地球“冰箱”是潘多拉魔盒吗?

2017年02月13日08:34 来源:南方日报

 

  春天的脚步来临,万物开始复苏,但埋藏在遥远的西伯利亚、北极圈以及青藏高原等地的永久性冻土,却只是象征性地“活动”一下它的周边地区,哪怕经历一个夏季,它也不会完全“复苏”,当然,如果它要开始“复苏”,带来的恐怕不是生机,而可能是灾难。

  2016年9月,西伯利亚爆发了大规模的炭疽疫情,起因正是冻土融化暴露了一只被冻土层已冰住75年的病死驯鹿,从而释放了病菌。

  生化电影里的开头来到了现实中,造成了几千只驯鹿死亡,近百人就医。俄罗斯甚至准备扑杀25万只驯鹿,而疫情爆发的亚马尔半岛,驯鹿数量是30万只。

  冻土被形容为一个大冰箱,里面冰冻着土壤、岩石、水以及各种有机生物。随着近年来的全球变暖,一些永久性冻土开始解冻,这将给生态环境带来各种各样的潜在问题。本期科技能见度将“解剖”冻土,解析它们将会如何影响我们。

  1 我国多年性冻土占陆地面积22.4%

  对于冻土,在北方生活过的人们并不陌生。当大地被寒冬封住的时候,以往松软的土地,变得如岩石一般僵硬,费力刨开之后,土壤中夹杂着白色的冰晶。这其实就是冻土。

  只不过,这种冻土在寒冬之后,便开始“舒展筋骨”——土壤中的冰融化,重新让土壤变得柔软湿润,这种被称为短时冻土或者季节性冻土,与之相区别的是那些任凭春夏秋冬四季轮换、昼夜交替,都永远将温度保持在零摄氏度以下、从未解封的多年性冻土。

  在全球,冻土的分布极其广泛,在北半球从北纬26°的喜马拉雅山脉至北纬84°的格陵兰岛北部都有分布,大约占地球陆地面积的26%。

  世界多年性冻土主要分布在欧洲及亚洲的北部、北美洲、北极洋浅大陆架,以及中低纬度地区的高山、高原。例如,落基山、安第斯山、乞力马扎罗山及我国的青藏高原等。

  欧亚大陆是全球面积最大的大陆,它的多年性冻土面积也是最大的,据统计约为1500万—1600万平方公里。欧亚大陆多年性冻土区域西起挪威、芬兰,东到白令海峡沿岸,几乎与半个极圈相等,南北跨越近35个纬度。在北极附近,冻土层厚达400米—900米,冻土温度低达-9℃—-5℃,最深处可达1400米。其次是在北美大陆,加拿大与美国均有较大面积的多年性冻土分布。

  极地区域冻土出露地表,厚达千米以上,年平均地温-15℃;到北纬60°附近,冻土厚度百米左右,地温升至-5℃—-3℃;至北纬约48°的冻土分布南界,冻土厚度仅数米,地温接近0℃。

  在我国,多年性冻土占陆地面积的22.4%,约215万平方千米。一些低纬度地区的高海拔地带也存在大面积的多年性冻土,比如青藏高原。拥有全世界最大范围常年冻住的高海拔永久冻土,这也是当年青藏铁路建设面临的主要困难之一。我国的永久冻土还分布于黑龙江北部及大、小兴安岭。即使在中纬度地区,也存在着可能结冻数小时或数日不等的短时性冻土。

  高纬度多年性冻土集中分布在大、小兴安岭,面积38万—39万平方公里。因受地形及海拔高度影响,它的南界呈“W”型分布,沿大、小兴安岭延伸方向明显向南突出;在松嫩平原北缘向北突出,两者相差近两个纬度。

  高海拔多年性冻土分布在青藏高原、阿尔泰山、天山、祁连山、横断山、喜马拉雅山以及东部某些山地,如长白山、五台山等,其中青藏高原多年冻土面积为150万平方公里,其他山地的冻土面积约为27万平方公里。

  2 冻土中含细菌真菌等多种微生物

  一万年前灭绝的猛犸象,曾是陆地上最大的哺乳动物,在如今的众多影视作品中,人们也再现了其威猛的身姿,而在西伯利亚的永久冻土层中,人们多次发现其被冰封的遗体。

  2012年4月,俄罗斯西伯利亚雅库特地区发现了一具幼年猛犸象尸体。这头生活在1万多年前的猛犸象在冰雪覆盖下,保存得几乎很完美,眼睛、脚掌和体内器官都在原来的位置上。

  2013年6月,一支俄罗斯古生物学家小组在西伯利亚中部北冰洋沿岸的利亚霍夫群岛发现了猛犸象血液冰冻样本,人们甚至希望能借此复活这一史前巨兽。

  实际上,广泛存在于地球陆地的永久性冻土就像是地球的一个冰箱,里面保存着大量的有机物。然而,并不是所有的有机物都是像这头猛犸象一样让人兴奋,“冰箱”里有些东西,带来的则是威胁。打开这扇冰箱的“门”,有可能是打开一个潘多拉盒子——就像本文开头提到的那只冻土中带有炭疽病毒的驯鹿,时隔75年仍对人们造成了巨大威胁。

  早有研究指出,这种永冻层中“冷冻”的炭疽芽孢可保持活性达105年,如果掩埋深度增加,细菌或许能够存活更久。

  2014年,由于冻土带融化,深埋在俄罗斯永久冻土里长达3万年的巨型病毒被隔离并重新激活。这种“西伯利亚阔口罐病毒”,它的繁殖方式与天花相似。其中,阿米巴变形虫被团队选做实验材料,证明了这种病毒仍具有感染性,但对人畜无害。

  但尽管如此,现在这个巨型病毒从永久冻土层里复活,仍可能是潜在的伤害病原体,或包括人类从未接触过的病毒。发现该巨型病毒的小组负责人、法国马赛艾克斯马赛大学的香特·埃伯加表示,可能还存在其他病原病毒的猜测也不是没有道理的。

  在冻土环境中,包括古菌、细菌、真菌在内的多种微生物,且都在进行着各种代谢活动。对加拿大近北极冻土层古菌群落结构的研究表明,广古菌占61%,泉古菌占39%。对冻土区活动层与冻土层的调查显示,细菌具有较高的生物多样性,主要的优势类群包括放线菌、变形菌、酸杆菌、芽单胞菌。近期对北美北极冻土区真菌群落结构组成与分布的研究显示,该区真菌序列主要属于子囊菌门和担子菌门两大类,分别占真菌总数的16.1%和83.9%。

  不难想象,一旦这些“冰箱”里的细菌、病毒重见天日,将会给人类社会带来巨大的威胁。

  3 冻土融化可加剧全球温室效应

  气候变暖已然成为世界各国角力的重要议题,共同应对温室气体排放导致的全球气候变暖问题也已深入人心。不断升高的全球温度除了让冰川融化,促进海平面上升之外,也使得这些永久性冻土开始“蠢蠢欲动”。

  在西伯利亚,人们不断发现由于冻土解冻而导致的地面沉陷,最终形成一个个大坑或融湖。而且,在这些解冻的冻土里面还涌现出大量的甲烷气体。

  随着冻土融化,储存于冻土中的土壤有机碳被释放到活动层,被土壤中的微生物充分利用,并由于土壤温度的增高,其代谢进一步加强,加速了土壤有机碳的分解,导致大量温室气体进入大气,从而可能会对全球气候变暖产生正反馈作用。

  据最新研究估计,冻土土壤的含碳量约占全球地下有机碳库50%,超过了植被和大气含碳量的总和。冻土是陆地生态系统中最容易受到外界变化影响的碳库,起着碳源与碳汇的作用。因此,对于维持全球碳平衡具有至关重要的作用。

  研究表明,环北极冻原地带每年释放的甲烷约占全球产生甲烷的6%,其对全球温室效应的贡献值却高达20%左右。随着全球变暖,冻土区已开始融化,伴随着冻土融化,冻土活动层的厚度增加,大量的土壤有机碳将由冻土释放到大气中,而这一过程,主要是通过微生物的分解作用来完成的,通过微生物的分解所产生的二氧化碳和甲烷等温室气体被排放到大气中,冻土将由碳汇逐渐转化为碳源,在一定程度上将会进一步加剧全球温室效应。

  在自然界中,甲烷水合物在两极地区的永冻层以及大陆架一带的海床下均有相当广泛的分布,环境和温度的变化促使甲烷气体从中分离。与等量的二氧化碳相比,甲烷的增温效果要高出10—20倍。

  文章称,目前仅东西伯利亚北极大陆架海床中就有约500亿吨的甲烷以水合物的形式存在,研究模型假定以现有北极冻土融化速度,这些甲烷将在10年内全部挥发,若直接释放到大气层,将使全球温度在未来15年—35年内升高2℃左右。这将加速全球变暖,导致发展中国家受到最严重影响。

  文章称,若不采取任何措施,仅俄罗斯北侧东西伯利亚海下方的永久冻土融化就可能造成60万亿美元的经济损失,而整个北极地区的经济损失数目将会更加难以想象。

  4 冻土“可燃冰”能成为石油等接替能源

  当然,这些蕴含在冻土中的有机碳以及甲烷,并不是完全有害的,甚至还可能解决人类燃料枯竭的问题,其中最为熟知便是“可燃冰”。

  近日,经10余年技术攻关,吉林大学科研团队研发出陆域天然气水合物冷钻热采关键技术,填补了国内该领域空白,前不久获得2016年国家技术发明奖二等奖。

  天然气水合物,又称可燃冰,分布于深海沉积物或陆域永久冻土中,是由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状结晶物质。其燃烧后仅会生成少量的二氧化碳和水,污染性比煤、石油、天然气小很多,但能量高于煤、石油、天然气10倍。

  对于多年冻土区可燃冰的形成,重要的因素是地热梯度、气体组分、孔隙流体盐度、孔隙压力等,其中地热梯度和气体组分最为重要。这两个因素决定了多年冻土区可燃冰形成的温压条件和储藏量。

  迄今为止,在美国阿拉斯加北坡、俄罗斯西伯利亚以及加拿大马更些三角洲的多年冻土区都发现并获取了可燃冰样品,且多发育在多年性冻土层300米—600米深处。

  并且,可燃冰储量巨大,据估计,天然气水合物中所含有机碳的总资源量相当于全球已知煤、石油和天然气总量的两倍,被国际公认为石油、天然气的接替能源。虽然可燃冰主要分布于海底,但是陆地上的永久性冻土中的蕴藏量也不可小觑。

  经过10余年技术攻关,我国科研团队攻克了高海拔和严寒地区施工等多项技术难题,成功研发了国内外首创的具有自主知识产权的水合物冷钻热采关键技术,主要技术指标超过国外同类技术。

  在海拔4000米的青海省木里盆地,科研团队利用该技术首次钻获了我国陆地天然气水合物实物样品,并成功实现了陆地天然气水合物试开采,打破了国外水合物钻探取样技术的垄断,填补了我国陆域天然气水合物钻采技术的空白。

  中国地质学会聘请中国工程院院士苏义脑、康玉柱,中国科学院院士李廷栋等对项目研究成果进行鉴定并作出评价:天然气水合物的钻采是非常规天然气开发中的世界性难题,该项目针对这一重大战略性技术储备需求进行技术攻关,为我国陆域天然气水合物的重大发现和成功试采提供技术支撑,总体达到国际先进水平。

  分布在哪里

  全球概况:

  在北半球从北纬26°的喜马拉雅山脉至北纬84°的格陵兰岛北部都有冻土分布,约占地球陆地面积26%。

  中国概况:

  多年性冻土占我国陆地面积22.4%,约215万平方公里。

  高纬度多年性冻土集中分布在大、小兴安岭,面积38万—39万平方公里。高海拔多年性冻土分布在青藏高原、阿尔泰山、天山、祁连山、横断山、喜马拉雅山以及东部某些山地,如长白山、五台山等。

  冻土中有啥

  冻土中冰冻着土壤、岩石、水以及各种有机生物,其中包含古菌、细菌、真菌在内的多种微生物,且都在进行着各种代谢活动。同时,还有大量天然气水合物。

  会有啥影响

  弊端:

  研究表明,环北极冻原地带每年释放的甲烷约占全球产生甲烷的6%,其对全球温室效应的贡献值高达20%左右。此外,如果冻土中的细菌、病毒重见天日,将会给人类社会带来巨大威胁。

  益处:

  冻土中天然气水合物所含有机碳的总资源量相当于全球已知煤、石油和天然气总量的两倍,被国际公认为石油、天然气的接替能源。

  我国新技术

  近日,经过10余年技术攻关,吉林大学科研团队研发出陆域天然气水合物冷钻热采关键技术,填补了国内该领域空白。

  与国际上通用的“被动式保压保温取样”钻探原理不同,新技术首次提出“主动式降温冷冻取样”原理,发明了钻井泥浆强化制冷方法、水合物孔底快速冷冻取样方法和高温脉冲热激发开采技术,主要技术指标超过国外同类技术。(记者 王腾腾)

(责编:许心怡、权娟)

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