新发现的凹坑坑深入冻土之下50米，是迄今为止发现的最大的凹坑。
摄影：EVGENY CHUVILIN
撰文：MAYA WEI-HAAS 最近，俄罗斯电视摄制组在飞过西伯利亚苔原地带时，发现了神奇的一幕：冻土上出现一个凹坑，面积超过半个足球场。冰块和泥土在凹坑旁几百米远的地方，被从地表深深的伤痕中抛了出来。 近年来，在西伯利亚北极地区人们发现了不少这样奇怪的凹坑，最早的出现在2014年，这次发现的是最近的一个。科学家认为，它们是被困在泥土和冰块的甲烷和二氧化碳气体爆炸形成的，随着气候变暖，这种现象可能越来越普遍。但不确定因素还有很多。 “我们仍然不知道发生了什么，”马萨诸塞州法尔茅斯伍德维尔气候研究中心的永久冻土专家Sue Natali说：“其他地方会发生这种现象吗？” 最近对其他凹坑的研究指向了一种可能的机制：冰火山，喷发的是冻结的泥浆或雪泥，而非炽热的熔岩。这种现象在太阳系里的其他星球上很常见，比如土星的冰质卫星土卫二。但冰火山在地球上并不多见。通过研究西伯利亚的凹坑，我们或许可以知道那些遥远的世界里正在发生什么。
发现凹坑不久后，研究人员就开始进行调查，希望进一步了解它们是怎么形成的。
摄影：EVGENY CHUVILIN
更重要的是，他们的发现突显出，我们对蓝色的地球仍有太多未知，尤其是当科学家继续应对气候变暖的后果时。“甚至可能会发生我们从未想到过的情况，”Natali说：“也许发生了很多事情，但我们所知有限。”
北极来客
2014年7月，人们发现了第一个西伯利亚凹坑，关于它是如何形成的，众说纷纭。陨星撞击？导弹爆炸？外星人？
在那之后，研究人员又发现了15个疑似自然爆炸形成的凹坑。俄罗斯斯科尔特克碳氢化合物回收中心的永久冻土专家Evgeny Chuvilin说，最近发现的第17号凹坑可能是迄今为止最大的一个。但想要研究北极地区的凹坑并不容易，爆炸后的几个月到几年时间里，凹坑里满是水，藏身于当地的诸多湖泊之间。
发现这个凹坑后，Chuvilin和同事立即前去采集样本。这个凹坑位于西伯利亚西北部的亚马尔半岛，在苔原那灰色、黄色和绿色的衬托下，它看上去“有点像个局外人”，Chuvilin说：“靠近新的凹坑，你首先会被它的大小震撼。”近乎垂直的内壁上，缓慢融化的土壤坠入深处，发出声响——“给人一种有活物存在的感觉”，他说。
Chuvilin在邮件中告诉我们，现在团队正在“紧急处理”这些样本，准备把研究结果发表在科学期刊上。
研究人员希望不仅能更好地了解爆炸背后的过程，还能预测未来发生的地点。莫斯科罗蒙诺索夫国立大学的地球化学家Andrey Bychkov一直在研究凹坑，但没有探查过新出现的这个。他说，爆炸可能给当地人造成威胁，有人称在新的凹坑附近听到了爆炸声，看到了火焰。2017年，据称有一个凹坑在涅涅茨驯鹿牧民的营地附近爆炸。当地大量油气基础设施都可能会被波及。
冰爆炸的原料
通过分析其他凹坑，包括对冰壁取样，我们可以获得一些线索。2018年，Bychkov和同事提出这样一种看法：这些爆炸是一种冰火山，其中心由气、冰、水和泥组成，具有爆炸性。
永久冻土覆盖了北半球2330万平方公里的土地，整个夏天通常都是冰冻状态，凹坑就形成于永久冻土内部。它们似乎始于深处的不冻层，即“居间不冻层”（talik）。居间不冻层常形成于湖底，上面的水加热并隔离开下面的土地。但随着周围永久冻土结冰和融化，湖水也在不断变化，通常全是水或者完全排干。一旦湖泊排干，地面就会开始结冰。
阿拉斯加大学费尔班克斯分校的生态学家Katey Walter Anthony说：“它会从底部、侧面和顶部重新冻结，也就是说从各个方向冻结起来。”由于冰的体积比水大，随着冰的增多，未冻结的泥浆不断受到挤压，气体和水受到压力被集中到一起，最终形成表面膨胀、疣一样的小山，即冰核丘（pingo）。
Natali指出，并非所有凹坑都和湖泊有关。其他条件下，也会形成居间不冻层，比如咸度较高的地下区域，水结冰的温度会降低。一些居间不冻层会通过上升的地下水源源不断地补充。
在北半球有超过11000个居间不冻层，常见于北极地区。但形成凹坑的爆炸似乎少见得多。人们只在西伯利亚的亚马尔半岛和吉丹半岛看到过这种凹坑，而这些爆炸需要一种超量的原料：气体。
西伯利亚西部蕴藏着丰富的天然气，其中一些沿着裂缝和多孔区域释放出来，渗入糊状的居间不冻层。气体还有其他可能的来源。微生物吞食着有机物，并释放出甲烷或二氧化碳。结晶形式的甲烷水合物分解后也会产生气体。
“可能发生了不止一件事，”Natali说。不同的土丘会产生略微不同的气体，但这些气体都起到了同样的作用：增压。最终，无论是因为气体压力不断增加，还是上面覆盖的冰帽不稳定，整个系统在大爆炸中突然崩溃，将泥浆喷射出地面，留下一个边缘陡峭的凹坑。
“就像开香槟，”Bychkov说。
与气候等其他因素的联系
研究这些爆炸，或许可以帮助科学家解开太阳系其他天体上的冰爆炸之谜。NASA戈达德太空飞行中心的行星地球物理学家Lynnae Quick专门研究冰火山，她告诉我们，西伯利亚的凹坑很适合模拟矮行星谷神星上的冰火山活动，不同于很多拥有冰火山的冰封世界，谷神星与北极有一些相同的成分。
“谷神星很有趣，因为在这些过程中，有一些岩石土壤成分参与其中，其他冰质卫星则没有，”Quick说：“我们仍在试着弄清楚那里的情况。”
西伯利亚凹坑的问题同样没有解决，比如它们与气候变化的关系。近年来，北极经历了多次异常高温。就在今年夏天，6月20日，俄罗斯小镇维科扬斯克的气温高达38摄氏度，这是当地自1885年有记录以来的最高气温。
自2014年被发现后，这些凹坑似乎在不断增多，但Walter Anthony说，这种现象可以追溯到几千年前，而我们只是最近才注意到。飞过这片地区的航班越来越多，而且亚马尔半岛上的人口在急剧增加。“现在，这里有了铁路和大城镇，”Bychkov说。
然而，随着气温上升，爆炸可能会更加频繁，因为融化会使气体上方的冰帽变得不稳定，从而引发爆炸。融化还会增加地面上下的联系，形成“烟囱”，地下深处的气体通过“烟囱”更容易渗入居间不冻层，Walter Anthony补充道。
在大量温室气体的排放过程中，每次爆炸释放出的甲烷和二氧化碳可能微不足道。但Walter Anthony说，爆炸只是“长期现象里的一瞬间”。
气候变化已经影响了北极，这里变暖的速度至少是地球上其他地方的两倍。每年，越来越厚的富含碳的永久冻土在融化，在一些地方，即便是冬天，地面也不会再次冻结。融化导致微生物吞食曾经被冻住的有机物，并释放出二氧化碳或甲烷。这会带来更严重的后果。永久冻土就像盖子，让地下深处存储的甲烷气体不至于过快地释放到天空中，Walter Anthony解释说。随着永久冻土融化，盖子上洞越来越多，甲烷会从地表逸散。
Walter Anthony研究了北极湖泊里的这种现象，他指出，最近关于凹坑形成的研究或许能进一步证明，地下深处的气体已经涌上了地表。“永久冻土就像从一块切达干酪变成了孔洞更多的瑞士干酪。”
“这是气候变化中的不确定因素。”（译者：Sky4）