电极，并在电极之间传递电流来测量电阻率(电流遇到的阻力大小)。冰的导电性比水差，地下的冰越多，电阻率就越高。

现在，弗里堡大学的研究团队将电阻率测量法与地震传感器结合起来使用，向土壤中发送声波信号。

克里斯蒂安·豪克解释说，他们收集的数据与温度数据结合后，可以测量大面积的永久冻土层，并计算其中的冰含量。“我们得到了永久冻土的三维图像，仿佛对土壤进行了一次层析扫描。”

在瓦莱州的施托克峰测量永久冻土的电阻率。Cryosphere and Geophysics Research Group, University of Fribourg

夏季高温对永久冻土的影响

在瓦莱州马特洪峰附近海拔3’410米的施托克峰山坡上进行的测量显示，2015年至2022年期间，该地区的阿尔卑斯山永久冻土含冰量减少了约15%。

豪克解释说：“这是我们首次量化永久冻土冰含量的损失情况，因此难以判断这个损失是大是小。”

但夏季高温显然会产生负面影响。即使是短时间内的极端高温也会增加所谓“活动层”的厚度，“活动层”是指夏季解冻、冬季再冻结的永久冻土表层。

热量随后向更深处扩散，融化永久冻土层中的冰。根据最近对欧洲各地收集的数据进行的分析，一个比往年更热的夏天，比如2022年的夏天，可能就足以造成山区永久冻土不可逆的流失。

阿尔卑斯山的永久冻土已至无法恢复的境地

一旦夏季融化的冰无法在冬季完全冻结，永久冻土就会步入无法恢复的境地，除非气候发生显著变化，否则原本的冻土条件无法恢复。

豪克解释说，冬季的寒冷已无法深入地下，地下的冰层正在以越来越快的速度融化。他认为，在阿尔卑斯山的许多地方，永久冻土已经达到或接近难以恢复的临界点。

根据地质条件的不同，永久冻土的消失会导致以前不可能发生滑坡和落石的地方出现更多的滑坡和落石。落石对登山者和建在永久冻土层上的基础设施(如高山小屋、滑雪缆车和雪崩屏障)构成威胁。

豪克表示，掌握能够可靠预测永久冻土临界点的测量方法，将有助于提高我们预测自然灾害的能力。

瑞士测量系统在北极同样适用

瑞典于默奥大学生态学和环境科学教授伊尔娃·斯约伯格(Ylva Sjöberg)说，瑞士开发的方法也可直接用于研究北极地区的永久冻土变化。她通过电子邮件写道，例如，这些方法有助于更好地理解永久冻土解冻引发的突发性塌陷或滑坡，而其他方法很难研究这些问题。

北极的永久冻土解冻会破坏道路、天然气管道和电网等基础设施，影响从俄罗斯到加拿大的数百万人，还可能使困在冰层中的古老微生物重新活跃起来。

最重要的是，永久冻土解冻可能会释放大量温室气体到大气中，进一步加剧全球变暖。永久冻土解冻和地面塌陷形成的坑洼会积水成湖。这些新形成的湖泊会成为细菌的理想栖息地，这些细菌会降解永久冻土中的有机物，产生二氧化碳和甲烷等温室气体。

挪威奥斯陆大学地球科学系系主任贝恩德·埃策尔米勒(Bernd Etzelmüller)表示，理论上讲，瑞士发明的测量方法可以识别永久冻土中的大型冰体，并确定可能释放温室气体的地点。他说：“这种方法普适性强，永久冻土的物理演化过程也具有普遍性。”

这些湖泊位于加拿大北极地区，在永久冻土融化导致地面坍塌后形成。C2.0/Steve

永久冻土解冻是一个缓慢的过程

尽管在阿尔卑斯山和北极地区进行了研究，但对永久冻土如何与气候变化相互作用以及永久冻土解冻的后果仍然缺乏研究。

豪克说：“如果永久冻土解冻了会发生什么？土壤会因为有更多的水而变得更湿润，还是会因为融化的水被排干且全球变暖导致水分蒸发而变得更干燥？我们还不太清楚。”

然而，已知的是，永久冻土对气候变化的反应比冰川来得慢，因此存续的时间应该更长。豪克说：“150年或200年后，可能还会有一些。”

但与此同时，永久冻土的缓慢解冻将使更多像邦多村这样的地方面临自然灾害风险，这使得永久冻土监测在未来几十年甚至几百年内都至关重要。