走近神秘的西伯利亞巨型凹坑

走近神秘的西伯利亞巨型凹坑新發現的凹坑坑深入凍土之下50米,是迄今為止發現的最大的凹坑。
攝影:EVGENY CHUVILIN

撰文:MAYA WEI-HAAS
 
  最近,俄羅斯電視攝制組在飛過西伯利亞苔原地帶時,發現了神奇的一幕:凍土上出現一個凹坑,面積超過半個足球場。冰塊和泥土在凹坑旁幾百米遠的地方,被從地表深深的傷痕中拋了出來。
 
  近年來,在西伯利亞北極地區人們發現了不少這樣奇怪的凹坑,最早的出現在2014年,這次發現的是最近的一個。科學家認為,它們是被困在泥土和冰塊的甲烷和碳酸氣爆炸形成的,隨著氣候變暖,這種現象可能越來越普遍。但不確定因素還有很多。
 
  “我們仍然不知道發生了什么,”馬薩諸塞州法爾茅斯伍德維爾氣候研究中心的永久凍土專家Sue Natali說:“其他地方會發生這種現象嗎?”
 
  最近對其他凹坑的研究指向了一種可能的機制:冰火山,噴發的是凍結的泥漿或雪泥,而非熾熱的熔巖。這種現象在太陽系里的其他星球上很常見,比如土星的冰質衛星土衛二。但冰火山在地球上并不多見。通過研究西伯利亞的凹坑,我們或許可以知道那些遙遠的世界里正在發生什么。
 
走近神秘的西伯利亞巨型凹坑
發現凹坑不久后,研究人員就開始進行調查,希望進一步了解它們是怎么形成的。
攝影:EVGENY CHUVILIN
 
  更重要的是,他們的發現突顯出,我們對藍色的地球仍有太多未知,尤其是當科學家繼續應對氣候變暖的后果時。“甚至可能會發生我們從未想到過的情況,”Natali說:“也許發生了很多事情,但我們所知有限。”
 
北極來客
 
  2014年7月,人們發現了第一個西伯利亞凹坑,關于它是如何形成的,眾說紛紜。隕星撞擊?導彈爆炸?外星人?
 
  在那之后,研究人員又發現了15個疑似自然爆炸形成的凹坑。俄羅斯斯科爾特克碳氫化合物回收中心的永久凍土專家Evgeny Chuvilin說,最近發現的第17號凹坑可能是迄今為止最大的一個。但想要研究北極地區的凹坑并不容易,爆炸后的幾個月到幾年時間里,凹坑里滿是水,藏身于當地的諸多湖泊之間。
 
走近神秘的西伯利亞巨型凹坑

  發現這個凹坑后,Chuvilin和同事立即前去采集樣本。這個凹坑位于西伯利亞西北部的亞馬爾半島,在苔原那灰色、黃色和綠色的襯托下,它看上去“有點像個局外人”,Chuvilin說:“靠近新的凹坑,你首先會被它的大小震撼。”近乎垂直的內壁上,緩慢融化的土壤墜入深處,發出聲響——“給人一種有活物存在的感覺”,他說。
 
  Chuvilin在郵件中告訴我們,現在團隊正在“緊急處理”這些樣本,準備把研究結果發表在科學期刊上。
 
  研究人員希望不僅能更好地了解爆炸背后的過程,還能預測未來發生的地點。莫斯科羅蒙諾索夫國立大學的地球化學家Andrey Bychkov一直在研究凹坑,但沒有探查過新出現的這個。他說,爆炸可能給當地人造成威脅,有人稱在新的凹坑附近聽到了爆炸聲,看到了火焰。2017年,據稱有一個凹坑在涅涅茨馴鹿牧民的營地附近爆炸。當地大量油氣基礎設施都可能會被波及。
 
冰爆炸的原料
 
  通過分析其他凹坑,包括對冰壁取樣,我們可以獲得一些線索。2018年,Bychkov和同事提出這樣一種看法:這些爆炸是一種冰火山,其中心由氣、冰、水和泥組成,具有爆炸性。
 
  永久凍土覆蓋了北半球2330萬平方公里的土地,整個夏天通常都是冰凍狀態,凹坑就形成于永久凍土內部。它們似乎始于深處的不凍層,即“居間不凍層”(talik)。居間不凍層常形成于湖底,上面的水加熱并隔離開下面的土地。但隨著周圍永久凍土結冰和融化,湖水也在不斷變化,通常全是水或者完全排干。一旦湖泊排干,地面就會開始結冰。
 
走近神秘的西伯利亞巨型凹坑

  阿拉斯加大學費爾班克斯分校的生態學家Katey Walter Anthony說:“它會從底部、側面和頂部重新凍結,也就是說從各個方向凍結起來。”由于冰的體積比水大,隨著冰的增多,未凍結的泥漿不斷受到擠壓,氣體和水受到壓力被集中到一起,最終形成表面膨脹、疣一樣的小山,即冰核丘(pingo)。
 
  Natali指出,并非所有凹坑都和湖泊有關。其他條件下,也會形成居間不凍層,比如咸度較高的地下區域,水結冰的溫度會降低。一些居間不凍層會通過上升的地下水源源不斷地補充。
 
  在北半球有超過11000個居間不凍層,常見于北極地區。但形成凹坑的爆炸似乎少見得多。人們只在西伯利亞的亞馬爾半島和吉丹半島看到過這種凹坑,而這些爆炸需要一種超量的原料:氣體。
 
  西伯利亞西部蘊藏著豐富的天然氣,其中一些沿著裂縫和多孔區域釋放出來,滲入糊狀的居間不凍層。氣體還有其他可能的來源。微生物吞食著有機物,并釋放出甲烷或碳酸氣。結晶形式的甲烷水合物分解后也會產生氣體。
 
  “可能發生了不止一件事,”Natali說。不同的土丘會產生略微不同的氣體,但這些氣體都起到了同樣的作用:增壓。最終,無論是因為氣體壓力不斷增加,還是上面覆蓋的冰帽不穩定,整個系統在大爆炸中突然崩潰,將泥漿噴射出地面,留下一個邊緣陡峭的凹坑。
 
  “就像開香檳,”Bychkov說。
 
與氣候等其他因素的聯系
 
  研究這些爆炸,或許可以幫助科學家解開太陽系其他天體上的冰爆炸之謎。NASA戈達德太空飛行中心的行星地球物理學家Lynnae Quick專門研究冰火山,她告訴我們,西伯利亞的凹坑很適合模擬矮行星谷神星上的冰火山活動,不同于很多擁有冰火山的冰封世界,谷神星與北極有一些相同的成分。
 
  “谷神星很有趣,因為在這些過程中,有一些巖石土壤成分參與其中,其他冰質衛星則沒有,”Quick說:“我們仍在試著弄清楚那里的情況。”
 
  西伯利亞凹坑的問題同樣沒有解決,比如它們與氣候變化的關系。近年來,北極經歷了多次異常高溫。就在今年夏天,6月20日,俄羅斯小鎮維科揚斯克的氣溫高達38攝氏度,這是當地自1885年有記錄以來的最高氣溫。
 
  自2014年被發現后,這些凹坑似乎在不斷增多,但Walter Anthony說,這種現象可以追溯到幾千年前,而我們只是最近才注意到。飛過這片地區的航班越來越多,而且亞馬爾半島上的人口在急劇增加。“現在,這里有了鐵路和大城鎮,”Bychkov說。
 
  然而,隨著氣溫上升,爆炸可能會更加頻繁,因為融化會使氣體上方的冰帽變得不穩定,從而引發爆炸。融化還會增加地面上下的聯系,形成“煙囪”,地下深處的氣體通過“煙囪”更容易滲入居間不凍層,Walter Anthony補充道。
 
  在大量溫室氣體的排放過程中,每次爆炸釋放出的甲烷和碳酸氣可能微不足道。但Walter Anthony說,爆炸只是“長期現象里的一瞬間”。
 
  氣候變化已經影響了北極,這里變暖的速度至少是地球上其他地方的兩倍。每年,越來越厚的富含碳的永久凍土在融化,在一些地方,即便是冬天,地面也不會再次凍結。融化導致微生物吞食曾經被凍住的有機物,并釋放出碳酸氣或甲烷。這會帶來更嚴重的后果。永久凍土就像蓋子,讓地下深處存儲的甲烷氣體不至于過快地釋放到天空中,Walter Anthony解釋說。隨著永久凍土融化,蓋子上洞越來越多,甲烷會從地表逸散。
 
  Walter Anthony研究了北極湖泊里的這種現象,他指出,最近關于凹坑形成的研究或許能進一步證明,地下深處的氣體已經涌上了地表。“永久凍土就像從一塊切達干酪變成了孔洞更多的瑞士干酪。”
 
  “這是氣候變化中的不確定因素。”

(譯者:Sky4)

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