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大约四分之一的北半球被永久冻土覆盖。现在,事实证明,这些由土壤、岩石和沉积物组成的永久冻土实际上并不是那么永久的:它们正在以越来越快的速度融化。

人类引起的气候变化正在使这些土地变暖,冰层融化,土壤疏松,这可能会造成严重的破坏。森林正在下降;道路坍塌;具有讽刺意味的是,土壤变暖正在释放更多的温室气体,这可能会进一步加剧气候变化的影响。

上世纪70年代初,科学家们第一次注意到气候变暖的迹象后不久,就开始对两种最具影响力的温室气体——二氧化碳和甲烷——的排放进行监测。但直到最近,第三大流行气体一氧化二氮(N2O)的威胁,在牙科被称为笑气,在很大程度上被忽视了。

在2010年的一篇论文中,美国环境保护署(EPA)将永冻土一氧化二氮的排放量定为“微不足道”,几乎没有研究反驳这一说法。

但本月发表在《大气化学与物理》(Atmospheric Chemistry and Physics)杂志上的一篇论文显示,阿拉斯加永久冻土层融化所释放的一氧化二氮,大约是此前假设的12倍。由于N2O捕捉热量的效率是二氧化碳的近300倍,这一发现可能意味着北极——以及全球气候——面临的危险比我们想象的要大。”小得多的一氧化二氮的增加需要同样的气候变化,冒出大量CO2would原因,”威尔克森说,这篇论文的第一作者,在艺术与科学研究生院博士生基础实验室的詹姆斯·g·安德森,Philip s .焊接哈佛大学大气化学教授。

安德森威尔克森在2013年8月,参加了实验室,实验室和科学家的成员来自美国国家海洋和大气管理局(NOAA)前往阿拉斯加的北坡地区,随之而来的是一个特别装备小型飞机上收集的数据四个温室气体——二氧化碳、甲烷、水蒸气和一氧化二氮-自然释放土壤和水作为微生物过程的一部分。在低空飞行时,空中实验室收集了超过200平方英里的气体,这个面积大约是波士顿本身面积的四倍。利用涡动协方差技术,测量垂直风速和大气中痕量气体的浓度,研究小组可以确定更多的气体上升或下降。

在这种情况下,上升的并不总是下降:温室气体上升到大气中,在那里它们捕获热量并使地球变暖。而一氧化二氮构成的威胁更大:在平流层,阳光和氧气共同作用,将气体转化为活性氮氧化物,这种氧化物会侵蚀臭氧层,而臭氧层吸收了太阳大部分有害的紫外线辐射。根据美国环境保护署的数据,大气中这种气体的总体水平正在上升,而这种分子可以在大气中停留长达114年。

2013年威尔克森加入安德森实验室时,一氧化二氮的数据还很原始。他问能否分析一下这些数字。威尔克森说:“大家都认为这不会很有趣,也不会花很长时间。”“我把它看作一个小项目。我说让我们使用我们现有的数据,因为坦白地说,收集这些数据是非常昂贵的。我想我也可以这样做,同时我可以得到更多的涡度协方差经验。”

当然可以,安德森说,请便。两人都认为,这些数据将证实一个似乎人人都知道的事实:来自永久冻土的一氧化二氮不是一个可信的威胁。

威尔克森说:“我们的假设是,这些冻土太冷,微生物活动不会太多。”“直到2009年,没有任何研究表明,永久冻土区的排放量可能会相当大。”

有限的研究使用核心样本,这是温暖的受控环境实验室看到多少气体采样泥炭释放,或15或20封闭圆柱体直径约18英寸,几英寸深样本一平方米左右的气体释放他们嵌入的土壤。这些研究表明,N2O的含量可能高于此前的猜测,但威尔克森说,“他们并没有获得多大的吸引力,因为他们研究的是如此小的区域。”人们很容易认为它们不代表整个永久冻土。”

安德森的数据覆盖的范围比以往任何研究都要广得多,当威尔克森进行计算时,他发现高排放相对普遍。

仅仅一个月,这架飞机就记录了足够的一氧化二氮来满足全年的排放上限。尽管安德森的数据只代表了550万平方英里北极地区的193平方英里——就像用罗德岛大小的地图集代表整个美国一样——“它比以往任何关于永久冻土N2O排放的研究都要大1000万倍,”威尔克森说。“这使得(以前的)研究结果变得相当严重。”

威尔克森希望这项新的分析能激发进一步的研究。“我们不知道它还会增加多少,”他说,“我们根本不知道它的重要性,因为其他研究的空间尺度非常小,我们不知道它们是否代表更大的区域。”

横跨北极的涡旋协方差塔使用的技术与安德森团队在飞机上监测二氧化碳和甲烷的技术相同。但是威尔金森说:“在永久冻土区,这些塔中没有一座测量到N2O。”这是可以做到的,因为2006年在荷兰的一个奶牛场附近临时建起了一座概念验证塔。“有了气室,科学家必须每小时亲自去收集气体样本,但如果这些塔是用来收集N2O的,那么大面积的数据将会更加可靠。”

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去年12月,美国国家海洋和大气管理局(NOAA)报告称,北极的变暖速度几乎是地球其他地区的两倍,而永久冻土也预计将以越来越快的速度融化。温暖的气温还会给该地区带来更多的植被,这可能有助于降低未来的氮氧化物水平,因为植物会吸收氮。但要了解植物如何减轻这种风险,研究人员需要更多关于这种风险本身的数据。

威尔克森希望研究人员能抓紧时间收集这些数据,无论是通过飞机、塔、舱室还是地核。或者更好的是,四个都是。“这需要比现在更严肃地对待,”他说。因为随着地球变暖,永久冻土可能会继续融化——这将导致地球变暖,从而融化更多的霜。为了弄清楚如何减缓这种循环,我们首先需要知道情况有多糟。

这项研究由国家科学基金会资助。

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