北極之下：深入美國凍土隧道

艾藍(lán)

福克斯永久凍土隧道是世界上為數(shù)不多的第一手研究地球北部高緯度地區(qū)凍土的地方之一。要進(jìn)入這里，你必須得戴上安全帽，走進(jìn)一座位于阿拉斯加福克斯農(nóng)村地帶，費(fèi)爾班克斯以北16英里處的山中。隧道的入口，就像是放大版的霍比特人的洞穴，或是半圓拱形房屋的橫截面。幾棵稀疏的樺樹和黑色的云杉零星點(diǎn)綴在頂部，隧道門外，一個巨大的制冷裝置像噴氣發(fā)動機(jī)一樣轟鳴著，以阻止隧道內(nèi)部變形或融化。

走進(jìn)凍土隧道

凍土隧道的內(nèi)部比外觀更奇怪，一條金屬步道在覆蓋著厚實(shí)、細(xì)膩、松軟、可可色的塵土的地面上鋪展開，熒光燈和電線懸掛在上方。冰土混雜的墻壁中嵌著千年未腐的動植物組織。正因如此，隧道里聞起來怪怪的，臭氣熏天。土墻看起來像泥土一樣柔軟，但用手電筒敲擊一下，就會發(fā)出叮當(dāng)?shù)穆曇簦袷^一樣堅硬。

永凍層是冰河時代產(chǎn)生的一種奇特的混合物，一種可變形材料，覆蓋北半球大約24%的土地，從青藏高原到西伯利亞，以及北極圈和亞北極區(qū)的北美。現(xiàn)在這些區(qū)域中很多地方都變得很脆弱，并不穩(wěn)定。

很多關(guān)于永凍層的科學(xué)研究都是通過遙感設(shè)備和計算機(jī)模型，或是在老舊的采礦隧道，或者崩塌的河岸暴露出千年冰層的地方，有時需要進(jìn)行手工取樣，費(fèi)勁在地下鉆深洞。研究湖泊和濕地碳排放的美國地質(zhì)調(diào)查生態(tài)學(xué)家金伯利·維克蘭（Kimberly Wickland）說：“事實(shí)上我們大多數(shù)人都是在地上研究永久凍土，想象它在地下的樣子。”福克斯隧道是僅有的2個專門用于凍土科學(xué)研究的地下設(shè)施之一，游客可以真正地在凍土中漫步，另外一個在西伯利亞。當(dāng)維克蘭在2001年第一次走進(jìn)隧道時，她說，如醍醐灌頂一般，那一刻她才真正理解永久凍土是什么。

在這里，來自世界各地的研究者通力合作，進(jìn)行著“上天入地”的研究，從探地雷達(dá)在太空探索中的應(yīng)用（隧道被模擬成火星），到西伯利亞野牛骨頭中的同位素（同位素可能暗示著這些生物滅絕前的遷徙習(xí)慣）。在這里，18000-43000年前的標(biāo)本“唾手可得”，你可以全方位地觀察，可以了解永凍土有多復(fù)雜，有多少仍然未知，可以鉆研和解碼它蘊(yùn)含的關(guān)于地球歷史的大量信息，還可以對它的消失將可能影響地球未來的方式進(jìn)行測試。

事實(shí)上，永久凍土是當(dāng)今全球范圍內(nèi)討論最多的話題，并越來越具有警示性。2019年12月，美國國家海洋與大氣管理局表示，世界用來捕捉和儲存碳的永凍土正在崩潰，并釋放出它曠日長久封存的物質(zhì)。美國國家海洋與大氣管理局的分析表明，全球融化中的永久凍土正在每年向大氣中釋放多達(dá)3億到6億噸的溫室氣體，幾乎與法國或加拿大的工業(yè)和交通活動的排放相當(dāng)。這一發(fā)現(xiàn)像一個警告信號，這也許會形成一個北極自然過程的反饋回路的開始，給氣候變化造成更加深遠(yuǎn)的影響。

氣候變化也在使阿拉斯加的土壤溫度升高，福克斯隧道目前可能擁有這片區(qū)域保護(hù)最良好、最寒冷的永久凍土，但很難預(yù)測這種情況能持續(xù)多久。

關(guān)于凍土隧道的歷史

最初，只有工程師才會關(guān)注到永久凍土，而且它經(jīng)常是個“累贅”。20世紀(jì)初，在費(fèi)爾班克斯周圍，永久凍土是勘探者和地下金礦之間的屏障，礦工們會炸開它或給它解凍，使冰凍的土壤變成淤泥，然后將其挪走來獲取黃金。福克斯隧道現(xiàn)在所處山上較為早期的泥土幾乎都已被金礦工人移走，這也是為什么現(xiàn)在隧道主要用于研究古老的永久凍土的原因。

在其它地方，永久凍土則是個建筑難題。1942年，美國陸軍工程兵團(tuán)派遣10000多名士兵和平民開鑿穿越阿拉斯加?xùn)|部進(jìn)入加拿大的阿拉斯加高速公路，此時工程師們發(fā)現(xiàn)，除非把土壤解凍，不然無法直接在這種材料上修建公路。根據(jù)兵團(tuán)出版的一部歷史著作，此次工程挑戰(zhàn)推動了“寒區(qū)研究要求”的確立，以及后來“寒區(qū)研究和工程實(shí)驗室”（CRREL）的成立，福克斯隧道也屬于CRREL項目，該項目還涉及從融雪模型到濕地植物編目，到隱形飛機(jī)研究等諸多領(lǐng)域。

直到冷戰(zhàn)時期，凍土才開始被視為一種隱形的資產(chǎn)，一個值得科學(xué)探究的對象。美國國防部想知道冰原是否能為軍事基地和行動提供安全位置。在1959年和1960年，美國軍隊在格陵蘭島的雪地之下建造了一座“城市”，名為“世紀(jì)營”，有實(shí)驗室、宿舍、健身房、理發(fā)店，還有核反應(yīng)堆來提供熱量和電力。在這里，他們研究了雪的屬性，并第一次鉆到格陵蘭冰蓋的底部。該營地還預(yù)備實(shí)施“冰蟲計劃”，目標(biāo)是在冰蓋內(nèi)建造數(shù)千英里的隧道，用于儲存彈道導(dǎo)彈和核彈頭。但數(shù)年后，因格陵蘭冰川的運(yùn)動性和不穩(wěn)定，無法支持這樣的系統(tǒng)，項目被取消了。該營地于1966年被廢棄。

福克斯永久凍土隧道曾經(jīng)的目的也很普通。1963年，當(dāng)它第一次被挖掘的時候，只是被設(shè)計用來測試凍土是否能用作地堡或者較小規(guī)模的軍事儲存設(shè)施。永久凍土具有天然的減震能力，理論上可以承受炮擊和轟炸。喬治·斯溫佐是CRREL的實(shí)驗工程部的地質(zhì)學(xué)家，也是隧道的第一批建造者和管理員之一，他曾試圖創(chuàng)造自己“合成版”的永久凍土，名為“永久混凝土”，用于格陵蘭島的極北營地（Camp TUTO）附近新挖掘的另一個隧道，建造柱子、磚塊等地下支架和砌體。斯溫佐后來還寫了一本名為《論冬季戰(zhàn)爭》的巨著，描寫了在寒冷地區(qū)作戰(zhàn)的技術(shù)問題。

在1968年和1969年，美國礦務(wù)局借用了這個隧道，在通道的緩坡測試爆破和鉆孔技術(shù)。隧道最后看起來像一個傾斜的字母“V”。在接下來的20年里，這里進(jìn)行的主要研究依然集中在工程方面，將凍土看作是物理學(xué)的研究對象，一種會影響建筑和管道建造的基底，而未曾使用生物學(xué)的視角。工程師們很快發(fā)現(xiàn)，當(dāng)永凍層接近-1°C時，它會彎曲變形。因此，CRREL在入口處安裝了第一臺制冷機(jī)組，還有一組風(fēng)扇，將冷空氣送回地道，冷卻器使設(shè)備保持在大約-4°C。

當(dāng)被冰凝固的泥土暴露在寒冷的空氣中時，冰會直接升華成水蒸氣，冰消解后，塵土顆粒會散落回地面。當(dāng)你像費(fèi)爾班克斯的古生物學(xué)家一樣在塵土中挖掘時，能找到地松鼠的骨頭，依然帶著一抹綠的千年樹葉，古老的種子和水果，還有甲蟲的甲殼，它們看起來就像最近剛死在你的窗臺上。

到21世紀(jì)初期，由于隧道的灰塵表面看起來能很好地模擬火星——火星也有寒冷的泥土以及它自己的永凍層，研究人員開始在隧道中運(yùn)行火星原型探測車，并使用探地雷達(dá)，來探索尋找火星上的水和冰甚至外星生命的新方法。大約在同期，美國宇航局開始對冰中的微生物感興趣，并研究其中是否可能蘊(yùn)藏著其他星球上的生命形式和功能的線索。在1999年和2000年，美國宇航局的一位天體生物學(xué)家理查德·胡佛對一些微觀的細(xì)絲進(jìn)行了取樣，他認(rèn)為這些細(xì)絲可能屬于有32000年歷史的一段永久凍土隧道中冰封的細(xì)菌。2005年，他宣布了在樣本中的發(fā)現(xiàn)——第一個在古老的冰中依然活著的物種，一種被命名為“更新世肉桿菌”（Carnobacterium pleistocenium）的極端微生物。這一發(fā)現(xiàn)預(yù)示著對永久凍土的新認(rèn)識，這證明生命可以存在于極端的地方。但不祥之兆是，遍布地球的凍土消融有可能會喚醒一些自然生態(tài)過程以及長期休眠的生物體，而它們并非都是良性的。

最后的永久凍土

永久凍土隧道較新的部分，在2011-2018年間挖掘出來，能看到很多冰的“造型”，像抽象的雕塑一樣美麗。在這里，凍土層巨大的橫截面被展示出來。這些美麗的冰其實(shí)是“冰楔”，有些達(dá)4.5米寬。冰楔是當(dāng)水滲入凍土的裂縫時形成的巨大的矛狀物。

新的冰每年夏季在水可以滲透的地方填充進(jìn)缺口，所以冰楔會聚集更多的冰，隨著時間推移而膨脹。它們有著深色、光滑、大理石花紋般的樣式，在隧道的墻壁上綻放。其中一塊奇特的人形冰：有長著尖耳朵的頭，胳膊像翅膀一樣在光亮透明的身體上張開著，腳的形狀像樹根。在這里工作的化學(xué)研究人員托馬斯·道格拉斯感嘆：“這是自然的形狀。它讓我想起達(dá)·芬奇的素描。它看起來多像一只鷹，或一個變成鷹的人。”它大約于25000年前凍結(jié)在這里。這種奇異的造型比比皆是，離人形冰幾英尺遠(yuǎn)的地方有一個橫著的冰管，看起來像一個立體模型，里面有草屑、根部和懸浮的氣泡。這些植物同樣歷經(jīng)千年，但看上去仿佛是昨天有人把它們摘下，放在了玻璃盒子里。

大部分冰塊99%是冷凍水，摻雜著微量的淤泥。但是永久凍土中的鹽在冰的邊緣形成不凍結(jié)的碎片，在這里，生活著另外的微生物。目前，對這些微生物的研究在這座隧道以及在世界其他地方的研究中越來越受關(guān)注，而這是有原因的。在大眾眼中，永久凍土中的微生物就像打不死的小怪獸，是喚醒并傳播流行病的超級細(xì)菌。2016年，西伯利亞的亞馬爾半島暴發(fā)了75年來第一次炭疽疫情，可能是由于熱浪使該地區(qū)的永久凍土解凍，從一具死亡已久的馴鹿尸體中釋放出炭疽孢子而引發(fā)的。至少有20人被感染，一名12歲的男孩死亡。微生物還決定著永久凍土中多少碳會釋放到空氣中，并且有多少會再次貯存在土壤中。2013年，維克蘭和她的一隊合作者來到隧道收集35000年前的永久凍土塊。他們將這些碎屑收集在幾個裝滿干冰的冷卻器中，飛到科羅拉多州的實(shí)驗室，將這些樣本懸浮在水中，然后像過濾茶一樣進(jìn)行過濾，測量有多少二氧化碳從水中析出。“茶水”里的細(xì)菌解凍和蘇醒后，開始分解樣本中的有機(jī)碳，在不到一周的時間里，大約一半的二氧化碳被釋放到空氣中。這是一個令人擔(dān)憂的發(fā)現(xiàn)。科學(xué)家們長期以來一直在爭論永久凍土層的融化會以多快或多慢的速度影響全球氣候。但這項研究表明，古老土壤的變暖可能會在短期時間內(nèi)向大氣產(chǎn)生爆炸式的排放。

但是，也有科學(xué)家想要在新覺醒的微生物群落中找到“救贖”的價值。有些人延續(xù)了胡佛的工作，將更強(qiáng)大的DNA分析引入到了冰中活微生物的研究中，這可能會為太陽系內(nèi)的生命研究發(fā)現(xiàn)新視野。在新罕布什爾州的CRREL實(shí)驗室的土壤微生物學(xué)家羅賓·巴爾巴托，也計劃從隧道中采集樣本用于生物勘探，用來尋找可以幫助改善設(shè)計的微生物，比如生物磚、可持續(xù)的道路建設(shè)材料和防凍劑這樣的東西。巴爾巴托說：“我覺得遙遠(yuǎn)的北方和南方有點(diǎn)像新亞馬遜，具有豐富的生物多樣性。我們可能真的會經(jīng)歷有趣而有用的過程，做出改變讓事情變得更可持續(xù)。”

當(dāng)永久凍土消解或被侵蝕時，將會留下熱融喀斯特地形。幾年之內(nèi)，凍土融化留下的水坑就會變成一個湖，然后坍塌成一個溝谷。費(fèi)爾班克斯在整個2019年的平均溫度是0.33°C，剛剛超過冰點(diǎn)，永久凍土在這種情況下無法存在很多年。在隧道中的一切，越來越像一種被困養(yǎng)的稀有動物，是一種可能很快就會消失的地球形態(tài)。道格拉斯說：“有時我們會開玩笑說，我們終有一天將擁有費(fèi)爾班克斯地區(qū)唯一的永久凍土。”在2020年，他和同事將嘗試其它延長隧道壽命的方法，比如使用太陽能電池板為其冷卻器供電。他們將在2021年底完成擴(kuò)建工程，將隧道的規(guī)模擴(kuò)大一倍。這將使他們能夠從上到下多角度地觀察凍土，并研發(fā)出掃描大規(guī)模凍土的方法。

道格拉斯解釋道，在未來的80年中，僅僅一代人的時間，阿拉斯加大部分近地表的永久凍土?xí)直离x析。“這將從根本上改變水文、植被、積雪、春季融化的時間、熱交換、動物的棲息地，并且基本上會完全改變地貌。” 福克斯面臨的工作就是了解這一損失將會波及的驚世后果，阿拉斯加和所有遠(yuǎn)北地區(qū)“將會變成一個徹底不一樣的地方”。