冰冻隧道内隐藏着银河系最大的秘密

玛德琳·奥斯特兰德 (Madeline Ostrander) 是驻西雅图的一名环境记者，其作品曾刊登在《纽约客》 、 《国家》和《Yes!》杂志上。本文最初刊登在 Undark 上。

要进入福克斯永久冻土隧道（世界上仅有的几个专门用于对覆盖地球大部分北纬地区的泥土和冰混合物进行第一手科学研究的地方之一），您必须戴上安全帽，然后走进山坡。这座山位于阿拉斯加州福克斯的乡村地区，距离费尔班克斯以北 16 英里。入口是一堵金属墙，就像一个部分剖开的拱形小屋，或者一个放大的霍比特人洞穴。一堆细长的桦树和黑云杉装饰着山顶，门外一个巨大的制冷装置像喷气发动机一样轰鸣着，以防止隧道中的物品变形或解冻。

九月的一个温和潮湿的日子，研究化学家托马斯·道格拉斯 (Thomas Douglas) 陪同游客穿过隧道门。道格拉斯为美国陆军工程兵团的一个名为寒冷地区研究与工程实验室 (CRREL) 的项目工作，该项目涉及从融雪建模和湿地植物清单到隐形飞机研究等各个方面。但他自己的工作重点是永久冻土的几个方面，他偶尔会带游客来这里参观。

永冻土隧道内部比外部更加奇特。一条金属木板路横穿一层厚厚的、细小的、松散的、可可色的灰尘。荧光灯和电线悬挂在我们上方。墙壁上嵌有树根，这些树根悬挂在冰和淤泥的砌石中，其中含有大量旧细菌和从未腐烂的动植物组织碎片。正因为如此，隧道散发着一种奇特而恶臭的气味，就像一种恶臭的奶酪（比如斯蒂尔顿奶酪或林堡奶酪），但带有泥土的味道，还有汗湿的袜子和马粪的味道。

道格拉斯身材苗条，身穿轻便夹克，脸上挂着和蔼的笑容，漫步在木板路上，用博物馆讲解员或登山向导那种能言善辩的热情介绍着周围的环境。“这一段隧道大约有 18,000 年历史。我们对其进行了碳 14 测年。这里是骨骼丰富的地区，”他说。他指着淤泥中看起来像地鼠洞的东西——科学团队钻取岩芯留下的缝隙。草原野牛是一种大型北极有蹄类动物，在大约 10,000 年前，即上一个冰河时代末期灭绝，它的骨头躺在坚硬的泥炭中。再往前走一点：一根猛犸象的骨头。我们既踏入了地下，又回到了过去。

土墙看上去可能很软，像泥土一样，但他用一根长长的金属手电筒的末端敲击其中一面土墙，发出叮当声。“你看得出来，它硬得像石头一样，”他说。

永久冻土是地球冰河时期最奇怪的混合物之一。抽象地说，它听起来像是一种简单的物质——任何能保持冻结状态两年或更长时间的地球物质。实际上，它是一种变形物质，覆盖了北半球约 24% 的土地——从青藏高原到西伯利亚，再到北极和亚北极北美的部分地区。现在，许多这样的地区都变得既不稳定又脆弱。永久冻土可以像基岩一样坚硬，但当它融化时，如果它富含冰和淤泥，它就会变成胶水、巧克力牛奶或湿水泥之类的东西。在冻结状态下，它可以储存物质数千年而不让它们腐烂。它可以让细菌处于一种冷冻休眠状态——仍然活着数千年。

大部分关于永久冻土的科学研究都是从上而下或远处进行的，通过遥感设备和计算机模型，或是通过偶然的机会在旧矿坑或河岸崩塌并露出千年冰层的地方进行。有时，这项研究是通过费力的手工采样和在地下深处钻孔的过程完成的。“实际上，我们大多数人都是从地表研究永久冻土，然后想象它在下面是什么样子，”研究湖泊和湿地碳排放的美国地质调查局生态学家金伯利·威克兰 (Kimberly Wickland) 说。福克斯隧道是仅有的两个专门用于永久冻土科学研究的地下设施之一，游客可以在冻土内部真正行走。（另一个在西伯利亚。）当威克兰在 2001 年第一次踏入隧道时，她说，那一刻就像是天启一样——她真正明白了永久冻土是什么。

在这里，像威克兰这样的人与道格拉斯、他的同事以及来自世界各地的研究人员合作。他们共同研究了从探地雷达在太空探索中的实用性（该隧道被认为是火星的模拟隧道）到草原野牛骨骼中的同位素（可能暗示这些生物在灭绝前的迁徙习惯）。在这里，你可以从三维角度看到这些东西，并轻松获取 18,000 至 43,000 年前的样本进行研究。你可以估算出永久冻土的复杂程度，有多少永久冻土仍然隐藏，以及科学家还需要学习多少知识。你可以研究和解码它可能蕴含的有关地球历史的大量信息，你可以测试它的消失可能如何影响地球的未来。

事实上，如今全球范围内最常讨论的就是永久冻土，而且它越来越成为人们担忧的话题。去年 12 月，美国国家海洋和大气管理局 (NOAA) 透露，全球永久冻土（过去用于捕获和储存碳）正在崩塌，释放出很久以前被它埋住的东西。一些科学家担心，永久冻土的融化可能会释放出现代世界完全陌生的微生物（考虑到 Covid-19 大流行造成的破坏，这一威胁的严重性似乎更加令人不安）。与此同时，NOAA 的分析表明，全球正在崩塌的永久冻土每年已经向大气中释放多达 3 亿至 6 亿公吨的温室碳，大约相当于法国或加拿大无数的工业和运输活动。这一发现是一个警告信号——可能是反馈循环的开始，在这个循环中，北极的自然过程可能会使气候变化的影响更加严重。

随着气候变化导致阿拉斯加全境土壤温度升高，福克斯隧道可能包含该地区最受保护和最冷的永久冻土。这种情况将持续多久很难预测。隧道的游客不禁想知道，随着地球永久冻土的崩塌，最终将在生物、生态和科学方面造成多少损失。

早期，永久冻土主要是工程师关心的问题，而且它常常会造成麻烦。20 世纪早期，费尔班克斯周边地区的永久冻土是勘探者和地下黄金之间的障碍。因此，矿工们会用一种叫做蒸汽点的设备炸开或融化它，把冻土变成泥土，然后把它拖出来，以找到黄金。（福克斯隧道现在所在的山丘较年轻的前部是由金矿工挖掘和拖走的，这就是为什么隧道主要以古老的永久冻土为特色。）

在其他地方，永久冻土是一个建设问题。1942 年，当美国陆军工程兵团派遣 10,000 多名士兵和平民开凿阿拉斯加高速公路，穿过阿拉斯加东部进入加拿大时，工程师们发现，如果不融化永久冻土，就无法直接在冻土上建造建筑物——这是一个惨痛的教训，因为设备损坏，卡车陷在坚硬的泥浆中。根据陆军工程兵团公布的一份历史，这些建设挑战有助于确定“寒冷地区研究需求”，后来促成了 CRREL 的成立。

直到冷战时期，冰冻的地面才开始被视为一种潜在的资产，值得进行科学研究。国防部想看看冰冻的地形是否能为军事基地和军事行动提供安全的位置。1959 年和 1960 年，美国陆军在格陵兰岛的雪下建造了一座城市，名为世纪营，里面有实验室、宿舍、体育馆、理发店和一座核反应堆，用于供热和供电。在这里，他们研究了雪的特性，并首次钻到了格陵兰冰盖的底部。该营地还打算用于实施“冰虫计划”，该计划旨在在冰盖内建造数千英里的隧道，并用它们来储存弹道导弹和核弹头。但几年后，很明显格陵兰岛的冰川过于活跃和不稳定，无法支撑这样的网络，该项目被取消。该营地于 1966 年被废弃。

福克斯永久冻土隧道的用途更为温和。1963 年，当它首次被挖掘时，它只是为了测试冻土是否可以成为合适的掩体或小型军事储存设施。永久冻土具有天然的减震性，理论上可以承受炮击和轰炸。乔治·斯温佐夫是 CRREL 实验工程部的地质学家，也是该隧道的首批建造者和管理员之一，他还曾尝试创建自己的合成永久冻土，称为“永久混凝土”，他用它建造了格陵兰岛图托营附近另一条新开挖的隧道内的柱子、砖块和其他地下支撑物和砖石。（斯温佐夫后来还写了一本名为《论冬季战争》的书，讲述寒冷地区作战的技术问题。）

1968 年和 1969 年，美国矿业局借用了这条隧道，并在一个叫做“井口”的缓坡侧通道中测试了一些爆破和钻孔技术。隧道的尽头看起来像一个不对称的字母“V”。在接下来的二十年里，这里进行的主要研究仍然集中在工程学上——永久冻土是一种物理现象，而不是生物现象，它会影响建筑物和管道的建设。工程师们很快发现，当温度接近 30 华氏度（或 -1 摄氏度）时，永久冻土就会扭曲和弯曲。因此，CRREL 在入口处安装了第一台制冷机组，并安装了一组风扇，将冷空气通过土制通道送回。冷却器现在将设施温度保持在 25 度左右（或 -4 摄氏度左右）。

拐下小巷后，木栈道就结束了。道格拉斯告诫游客们要“走路要优雅”，或者“像忍者一样走路”。隧道的顶部逐渐降低，他恳求游客们不要扬起尘土，尘土也叫黄土，是一种被风吹到数英里外并聚集在这座小山上的细小泥土。隧道刚开凿时，冰将黄土固定在原处。但当暴露在寒冷的空气中时，冰会直接转化为水蒸气，这一过程称为升华。冰离开后，尘土颗粒就会散落到地面上。挖开尘土——费尔班克斯的古生物学家有时就会这么做——你会发现地松鼠的骨头、仍带有绿色的千年老叶、古老的种子和果实，以及看起来像是刚死在你窗台上的甲虫甲壳。

到 21 世纪初，隧道表面布满灰尘，与火星十分相似，火星也有冰冷的泥土和层层永久冻土。研究人员开始驾驶原型探测器在隧道中穿行，并使用探地雷达寻找新方法寻找火星上的水和冰，甚至是外星生命。大约在同一时间，NASA 开始对冰栖微生物是否可能掌握着有关其他星球上生命形式和功能的线索感兴趣。1999 年和 2000 年，NASA 的天体生物学家理查德·胡佛 (Richard Hoover) 对微小的细丝进行了取样，他认为这些细丝可能属于冻在 32,000 年前的永久冻土隧道中的细菌。2005 年，他宣布了从这些样本中发现的结果——这是迄今为止发现的第一个在古老冰层中仍存活的物种，是一种名为Carnobacterium pleistocenium的嗜极生物。

这一发现预示着人们对永久冻土有了新的认识。它证明了生命可以在极端环境中生存。但更不祥的是，它表明全球各地的冰雪融化可能会唤醒生态过程和长期休眠的生物，而且并非所有生物都是无害的。

从风洞中出来，永久冻土隧道通向一个高天花板的水冰图案画廊，每一个都像抽象雕塑一样美丽。这是隧道较新的部分，是 2011 年至 2018 年间挖出的部分。这里的钻探暴露了这些巨大的冰土横截面，称为“冰楔”。有些宽度达 15 英尺。（不同寻常的是，CRREL 的一些学术科学家亲自挖掘了这部分隧道，将重型机械开进地下。道格拉斯没有参与，但在阿拉斯加大学费尔班克斯分校任职的雪研究员马修·斯特姆描述了驾驶滑移转向装载机（就像小型推土机）的过程，一名研究工程师操作一种称为旋转切割机的设备，该设备连接到挖掘机上。）

冰楔是水从永久冻土的淤泥部分渗入裂缝时形成的巨型矛状物。新冰在夏季形成缝隙，水可​​以从缝隙中渗入，因此冰楔会积聚更多冰并随着时间的推移而扩大。在这里，它们以深色、光滑、大理石纹的形式遍布墙壁。“这形状不是很疯狂吗？它让我想起了达芬奇的素描，”道格拉斯惊呼道。“它看起来不像一只鹰，像一个人变成鹰吗？”他在一块冰前停了下来，这块冰奇怪地像一个人物——一个长着尖耳朵的头，玻璃身体上像翅膀一样张开的双臂，脚像树根。这个冰楔的形成是偶然的，大约 25,000 年前就冻结在这里，但这种奇异的形状比比皆是。距​​离鹰人几英尺远的地方有一个水平的冰管，看起来像一个立体模型，里面悬浮着草屑、根和气泡。这些植物的年龄相仿，但看起来就像是昨天被人摘下来并塞进玻璃盒里的。

鹰人和这个画廊里的每个冰层都是楔形的一片。通过毛细作用，水也可以聚集在土壤中的透镜和块中。有些会变得巨大；有些则保持微小。这些冰块中的大部分约 99% 都是冻结的水，其中混入了少量淤泥。但永久冻土中的盐可以舔舐冰的边缘并形成未冻结的碎片。在这里，在所谓的盐水通道中，生活着其他微生物。如今，这些微生物成为隧道中越来越活跃的研究领域——以及世界其他地方的永久冻土研究——这是有充分理由的。

在人们的普遍想象中，永久冻土中的微生物就像不死的小怪物——会苏醒并传播流行病的超级细菌。2016 年，西伯利亚的亚马尔半岛爆发了 75 年来的第一起炭疽病，很可能是由一股热浪融化该地区的永久冻土并从一头早已死去的驯鹿尸体中释放出炭疽孢子引发的。至少有 20 人被感染，一名 12 岁男孩死亡。这些风险让科学家们感到十分担忧，11 月，一个国际小组聚集在德国汉诺威讨论这些问题。

微生物在塑造大气命运方面可能发挥着更令人不安的作用：微生物将决定永久冻土中的碳有多少会逸出到空气中，又有多少会再次被封存在泥土中。2013 年，威克兰和她的一组同事来到隧道，收集最近挖掘过程中从隧道壁上挖出的 35,000 年前的永久冻土碎片。他们用装满干冰的几个冷藏箱收集这些碎屑，然后将它们空运到科罗拉多州的实验室。他们将样品悬浮在水中，然后像泡茶一样过滤，并测量从水中渗出的二氧化碳量。

茶叶中解冻并苏醒的细菌开始分解样本中的有机碳；不到一周的时间，约有一半的有机碳以二氧化碳的形式排放到空气中。这是一个令人不安的发现。科学家们长期以来一直在争论永久冻土融化对全球气候的影响有多快或多慢。但这项研究表明，古代土壤的变暖可能会在短时间内向大气中排放大量二氧化碳——这又是一个需要警惕二氧化碳的原因。

但也有其他科学家试图在刚刚苏醒的微生物群落中寻找可取之处。一些人继续了胡佛的工作，但将更强大的 DNA 分析引入了冰中活微生物的搜索中，这些微生物可能为了解星际生命提供线索。新罕布什尔州 CRREL 实验室的土壤微生物学家罗宾·巴巴托 (Robyn Barbato) 也计划从隧道中收集样本，以进行生物勘探。这个术语用来描述寻找可能有助于设计超冷胶、生物砖、可持续道路材料和防冻剂等物品的微生物。“我认为极北地区和极南地区就像是新的亚马逊。那里有各种各样的生物多样性，”巴巴托说。“我们真的可以遇到有趣而有用的过程，我们可以加以利用，让事情变得更可持续。”

过去 27 年中，由于工程问题和春夏大雨的共同作用，隧道至少遭遇过三次洪水威胁。1993 年，洪水聚集在旧隧道后方，导致隧道顶部变形，并带走大块淤泥。2014 年，水从附近的山坡涌入隧道，里面形成了冰冻的水坑。2016 年，“我们差点失去隧道”，斯特姆回忆道。雨水改变了上方的排水系统，水渗入隧道旁边的冰楔。“等我们来得及处理时，已经侵蚀了一块房子大小的冰楔。”洪水的主要脉冲最终从隧道中排走，但这次惊险经历提醒 CRREL 工作人员注意灾难的可能性。历次洪水造成的冰块仍然留在隧道里。

“对我来说，这是我们从这条隧道中学到的最重要的事情之一，”斯特姆说。当永久冻土崩塌或侵蚀时，留下的景观被称为热喀斯特。这个词让人想起石灰岩喀斯特——一种像瑞士奶酪一样的地下地形，充满了由溶解和侵蚀石灰岩形成的洞穴、岩池、泉水和溪流。但热喀斯特比石灰岩喀斯特不稳定得多。几年之内，永久冻土融化留下的水坑就会变成湖泊，然后崩塌成峡谷。永久冻土不会单靠温暖的气温来腐烂。水将起到破坏性的作用。近年来，阿拉斯加和西伯利亚也发生了火灾。在隧道内，靠近第二个入口，沿着墙壁有一道细长的黑色带子，那可能是火灾留下的一道木炭线。在人类世气候中，如果火焰烧穿隧道上方的山坡，热量可能会辐射到里面的冰中并有助于融化它。

道格拉斯带领团队走出第二扇门，经过另一台噪音很大的冷却风扇，走进潮湿的空气和日光中。他走上山，来到隧道顶部，然后走进隧道后面的森林，沿着篱笆后面的一条旧路，穿过一丛丛矮桦树、柳树、黑云杉和芳香的拉布拉多茶。这是一张正在崩塌的永久冻土带和另一个活跃的研究领域的照片。CRREL 的研究人员已经安装了各种仪表和摄像头来跟踪整个森林的降雪和融化情况。他的行程穿过几处下沉的、被洪水淹没的地面，然后是一条长长的沟壑，云杉树向沟壑弯曲，仿佛在鞠躬。茶色的水从沟壑中间涓涓流过。这是崩塌的冰楔的顶部。

“谁知道那块冰楔融化到了什么程度？”道格拉斯说。“感觉地下不太稳定。”

这种崩溃感远远超出了这里。费尔班克斯 2019 年全年的平均气温为 32.6 华氏度，即略高于冰点，而永久冻土无法再存活很多年。隧道内的东西越来越像被圈养的稀有动物，一种可能很快就会消失的地球形态。在气候变化的时代，福克斯隧道成为一个大规模清算项目，以应对这种损失及其连锁效应。道格拉斯说：“有时我们会开玩笑说，有一天，我们将拥有费尔班克斯地区唯一的永久冻土。”今年，他和他的同事将尝试其他方法来延长隧道的使用寿命，例如使用太阳能电池板为其冷却器供电。他们将在 2021 年底前完成今年冬天开始的扩建项目，使隧道的面积扩大一倍。这将使他们能够从上方（用雷达）和下方（用人眼）的多个角度观察永久冻土，并开发出大规模扫描冻土的方法。

从本质上来说，这是对地球大部分地区重塑的研究和可视化努力。

道格拉斯解释说，在未来 80 年内，也就是在一生中，阿拉斯加大部分近地表永久冻土将会崩塌。“这将从根本上改变水文、植被、积雪、春季融化时间、热交换、动物栖息地，并基本上彻底改变地貌。”他补充说，福克斯未来的工作是了解这种损失的惊人后果。他说，阿拉斯加和整个极北地区“将完全变成一个完全不同的地方”。