永久冻土限制了北极河流和大量碳

达特茅斯学院的新研究提供了第一个证据，证明北极的冻土是塑造地球最北端河流的主导力量。根据《美国国家科学院院刊》上的一项研究，永久冻土层是一次冻结两年或更长时间的厚厚土壤层，是北极河流均匀地局限于比南部河流更小的区域和更浅的山谷的原因。

但永久冻土也是一个日益脆弱的大量碳库。研究人员计算出，随着气候变化削弱北极永久冻土和极地水道搅动融化的土壤，全球变暖每1.8华氏度（或1摄氏度）就会释放出相当于3500万辆汽车一年排放的碳。

“整个地球表面正处于拉锯战中，例如平滑景观的山坡和雕刻它们的河流等力量，”Joanmarie Del Vecchio说，她作为Neukom博士后研究员与她的顾问和研究合著者，地球科学助理教授Marisa Palucis一起领导了这项研究。 以及塞耶工程学院教授科林·迈耶（Colin Meyer）。

“我们在基本层面上了解物理学，但是当事情开始冻结和解冻时，很难预测哪一方会获胜，”Del Vecchio说。“如果山坡获胜，它们将掩埋所有被困在土壤中的碳。但是，如果天气变暖，突然河道开始获胜，我们将看到大量的碳被释放到大气中。这可能会产生这种变暖的反馈循环，导致北极永久冻土释放更多的温室气体。

研究人员着手了解为什么北极流域 – 河流及其连接水道的总流域 – 往往比气候温暖的流域的河流面积少，而流域可能有广泛的支流遍布整个景观。Del Vecchio现在是达特茅斯学院的访问学者，也是威廉玛丽学院的助理教授，他于2019年在阿拉斯加进行实地考察时构思了这项研究。她从河边的工地徒步上山，看到了陡峭的山坡，没有被河流或溪流打破。

“似乎山坡赢了，渠道输了，”Del Vecchio说。“我们想测试温度是否塑造了这个景观。我们非常幸运地拥有过去几年中产生的大量表面和数字高程数据。几年前，我们不可能做这项研究。

研究人员使用卫星和气候数据检查了北半球超过69,000个流域的深度，地形和土壤条件 – 从北回归线到北极。他们测量了每条河流的河道网络在其流域内所占土地的百分比，以及河谷的陡峭程度。

47%的分析流域是由永久冻土形成的。与温带流域相比，它们的河谷更深、更陡峭，周围景观被河道占用的面积减少了约 20%。研究人员报告说，尽管在冰川历史、背景地形陡峭度、年降水量以及其他因素方面存在任何差异，但这些因素将控制水和土地的推拉力。北极流域是由它们的一个共同点——永久冻土形成的。

“无论我们以何种方式切片，河道更大、更丰富的地区更温暖，平均温度更高，永久冻土更少，”Del Vecchio说。“你需要更多的水才能在永久冻土区开凿山谷。”

根据这项研究，永久冻土限制北极河流足迹的能力也使其能够在冻土中储存大量碳。为了估计由于气候变化而从这些流域释放的碳，研究人员将永久冻土中储存的碳量与土壤侵蚀相结合，土壤侵蚀将随着地面融化而融化，并随着北极河流的扩散而被冲走。

阿拉斯加的一个河谷。研究人员发现，永久冻土是北极河流被限制在比南部河流更小的区域和更浅的山谷中的原因。（摄影：Joanmarie Del Vecchio）

Del Vecchio说，研究表明，北极已经比工业化前的水平高出3.6华氏度以上，或者大约自1850年以来。科学家估计，如果目前的温室气体排放得到控制，到2100年，北极永久冻土的逐渐融化可能会释放220亿至4320亿吨二氧化碳，如果不控制，则将释放多达5500亿吨二氧化碳。国际能源署估计，2022 年的能源消耗向大气中排放了超过 360 亿吨二氧化碳，创历史新高。

Palucis说，北极已经适应寒冷了很长时间，没有人知道如果永久冻土加速融化，碳会释放多少，也不知道会释放多快。“虽然北极过去经历过变暖，但可怕的是它现在发生得如此之快。景观必须迅速做出反应，这可能是创伤性的，“她说。

帕卢西斯回忆起一次北极研究之旅，当时她看到一大块小楼大小的基岩从悬崖上脱落。劈裂的罪魁祸首是一小股水流，它渗入岩石并削弱了它。

“这是一个适应寒冷条件的景观，所以当你改变它时，即使是少量流过岩石的水也足以引起实质性的变化，”Palucis说，他的研究小组使用北极作为火星的替身来研究这颗红色星球的表面过程。

“我们对北极景观的理解或多或少与100年前对温带景观的理解不同，”她说。“这项研究是重要的第一步，表明我们对温带流域的模型和理论不能应用于极地地区。在理解这些景观方面，这是一扇全新的大门。