達特茅斯大學的最新研究成果揭示了北極永久凍土對該地區河流系統產生重大影響的突破性證據。這項發表在《美國國家科學院院刊》上的研究強調了永久凍土–一種至少凍結兩年的緻密土層是如何導致北極地區的河流流經的河谷比南部地區的河流更窄、更淺的。

但是，永久凍土也是一個日益脆弱的大量碳庫。根據研究人員的計算，隨著氣候變遷對北極永凍土層的削弱，全球每升溫1.8華氏度（1攝氏度），隨著極地水道的擴張和融化土壤的攪動，釋放的碳相當於3500 萬輛汽車一年排放的碳量。

景觀動態與研究動機

第一作者Joanmarie Del Vecchio 作為達特茅斯大學的Neukom 博士後研究員領導了這項研究，她的顧問和研究共同作者是地球科學助理教授Marisa Palucis 和工程學教授Colin Meyer。

Del Vecchio 說：「我們從根本上理解了物理學，但當事物開始凍結和解凍時，很難預測哪一方會贏。如果山坡贏了，它們就會掩埋土壤中的碳。但如果氣候變暖，河道突然開始獲勝，我們會看到大量的碳被釋放到大氣中。這很可能會形成變暖的反饋迴路，導致釋放更多的溫室氣體。”

達特茅斯大學的研究人員試圖了解為什麼北極流域的河流面積往往小於氣候溫暖地區的流域。第一作者Joanmarie Del Vecchio（如圖）在阿拉斯加進行實地考察時，從河邊的工作地點徒步上山，看到陡峭的山坡上沒有河流或溪流，於是萌生了這項研究的想法。圖片來源：Mulu Fratkin

研究人員試圖了解為什麼北極流域（河流及其相連水道的總排水面積）的河流面積往往小於氣候溫暖地區的流域，因為氣候溫暖地區的流域可能擁有遍布地表的大量支流。Del Vecchio 現在是達特茅斯大學的訪問學者和威廉與瑪麗學院的助理教授，她於2019 年在阿拉斯加進行實地考察時萌生了這項研究的想法。她從河邊的工作地點徒步上山，看到的是沒有河流或溪流阻隔的陡峭山坡。

Del Vecchio 說：「似乎是山坡贏了，水道輸了。我們想測試是否是溫度塑造了這一地形。我們很幸運，在過去幾年中獲得了大量的地表和數位高程數據。幾年前我們不可能完成這項研究。”

研究結果與分析

研究人員利用衛星和氣候資料研究了北半球從北迴歸線上方到北極的69,000 多個流域的深度、地形和土壤條件。他們測量了每條河流的河道網絡在其流域內所佔的土地比例，以及河谷的陡峭程度。

在分析的流域中，有47% 是由永久凍土形成的。與溫帶流域相比，這些流域的河谷更深、更陡，河道所佔的周圍地形面積減少了約20%。研究人員報告說，儘管冰川歷史、背景地形陡峭程度、年降水量和其他因素存在差異，但這些相似之處都會影響水和土地的推拉作用。北極流域的形成有一個共同點–永凍土。

Del Vecchio 說：”無論如何，河道更大、更豐富的地區都更溫暖，平均氣溫更高，永久凍土更少。在有永久凍土的地區需要更多的水來開鑿山谷。”

研究顯示，永凍土限制了北極河的足跡，也使其能夠在冰凍的土地中儲存大量的碳。為了估算這些流域因氣候變遷而釋放的碳量，研究人員將永凍土中儲存的碳量與地面解凍和北極河流蔓延時沖刷造成的土壤侵蝕量結合。

氣候變遷影響與未來關切

研究表明，北極地區的溫度已經比工業化前水平升高了3.6華氏度（2攝氏度）以上，也就是大約自1850年以來。她說，根據科學家估計，如果目前的溫室氣體排放得到控制，到2100年，北極永久凍土的逐漸解凍可能會釋放出220億至4320億噸二氧化碳，如果不這樣做，則會釋放出高達5500億噸二氧化碳。根據國際能源機構估計，2022 年的能源消耗向大氣中排放的二氧化碳超過360 億噸，創歷史新高。

Palucis說，北極適應寒冷的時間太長了，以至於科學家幾乎不知道，如果永久凍土加速融化，會釋放出多少碳，或者碳釋放的速度有多快，他的研究小組將北極作為火星的替身，研究紅色星球的表面過程。他的研究小組將北極作為火星的替身，研究紅色星球的地表過程。雖然北極在過去經歷過變暖，但可怕的是現在變暖的速度如此之快。地形必須迅速做出反應，這可能會造成創傷。在一次北極研究旅行中，她看到一塊小樓大小的基岩從懸崖上斷裂。造成斷裂的罪魁禍首是滲入岩石並使其變得脆弱的小股水流。這是一種適應寒冷條件的地貌，因此當你改變它時，即使是少量的水流通過岩石，也足以引起實質性的變化。

她說：『我們對北極地形的了解或多或少與100 年前對溫帶地形的了解相同。這項研究邁出了重要的第一步，表明我們對溫帶流域的模型和理論無法應用於極地地區。在了解這些地貌方面，這是一扇全新的大門。”

從北極地區採集的沉積物岩芯顯示，大約1萬年前有大量的土壤徑流和碳沉積，這表明當時的北極地區比現在溫暖得多。如今，賓州和美國大西洋中部等地區位於冰河時期冰川最遠的南面，預示著現代北極地區的未來。

Del Vecchio 說：”我們有一些過去的證據表明，當氣候變暖時，大量沉積物被釋放到海洋中。現在，我們的論文提供了一個快照，顯示隨著氣候變暖，北極會有更多的水道。但這一切都不等於說，’這就是當你把一個寒冷的地貌迅速升溫時會發生的事情’，我不認為我們知道它會如何變化”。

編譯來源：ScitechDaily