北极之下：深入美国冻土隧道

艾蓝

福克斯永久冻土隧道是世界上为数不多的第一手研究地球北部高纬度地区冻土的地方之一。要进入这里，你必须得戴上安全帽，走进一座位于阿拉斯加福克斯农村地带，费尔班克斯以北16英里处的山中。隧道的入口，就像是放大版的霍比特人的洞穴，或是半圆拱形房屋的横截面。几棵稀疏的桦树和黑色的云杉零星点缀在顶部，隧道门外，一个巨大的制冷装置像喷气发动机一样轰鸣着，以阻止隧道内部变形或融化。

走进冻土隧道

冻土隧道的内部比外观更奇怪，一条金属步道在覆盖着厚实、细腻、松软、可可色的尘土的地面上铺展开，荧光灯和电线悬挂在上方。冰土混杂的墙壁中嵌着千年未腐的动植物组织。正因如此，隧道里闻起来怪怪的，臭气熏天。土墙看起来像泥土一样柔软，但用手电筒敲击一下，就会发出叮当的声音，像石头一样坚硬。

永冻层是冰河时代产生的一种奇特的混合物，一种可变形材料，覆盖北半球大约24%的土地，从青藏高原到西伯利亚，以及北极圈和亚北极区的北美。现在这些区域中很多地方都变得很脆弱，并不稳定。

很多关于永冻层的科学研究都是通过遥感设备和计算机模型，或是在老旧的采矿隧道，或者崩塌的河岸暴露出千年冰层的地方，有时需要进行手工取样，费劲在地下钻深洞。研究湖泊和湿地碳排放的美国地质调查生态学家金伯利·维克兰（Kimberly Wickland）说：“事实上我们大多数人都是在地上研究永久冻土，想象它在地下的样子。”福克斯隧道是仅有的2个专门用于冻土科学研究的地下设施之一，游客可以真正地在冻土中漫步，另外一个在西伯利亚。当维克兰在2001年第一次走进隧道时，她说，如醍醐灌顶一般，那一刻她才真正理解永久冻土是什么。

在这里，来自世界各地的研究者通力合作，进行着“上天入地”的研究，从探地雷达在太空探索中的应用（隧道被模拟成火星），到西伯利亚野牛骨头中的同位素（同位素可能暗示着这些生物灭绝前的迁徙习惯）。在这里，18000-43000年前的标本“唾手可得”，你可以全方位地观察，可以了解永冻土有多复杂，有多少仍然未知，可以钻研和解码它蕴含的关于地球历史的大量信息，还可以对它的消失将可能影响地球未来的方式进行测试。

事实上，永久冻土是当今全球范围内讨论最多的话题，并越来越具有警示性。2019年12月，美国国家海洋与大气管理局表示，世界用来捕捉和储存碳的永冻土正在崩溃，并释放出它旷日长久封存的物质。美国国家海洋与大气管理局的分析表明，全球融化中的永久冻土正在每年向大气中释放多达3亿到6亿吨的温室气体，几乎与法国或加拿大的工业和交通活动的排放相当。这一发现像一个警告信号，这也许会形成一个北极自然过程的反馈回路的开始，给气候变化造成更加深远的影响。

气候变化也在使阿拉斯加的土壤温度升高，福克斯隧道目前可能拥有这片区域保护最良好、最寒冷的永久冻土，但很难预测这种情况能持续多久。

关于冻土隧道的历史

最初，只有工程师才会关注到永久冻土，而且它经常是个“累赘”。20世纪初，在费尔班克斯周围，永久冻土是勘探者和地下金矿之间的屏障，矿工们会炸开它或给它解冻，使冰冻的土壤变成淤泥，然后将其挪走来获取黄金。福克斯隧道现在所处山上较为早期的泥土几乎都已被金矿工人移走，这也是为什么现在隧道主要用于研究古老的永久冻土的原因。

在其它地方，永久冻土则是个建筑难题。1942年，美国陆军工程兵团派遣10000多名士兵和平民开凿穿越阿拉斯加东部进入加拿大的阿拉斯加高速公路，此时工程师们发现，除非把土壤解冻，不然无法直接在这种材料上修建公路。根据兵团出版的一部历史著作，此次工程挑战推动了“寒区研究要求”的确立，以及后来“寒区研究和工程实验室”（CRREL）的成立，福克斯隧道也属于CRREL项目，该项目还涉及从融雪模型到湿地植物编目，到隐形飞机研究等诸多领域。

直到冷战时期，冻土才开始被视为一种隐形的资产，一个值得科学探究的对象。美国国防部想知道冰原是否能为军事基地和行动提供安全位置。在1959年和1960年，美国军队在格陵兰岛的雪地之下建造了一座“城市”，名为“世纪营”，有实验室、宿舍、健身房、理发店，还有核反应堆来提供热量和电力。在这里，他们研究了雪的属性，并第一次钻到格陵兰冰盖的底部。该营地还预备实施“冰虫计划”，目标是在冰盖内建造数千英里的隧道，用于儲存弹道导弹和核弹头。但数年后，因格陵兰冰川的运动性和不稳定，无法支持这样的系统，项目被取消了。该营地于1966年被废弃。

福克斯永久冻土隧道曾经的目的也很普通。1963年，当它第一次被挖掘的时候，只是被设计用来测试冻土是否能用作地堡或者较小规模的军事储存设施。永久冻土具有天然的减震能力，理论上可以承受炮击和轰炸。乔治·斯温佐是CRREL的实验工程部的地质学家，也是隧道的第一批建造者和管理员之一，他曾试图创造自己“合成版”的永久冻土，名为“永久混凝土”，用于格陵兰岛的极北营地（Camp TUTO）附近新挖掘的另一个隧道，建造柱子、砖块等地下支架和砌体。斯温佐后来还写了一本名为《论冬季战争》的巨著，描写了在寒冷地区作战的技术问题。

在1968年和1969年，美国矿务局借用了这个隧道，在通道的缓坡测试爆破和钻孔技术。隧道最后看起来像一个倾斜的字母“V”。在接下来的20年里，这里进行的主要研究依然集中在工程方面，将冻土看作是物理学的研究对象，一种会影响建筑和管道建造的基底，而未曾使用生物学的视角。工程师们很快发现，当永冻层接近-1°C时，它会弯曲变形。因此，CRREL在入口处安装了第一台制冷机组，还有一组风扇，将冷空气送回地道，冷却器使设备保持在大约-4°C。

当被冰凝固的泥土暴露在寒冷的空气中时，冰会直接升华成水蒸气，冰消解后，尘土颗粒会散落回地面。当你像费尔班克斯的古生物学家一样在尘土中挖掘时，能找到地松鼠的骨头，依然带着一抹绿的千年树叶，古老的种子和水果，还有甲虫的甲壳，它们看起来就像最近刚死在你的窗台上。

到21世纪初期，由于隧道的灰尘表面看起来能很好地模拟火星——火星也有寒冷的泥土以及它自己的永冻层，研究人员开始在隧道中运行火星原型探测车，并使用探地雷达，来探索寻找火星上的水和冰甚至外星生命的新方法。大约在同期，美国宇航局开始对冰中的微生物感兴趣，并研究其中是否可能蕴藏着其他星球上的生命形式和功能的线索。在1999年和2000年，美国宇航局的一位天體生物学家理查德·胡佛对一些微观的细丝进行了取样，他认为这些细丝可能属于有32000年历史的一段永久冻土隧道中冰封的细菌。2005年，他宣布了在样本中的发现——第一个在古老的冰中依然活着的物种，一种被命名为“更新世肉杆菌”（Carnobacterium pleistocenium）的极端微生物。这一发现预示着对永久冻土的新认识，这证明生命可以存在于极端的地方。但不祥之兆是，遍布地球的冻土消融有可能会唤醒一些自然生态过程以及长期休眠的生物体，而它们并非都是良性的。

最后的永久冻土

永久冻土隧道较新的部分，在2011-2018年间挖掘出来，能看到很多冰的“造型”，像抽象的雕塑一样美丽。在这里，冻土层巨大的横截面被展示出来。这些美丽的冰其实是“冰楔”，有些达4.5米宽。冰楔是当水渗入冻土的裂缝时形成的巨大的矛状物。

新的冰每年夏季在水可以渗透的地方填充进缺口，所以冰楔会聚集更多的冰，随着时间推移而膨胀。它们有着深色、光滑、大理石花纹般的样式，在隧道的墙壁上绽放。其中一块奇特的人形冰：有长着尖耳朵的头，胳膊像翅膀一样在光亮透明的身体上张开着，脚的形状像树根。在这里工作的化学研究人员托马斯·道格拉斯感叹：“这是自然的形状。它让我想起达·芬奇的素描。它看起来多像一只鹰，或一个变成鹰的人。”它大约于25000年前冻结在这里。这种奇异的造型比比皆是，离人形冰几英尺远的地方有一个横着的冰管，看起来像一个立体模型，里面有草屑、根部和悬浮的气泡。这些植物同样历经千年，但看上去仿佛是昨天有人把它们摘下，放在了玻璃盒子里。

大部分冰块99%是冷冻水，掺杂着微量的淤泥。但是永久冻土中的盐在冰的边缘形成不冻结的碎片，在这里，生活着另外的微生物。目前，对这些微生物的研究在这座隧道以及在世界其他地方的研究中越来越受关注，而这是有原因的。在大众眼中，永久冻土中的微生物就像打不死的小怪兽，是唤醒并传播流行病的超级细菌。2016年，西伯利亚的亚马尔半岛暴发了75年来第一次炭疽疫情，可能是由于热浪使该地区的永久冻土解冻，从一具死亡已久的驯鹿尸体中释放出炭疽孢子而引发的。至少有20人被感染，一名12岁的男孩死亡。微生物还决定着永久冻土中多少碳会释放到空气中，并且有多少会再次贮存在土壤中。2013年，维克兰和她的一队合作者来到隧道收集35000年前的永久冻土块。他们将这些碎屑收集在几个装满干冰的冷却器中，飞到科罗拉多州的实验室，将这些样本悬浮在水中，然后像过滤茶一样进行过滤，测量有多少二氧化碳从水中析出。“茶水”里的细菌解冻和苏醒后，开始分解样本中的有机碳，在不到一周的时间里，大约一半的二氧化碳被释放到空气中。这是一个令人担忧的发现。科学家们长期以来一直在争论永久冻土层的融化会以多快或多慢的速度影响全球气候。但这项研究表明，古老土壤的变暖可能会在短期时间内向大气产生爆炸式的排放。

但是，也有科学家想要在新觉醒的微生物群落中找到“救赎”的价值。有些人延续了胡佛的工作，将更强大的DNA分析引入到了冰中活微生物的研究中，这可能会为太阳系内的生命研究发现新视野。在新罕布什尔州的CRREL实验室的土壤微生物学家罗宾·巴尔巴托，也计划从隧道中采集样本用于生物勘探，用来寻找可以帮助改善设计的微生物，比如生物砖、可持续的道路建设材料和防冻剂这样的东西。巴尔巴托说：“我觉得遥远的北方和南方有点像新亚马逊，具有丰富的生物多样性。我们可能真的会经历有趣而有用的过程，做出改变让事情变得更可持续。”

当永久冻土消解或被侵蚀时，将会留下热融喀斯特地形。几年之内，冻土融化留下的水坑就会变成一个湖，然后坍塌成一个沟谷。费尔班克斯在整个2019年的平均温度是0.33°C，刚刚超过冰点，永久冻土在这种情况下无法存在很多年。在隧道中的一切，越来越像一种被困养的稀有动物，是一种可能很快就会消失的地球形态。道格拉斯说：“有时我们会开玩笑说，我们终有一天将拥有费尔班克斯地区唯一的永久冻土。”在2020年，他和同事将尝试其它延长隧道寿命的方法，比如使用太阳能电池板为其冷却器供电。他们将在2021年底完成扩建工程，将隧道的规模扩大一倍。这将使他们能够从上到下多角度地观察冻土，并研发出扫描大规模冻土的方法。

道格拉斯解释道，在未来的80年中，仅仅一代人的时间，阿拉斯加大部分近地表的永久冻土会分崩离析。“这将从根本上改变水文、植被、积雪、春季融化的时间、热交换、动物的栖息地，并且基本上会完全改变地貌。” 福克斯面临的工作就是了解这一损失将会波及的惊世后果，阿拉斯加和所有远北地区“将会变成一个彻底不一样的地方”。