多年冻土：另一个潘多拉的魔盒？
我们生存的“小破球”，经历了亿万年的演变，有着广阔的地形地貌和丰富的自然资源，人类的生存和发展均依赖于此；各地迥异的美景也为人类的精神世界增加了色彩。地球上有一类地质体，他们远离尘嚣、人迹罕至、偏僻荒凉，然而近些年得到了越来越多的关注，他们是“多年冻土”。
所谓多年冻土（permafrost），是指持续多年冻结的土石层。一个典型的多年冻土见图1: 地表有一些覆盖物（土壤或一些植被），这一层一般会季节性的消融和冰冻，温度变化较为剧烈，所以叫活动层（图1，2）。在其之下是多年冰封的岩石或土壤（图1白灰色部分），即多年冻土，他们的温度较为稳定，维持在0摄氏度以下。所以一般人站在地上是看不到多年冻土层的。有多年冻土的区域大概占北半球陆地的24%，其不止是在极地区域，也分布在高山等海拔较高的区域（比如我国青藏高原地区）。
图1. （左侧）一个典型的极地区域的多年冻土层（自挪威），图自JeffVanuga/Getty。（右侧）冬季和夏季时冻土层和活动层的垂向温度。
冻土层的厚度从高纬到低纬逐渐减薄，以至完全消失。例如，北极的多年冻土厚达百米到千米（图2）。永冻层的顶面接近地面。逐渐向南，多年冻土厚度减到100m以下，永冻层的顶面埋藏变深。大致北纬48°附近是多年冻土的南界，冻土厚度仅1～2m。超过这一界限，就从连续冻土带过渡到不连续冻土带（图2）。后者由许多分散的冻土块体组成，这种分散的冻土块体称为岛状冻土块（图2）。
图2. 多年冻土层从高纬度（左）向低纬度（右）的变化示意图。
多年冻土近年来受到非常多的关注和警惕，首先是因为地表温度在北极和北半球高纬度陆地地区上升非常剧烈，这个现象一般被称作“北极放大”现象。从全球地表温度长期趋势图中（图3）可以非常明显的看到，全球气温上升最快的区域在北极地区和北半球陆地。平均而言北极气温变化趋势是全球平均趋势的2倍！为什么会发生“北极放大”现象依然是一个前沿的研究话题。但陆地变暖速率比海洋上变暖剧烈很好理解：陆地比热容比海洋小，在同样的太阳能量照射下，陆地升温更为剧烈。
图3.1970-2018年全球地表温度上升幅度。
全球地表温度上升最快的区域正是多年冻土主要分布的区域！受全球变暖驱动，冻土层也在不断变暖！图4为过去十年北极地区连续性冻土层、高山冻土层的温度变化。可以看到仅仅10年时间，北极冻土层温度上升了约0.4摄氏度；高山冻土层温度上升了约0.2摄氏度。相比而言，全球平均地表温度过去10年只上升了约0.15摄氏度。
图4.过去十年北极地区连续性冻土层（上）以及高山冻土层（下）的温度变化。图自Biskabornet al. 2019。
多年冻土以及冰盖冰川等相当于地球的“冰箱”：就像家里的冰箱温度低所以食物等有机物质的储存时间较长，所以大量生物包括动物遗体、植物、微生物等被“冰封”到多年冻土里面。两极冰盖封存的东西反而少，因为很少有生物可以在极地生存，南北极地区域大部分区域都是无人、无生物区。可以想象，如果冻土融化，其中封存的东西将被释放出来！那么，这将打开一个“百宝箱”，还是一个“潘多拉的魔盒”呢？？很不幸，大概率是后者：
1、释放温室气体，加剧全球变暖。很多多年冻土中富含有机物（长久以来上层动植物死亡后被埋在地底），冰冻可以减缓永冻层内的有机物分解（参照冰箱里的蔬菜和肉坏的慢）。据估计，多年冻土中的含碳量是大气中的两倍，约为16000亿吨。但是，如果温度上升，多年冻土融化，微生物将迅速分解暴露出来的有机物，同时释放出温室气体：二氧化碳、甲烷、一氧化氮等，加速全球气候变化（Schuuret al. 2015; Biskaborn et al. 2019）。特别是甲烷，甲烷虽然在大气中含量少，且是短寿命温室气体（在大气中十年以内几乎就会被化学反应掉；相比而言，二氧化碳一旦排放到大气，可以停留上千年），但甲烷的温室效应是二氧化碳的30倍！！甲烷的大量释放可以在短期内急剧推升全球气温。而且，这是一个正反馈（permafrost carbon feedback）：多年冻土融化->释放温室气体->全球变暖加剧->多年冻土融化！“潘多拉的盒子”一旦打开，就合不上了！
2、破坏土地稳定性，破坏上层建筑和设施。在接近极地和中低纬度高山区域，很多设施比如公路、房屋等都建设在多年冻土之上。据估计，全球大约350万人生活在多年冻土或邻近区域。一旦多年冻土开始部分消融，上层土地开始变得非常不稳定，滑坡等地质灾害必然会加快，破坏建造在其上的设施。图5是加拿大一个小镇上被不稳定的土地破坏的道路。受不稳定的多年冻土影响的区域还有俄罗斯、阿拉斯加、挪威、中国高原区（青藏高原）等等。
图5. 多年冻土融化破坏其上的道路
（图自Yellowknife.RyersonClark/iStock）。
3、释放出封存在其内的各种污染物、微生物。一些科幻片或者恐怖片中总有这样的情景：在某个深埋地下的隔绝世界中保留着上古时期的怪物，某个nozuo no die的人一不留神释放出这些怪物，然后怪物就开始大开杀戒（ps这种电影中总有睿智的科学家救场）。实际情景当然没这么可怕，但也足够惊悚。最近发表在GRL的一个研究表明：北半球的多年冻土储存了超过150万加仑的汞：这个量是大气、海洋、其余土壤中全部汞含量的两倍（Schusteret al. 2018）！多年冻土的消融将导致这些汞的释放，威胁全球生物和人类，而过去几十年已经观测到了全球多年冻土在释放汞。
由于多年冻土分布区域基本都是荒芜原始之地，环境恶劣，且埋在地底，所以目前人类还知之甚少。目前只能依赖有限的站点观测，还没有针对多年冻土的全面观测系统，因此我们现在还不能确定全球冻土如何变化（需要大范围地下的观测），到底释放了多少碳（土壤和大气间的通量观测，冻土融化后变成径流携带的物质观测）？对多年冻土的计算机模拟水平也较低：目前主流的气候和地球系统模型并不包括对多年冻土的模拟，因此其如何与全球变化相互作用还未完全清晰。这些都限制了冻土变化的观测事实、机制、影响和应对研究。
2013年发布的IPCC-AR5（国际政府间气候变化委员会第五次评估报告）使用的气候模型均没有考虑多年冻土的碳释放以及造成的正反馈（Schaefer et al. 2014）！近些年有些模型开始考虑冻土的消融以及碳的释放（模型假设冻土从上层开始逐步融化、生物质逐步分解并释放温室气体），并预测，在未来300年，冻土融化导致碳释放大约为2000亿吨（相当于200GtC）（McGuire et al. 2018, PNAS）。然而刚刚发表在Nature的Comment文章出来评论：在很多冻土区域（大约占所有冻土区域的20%），因为冻土支撑了上层的土地结构，所以他们一旦开始消融，就会使得地貌坍塌，诱发非线性突变，使得整个或者大部分冻土区域都融化。考虑这些脆弱区域的快速突变，未来300年冻土区融化造成的碳释放将比之前预测的多50%。同时，如果考虑到这些区域甲烷的释放量更多，所以多年冻土消融的影响可能是之前（McGuire et al. 2018）预测的2倍（Turetsky et al. 2019）！!
从上世纪90年代起，国际上多家机构一起建立起了全球陆地冻土观测计划（Global Terrestrial Networkfor Permafrost，GTN-P），目的是建立起针对多年冻土的全球观测网，主要观测变量有两个：一个是冻土温度（Thermal State of Permafrost ，TSP），主要是往地下打钻孔监测；另一个是活动层深度（Active Layer Thickness ，ALT）：活动层加深说明冻土层在融化变小。目前纳入GTN-P的站点见图6，可以看到还是很少的：目前数据库里只有860个站点可观测冻土温度，200个站点有活动层深度观测。
图6. 全球陆地冻土观测计划（Global Terrestrial Network for Permafrost，GTN-P）的长期冻土温度监测站点分布（红色点是深于10米的观测站点、绿色是浅于10米的站点）；对比全球冻土的分布情况（蓝色阴影区域）：深蓝色为连续冻土、浅蓝色是非连续型以及一些零散和孤立的冻土。
前路漫漫，仍需努力！这里致敬所有做地球观测的科研人员，你们的辛苦和挑战推动了科学进步！特别致敬在斯里兰卡爆炸中失去生命的4位英雄海洋科学家！
作者：中科院大气物理研究所 成里京
Read More:
1. Merritt R. Turetsky, et al. (2019): Permafrost collapseisaccelerating carbon release, Nature: https://doi.org/10.1038/d41586-019-01313-4.
2. McGuireet al. (2018): Dependence of the evolution of carbon dynamics in the northernpermafrost region on the trajectory of climate change. PNAS, 115 (15)3882-3887. https://doi.org/10.1073/pnas.1719903115
3. InsideClimateNews: https://insideclimatenews.org/news/16012019/permafrost-thaw-climate-change-temperature-data-arctic-antarctica-mountains-study
4. Biskabornet al. (2019): Permafrost is warming at a global scale, Nature Communications,volume 10, Article number: 264. https://doi.org/10.1038/s41467-018-08240-4
5. Schuster, P. F., et al. (2018):Permafrost stores a globallysignificant amount of mercury. Geophysical Research Letters,45, 1463-1471. https://doi.org/10.1002/2017GL075571.
6. Schuur, E. A. G. et al. (2015):Climate change and the permafrostcarbon feedback. Nature, 520, 171–179.
7. Schaefer, K., Lantuit, H.,Romanovsky, V. E., Schuur, E. A., & Witt, R. (2014). The impact of thepermafrost carbon feedback on global climate. Environmental Research Letters, 9(8), 085003.
来源：中科院大气物理研究所供稿