理士蓄电池 北极 地球北部 总面积超过2100万平方千米的 极寒地带 (北极地区范围示意,所示国家为部分领土位于北极地区的国家,制图@张威&王申雯/星球研究所) ▼ 184万平方千米的冰川 覆盖陆地 (格陵兰岛冰盖局部,图片来源@视觉中国) ▼ 1100万平方千米的海冰 冻结海洋 (漂浮的大片北极海冰,图片来源@视觉中国) ▼ 高空之中 极度寒冷的北极涡旋 随时准备南下 用寒潮侵扰四方 (因北极与其他地区的温度差异等因素,北极及周边区域上空长期存在着北极涡旋与极锋急流,并将极地的冷空气束缚其中;下图为北极涡旋与极锋急流示意,制图@王申雯/星球研究所) ▼ 但是 冰封的极地 却并非地球的常态 两极冰封的“冰室地球” 在地球46亿年的岁月里 出现次数寥寥无几 可对于人类而言 这个冰封的北极却非常重要 在一个越来越热的世界里 遥远北极的命运 将会影响到我们每一个人 (一只北极熊在冰面上奋身起跳,摄影师@沈辉) ▼ 是谁冰封了北极? 又是什么样的力量 让它急速消融? 一切要从千万年前 “凛冬“的降临说起 01 凛冬降临 与南极以陆地为主不同 北极以北冰洋为中心 陆地环绕四周 仅有白令海峡、挪威海等少数通道 可让北冰洋与外界相连 (北冰洋范围示意,不同机构组织对北冰洋范围的定义存在差异,本文以图中所示边缘海作为北冰洋范围的边界,制图@张威/星球研究所) ▼ 这也使北冰洋 成为全球最小的大洋 仅有1400多万平方千米 为太平洋的7.7% 外号“北极地中海” 广阔的大陆架伸入北冰洋的海底 除大洋中部由三条海岭 分隔形成的四片海盆较深外 北冰洋的平均深度仅有1200多米 是全球最浅的大洋 (请横屏观看,北冰洋海底地形示意,制图@张威&王申雯/星球研究所) ▼ 如此的海陆格局 历经了数千万年的地质演变 而在这场演变的早期 地球还十分温暖 北冰洋表层温度甚至可以高达23℃ 堪比今天的亚热带 但数千公里外的地质运动 即将把地球抛入刺骨的寒冷 约8000万年前起 广泛而持续的造山运动 从欧洲的阿尔卑斯 经伊朗的札格罗斯 到亚洲的喜马拉雅 制造出规模巨大的超级造山带 并持续至今 (白垩纪晚期以来全球板块运动示意,制图@王申雯&郑艺/星球研究所) ▼ 群山逐渐隆升 大量的新鲜岩石暴露地表 逐渐被雨雪风霜破坏 与大气发生复杂的化学反应 消耗了大量的二氧化碳 减弱了温室效应 以至于在最近的5500万年里 地球开始逐渐降温 约1300万年前 北冰洋的表层海水逐渐冻结 形成了大范围全年存在的海冰 (请横屏观看,北冰洋海冰,图片来源@视觉中国) ▼ 随着地球继续降温 北冰洋很快就被彻底冻结 北极周边的陆地 也开始被冰雪覆盖 约700万年前 格陵兰岛的积雪 逐渐压实成冰 形成冰川 (格陵兰岛的冰川,图片来源@视觉中国) ▼ 随着全球气温逐渐降低 冰川自高向低扩张 直至从陆地延伸至海面 成为矗立海上的白色绝壁 浑厚壮观 (请横屏观看,斯瓦尔巴群岛上延伸至海面的冰川,摄影师@梅元皎) ▼ 当延伸至海面 冰川在重力、海浪等作用下 断裂、坍塌、崩解 便形成了漂浮于海上的冰山 (格陵兰岛附近海域的冰山,摄影师@Thomas看看世界) ▼ 而陆地上冰川的体积不断增长 范围也越来越大 至约275万年前 北冰洋周边陆地的大量冰川 已彼此相连成巨大、巨厚的冰体 可以将下方的山谷、山脊悉数覆盖 冰盖 诞生了 (请横屏观看,俯瞰格陵兰岛的冰盖,图片来源@视觉中国) ▼ 至此 整个北极以及周边地区 变成了地球的白色穹顶 再加上从约3400万年前 就逐渐被冰盖覆盖的南极 地球正式变成两极冰封的 “冰室地球” (当地球南北两极均有大量冰体覆盖时,即为“冰室地球”,如今我们所处的“冰室地球”时期, 在近5亿年来的历史中仅为第3次 ;请横屏观看,图为 斯瓦尔巴群岛上的冰川,摄影师@陈建伟) ▼ 然而 在地球整体寒冷的基调下 也有着小幅度的冷暖交替 每隔数十万乃至数万年 地球的公转姿态会发生微小变化 接受的太阳能量随之波动 气候也出现冰期和间冰期的变化 在最寒冷的冰期 北极冰盖范围极大 可向南延伸到北纬37° 格陵兰岛、北美大陆大部、欧亚大陆北部 几乎全被覆盖 再加上南极洲冰盖和陆地高山冰川的贡献 全球海平面可下降超过百米 (随着地球气候周期性变化,冰盖的范围和体量也一直在变化,约两万年前的末次冰盛期是距离我们最近的一个极寒时刻,海平面下降了约130米;下图为末次冰盛期冰盖范围,其中海岸线为海平面下降130米后的位置,制图@王申雯&张威/星球研究所) ▼ 但冰期之后的间冰期 全球气候会重新回暖 约1.2万年前 距离我们最近的一个冰期结束 快速的增温 令广阔的冰盖再次后退 人类熟悉的现代北极 开始逐渐成型 02 冰雪行迹 冰向高山和北方退去 在北极外围的陆地上 留下许许多多的冰川地貌 在北极和周边的山岭中 冰川从山麓后退至山顶或消失不见 留下许多棱角分明的刃脊 尖锐锋利的角峰 还有呈U形的冰川槽谷 (阿拉斯加北极之门国家公园的 冰川地貌,图片来源@视觉中国) ▼ 无论是北欧的斯堪的纳维亚山脉 还是阿拉斯加的布鲁克斯岭 北极和周围的山地 因为极其丰富的冰川地貌 尽显凌厉之态 (挪威赛尼加岛的冰川地貌,它属于斯堪的纳维亚山脉的一部分,摄影师@苏铁) ▼ 其中 冰川在海岸山地塑造的峡湾 尤为特别 (请横屏观看,格陵兰岛的峡湾景观,摄影师@Thomas看看世界) ▼ 在寒冷的冰期 冰川在群山间刨蚀出许多U型槽谷 随着冰川退却、海平面上升 海水逐渐淹没U型槽谷 并向内陆不断延伸 幽深狭长的峡湾便诞生了 (峡湾形成示意,制图@王申雯/星球研究所) ▼ 位于格陵兰岛的 斯科斯比松峡湾 长度达到350千米 且拥有树枝般繁多的分叉 构成了世界上最大的峡湾体系之一 (格陵兰斯科斯比松峡湾卫星图,图片来源@NASA) ▼ 而被 斯堪的纳维亚山脉 纵贯全境的挪威 更是拥有近1200条峡湾 海岸线变得无比曲折 总长度超过2.5万千米 其中约90%都位于峡湾两侧 (挪威海岸沿线峡湾分布,制图@陈志浩/星球研究所) ▼ 山区之外 不断向北退却的冰川 则揭开了冰下世界的秘密 在更久远的年代里 这些冰川向南发育、扩展时 在地表岩石软弱之处 刨蚀出许多洼地 如今随着冰川退却逐渐暴露出来 被融水填满后 形成星罗棋布的冰蚀湖 (冰蚀湖形成示意,制图@王申雯/星球研究所) ▼ 1/4国土位于北极圈内的芬兰 拥有近19万个湖泊 仿佛镶嵌于大地上的无数宝石 (芬兰的心形冰蚀湖,是派加尼湖的附属小湖 ,图片来源@视觉中国) ▼ 最大的塞马湖(Saimaa) 面积达到4400平方千米 将数千座岛屿拥入怀抱 (请横屏观看,芬兰最大的湖泊塞马湖,图片来源@视觉中国) ▼ 古老的冰川 塑造了北极部分地区的面貌 但北极依旧寒冷 广泛分布的冻土 还塑造了一些更加奇特的景观 当地下水体结冰膨胀 上部的泥土被顺势顶起 在大地上产生了许多小丘 被称作冻胀丘 (位于加拿大西北地区图克托亚图克的冻胀丘,摄影师@Kristian Binder) ▼ 而对于冻土地区的地表水体 由于反复发生冻结和消融 地面逐渐塌陷、积水 形成数不胜数的热融湖 (热融湖形成示意,制图@王申雯/星球研究所) ▼ 从高空俯瞰时 这些热融湖密集分布、形状各异 在辽阔的北极大地上 描绘着出人意料的图案 (西伯利亚亚马尔半岛的密集热融湖,图片来源@视觉中国) ▼ 经过长期的消融与退却 在如今的北极 冰川已基本退出北极外围的大陆 只残存于北冰洋外围的岛屿上 例如斯瓦尔巴群岛的群山之间 蜿蜒着1600多条冰川 这个面积仅有6万多平方千米的群岛 有一半以上的陆地 被冰川覆盖 (斯瓦尔巴群岛上的冰川,图片来源@视觉中国) ▼ 格陵兰岛 则保存着北极仅剩的冰盖 总面积超过170万平方千米 覆盖着格陵兰岛85%的陆地 (格陵兰冰盖景象,图片来源@视觉中国) ▼ 冰川从北极的陆地 大幅退却 而海冰的范围 也已不及冰盛时期 (北冰洋海冰,图片来源@视觉中国) ▼ 它随四季冷热轮转 寒冬后的三月 北冰洋的海冰面积最大 可以延伸至太平洋与大西洋 总面积达到1540万平方千米 而盛夏后的九月 便仅剩640万平方千米 退居北冰洋一隅 (以上数据为1981-2010年三月、九月北冰洋海冰延伸范围的平均值;下图为北冰洋冬夏海冰延伸范围示意 ,制图@张威/星球研究所) ▼ 冰室地球背景下的小升温 让北极冰雪退却 不仅重塑了北极的面貌 也使各类动植物 重新向北极进发 将北极再度变成 生灵的热土 (北冰洋海的海冰和北极熊,图片来源@视觉中国) ▼ 03 生灵热土 北极圈附近的陆地 是北极相对温暖的地方 虽然年平均气温往往不到5℃ 但由松树、云杉、冷杉等针叶树组成的森林 仍能在这里成片地生长 这便是北方针叶林 又称泰加林 (请横屏观看,西伯利亚的北方针叶林,图片来源@视觉中国) ▼ 其范围 从北纬50度延伸至北纬70度 覆盖欧亚、北美大陆北部的大部分区域 以约11.5%的地球陆地面积 成为世界上最大的生物区系 也是世界上最北的森林 (北方针叶林范围示意,制图@张威&王申雯/星球研究所) ▼ 每当寒冬降临 这些针叶树便会停止生长 进入冬眠状态 细胞壁与细胞内物质还会发生轻度分离 即使细胞之间结冰 细胞内也不易形成冰晶 从而避免受到损害 而当夏季来临 它们在较低的温度下便被“唤醒” 以便充分利用短暂的夏季生长 (位于西伯利亚南部西萨彦岭的北方针叶林景观,图片来源@视觉中国) ▼ 凭借这样的本领 它们在北极密布成林 蔓延千里 成为冰天雪地中的 森林王者 (请横屏观看,乌拉尔山冬季的北方针叶林,图片来源@视觉中国) ▼ 而在纬度更高、更加寒冷的地方 北方针叶林也无法生长 另一种植物群落 开始展现它们的本领 这是由苔藓、地衣、草本植物 以及一些矮小的灌木等组成的 苔原 (格陵兰冰盖附近的苔原植被,图片来源@视觉中国) ▼ 这些看似纤弱的植物 在地球最北的土地上 呈现出勃勃生机 其分布面积超过1100万平方千米 (北半球苔原范围示意,制图@张威&王申雯/星球研究所) ▼ 这里的冬天往往低至-30℃ 苔原植物往往拥有缓慢的生命节奏 用两年甚至更长时间 慢慢完成一次 发芽、生长、开花的全生命周期 为了防止结冰 一些苔原植物还会在细胞内 储存脂肪、糖分等物质 以降低冰点 从而获得御寒的能力 (格陵兰Ula峰下的苔原植被,摄影师@Thomas看看世界) ▼ 植物以外 北极的动物 也演化出了应对寒冷之道 低温海水能够溶解更多的氧气 再加上夏季连续数月的阳光 大量的浮游藻类在北冰洋繁衍 各种鱼类、磷虾等以其为食 吸引着多种捕食者的到来 (北极海域的虎鲸,图片来源@视觉中国) ▼ 虎鲸、独角鲸、北极露脊鲸 等17种鲸类 每年都会来到北极 它们拥有极厚的皮肤和脂肪层 一些种类的脂肪层甚至厚达半米 成为绝佳的御寒“装备” (格陵兰附近海域的两头座头鲸,又称大翅鲸,图片来源@视觉中国) ▼ 海象、海豹 等鳍脚类哺乳动物 有着类似鲸类的御寒策略 皮肤下同样堆积着大量脂肪 让它们看起来憨态可掬 (一只躺在北极海冰上的髯海豹,摄影师@徐征泽) ▼ 但别看它们在陆地上运动缓慢 厚厚的脂肪也带来了流线型的外观 非常有利于水下活动 让它们成为极地最灵活的胖子 (水下的海象,图片来源@视觉中国) ▼ 而在北极的陆地上 驯鹿、麝牛 等植食性动物 多拥有强有力的蹄 能在冬季雪满大地时 挖掘出深藏积雪之下的苔原植物 (俄罗斯弗兰格尔岛雪原上的两只麝牛,图片来源@视觉中国) ▼ 北极狐等肉食性动物 则在不同季节改变毛发的颜色 冬季一身雪白 夏季换上岩土一般的褐色 与环境融为一体 帮助它们隐匿暗处、伺机捕食 (斯瓦尔巴群岛上的一只北极狐,摄影师@徐征泽) ▼ 而拥有2-3米的硕大体型 以及全身乳白色毛发的 北极熊 是北极地区当之无愧的明星 (站在冰上的北极熊,图片来源@视觉中国) ▼ 作为世界上现存最大的陆生肉食动物 它拥有350-700公斤的巨大体重 能以每小时40千米的速度在冰上飞奔 和每小时10千米的速度在水中游泳 是北极的运动健将 而有力的前掌 巨大而锋利的犬齿 以及长时间蹲守的耐心 更使北极熊成为地球最北部的 顶级陆生掠食者 就连海豹、海象、甚至鲸类等大型动物 也在它们的食谱里 (寻觅猎物的北极熊母子,图片来源@视觉中国) ▼ 丰富的生物 令北极地区充满活力 到了1万多年以前 不断迁徙的现代人类 终于踏足这片极北之地 他们在此生存、捕猎 不断适应着北极的极端环境 (驯鹿在北极的人类社会中具有重要的意义,摄影师@LuDi__) ▼ 人们因地制宜 以捕猎海豹、鲸类等动物为生 猎物体内含量颇丰的脂肪 为他们抵御严寒提供了食物保障 食用生肉也使得他们在缺乏果蔬的条件下 能够获得足量的维生素C 不至于患上败血病 (捕猎中的因纽特人,图片来源@视觉中国) ▼ 而人类的智慧 也让他们逐渐学会了 以冰雪为房屋、以兽皮为服饰 饲养雪橇犬和驯鹿 既作为跨越物种的朋友 也作为出行的交通工具 (萨米人村庄与驯鹿,摄影师@吴邺霖) ▼ 凭借着独特的生活方式 人类在北极扩散开来 在格陵兰岛、北欧、西伯利亚等地 形成了因纽特、萨米、雅库特等 独特的北极土著文化 并一直延续至今 (游牧驯鹿的帐篷营地,图片来源@视觉中国) ▼ 但在北极之外 人类生活的世界正在快速改变 特别是近代以来 工业活动排放的巨量温室气体 引发了快速而剧烈的全球变暖 北极的极寒正在被逆转 一场颠覆性的改变 已经悄然开始 04 这个北极不太冷 由于人类活动的影响 全球平均温度从1900年至今 急剧增加了约1℃ 放眼最近一千年的历史 堪称直线上升 而由于极地放大效应的存在 北极的升温幅度 约是全球平均升温的两倍 达到惊人的2℃左右 几乎是地球的“热得快” (北极地区升温异常示意,通过比较北极地区与全球的温度异常分布和平均升温曲线,可见北极地区的升温幅度明显高于全球平均水平,制图@郑艺/星球研究所) ▼ 北极正在融化 格陵兰岛的冰盖不断消融 冰冷的淡水快速流进北大西洋 使影响全球海陆热量分配的温盐环流 变得不再稳定 给全球气候带来更多变数 (格陵兰冰盖上由融水汇成的冰上河,这是冰盖正在消融的迹象,图片来源@NASA) ▼ 北冰洋的海冰快速消融 面积逐渐缩减 在未来的某一个夏天 地球的白色穹顶或将不复存在 (北冰洋夏季海冰延伸范围变化,制图@张威&王申雯/星球研究所) ▼ 对人类而言 一个快速消融的北极 首先蕴含着巨大的机遇 由于化石燃料仍是全球主要能源 在丰厚利益的驱使下 全球的石油工业 正瞄准北极丰富的油气 蕴藏在西伯利亚、阿拉斯加、加拿大北部 甚至北冰洋大陆架深处的油气资源 会变得更容易开发 (西伯利亚的天然气加工厂,图片来源@视觉中国) ▼ 依托煤矿、金属矿产开发 而营建的那些城镇 如俄罗斯的摩尔曼斯克 或挪威的朗伊尔城 也将随着气候的转暖 迎来更大的发展 (请横屏观看,挪威朗伊尔城,其以北纬78°13′的位置被称为地球最北的城镇,摄影师@苏铁) ▼ 海冰大量消融后 经由北冰洋的北极航道或将打开 大幅节省跨洲航行的时间 给人们创造出更多的财富 (北极航道线路示意,制图@陈志浩&王申雯/星球研究所) ▼ 但另一方面 快速消融的北极 也蕴含着巨大的威胁 越来越多的资源开发活动 将威胁北极地区脆弱的生态环境 北极独特的生物多样性 无疑将受到巨大的冲击 (北极熊母子从堆砌的废钢材边走过,图片来源@视觉中国) ▼ 消融中的冻土 则令北极内外的基建设施 在烂泥里变得”摇摇欲坠” (俄罗斯北部因冻土消融而变形的铁轨,图片来源@视觉中国) ▼ 此外 全球冻土中还蕴藏着超过1.6万亿吨的碳 超过大气中碳含量的2倍 其中绝大部分都分布在北极周围 被科学家称为“冻土碳弹“ 若这些碳均以甲烷的形式进入大气 可能会引起气温的显著上升 给人类社会带来灾难性的后果 (2015年发生在西伯利亚亚马尔半岛的甲烷爆发在地表留下一个大坑,而类似的甲烷爆发事件正变得越来越频发,图片来源@视觉中国) ▼ 北极地区的升温 还会破坏北极涡旋和极锋急流的稳定性 使冷空气更容易趁势南下 暖空气更容易北抬 生活在北半球的人们 也将会在全球变暖的背景下 经历更极端的寒潮和酷暑 (不同情况下北极涡旋和极锋急流示意,制图@王申雯/星球研究所) ▼ 几乎可以肯定的是 在未来很长的时间里 北极还会继续改变 但这就是北极 一片充满变化的 寒冰与热土 它经历了从无冰到有冰的变化 在最近的200多万年间 和南极一道为我们呈现了 两极皆覆盖冰雪的现代世界 使人类有机会 亲眼目睹地球46亿年的时光中 极其罕见的“冰室地球” (航拍格陵兰冰盖上的冰面河及冰面湖,图片来源@视觉中国) ▼ 它经历了地球自身的冷暖节律 在最近的10多万年里 和南极一起用冰雪改变地球的面貌 塑造出一个被人类熟知的世界 (请横屏观看,在北极海冰里航行的破冰船,图片来源@视觉中国) ▼ 如今 人类活动造成的全球快速变暖 也在让北极 向着更加温暖的未来 一路狂奔下去 (格陵兰乌马纳克镇和海上冰山,摄影师@Thomas看看世界) 北极的未来会怎样? 或者数亿年后 地球将重新走出“冰室” 两极再无冰雪 或者数万年后 地球轨道将再度变化 冰期再度降临 北极重新进入极盛期 (北极冰崖下的北极熊,摄影师@徐征泽) ▼ 而在人类可以感知的近未来 北极的命运 却掌握在我们每一个人的手中 虽然我们都只是渺小的个体 但无数渺小个体的抉择 也能汇成巨大的时代洪流 (北极光照耀下的挪威特罗瑟姆市,摄影师@陈灿铭) ▼ 北极的未来 将由你我继续书写 而聪明的人类 又将做出怎样的抉择呢? 参考文献 [1]汪品先等. 地球系统与演变[M]. 科学出版社, 2018. [2]秦大河. 冰冻圈科学概论(修订版)[M]. 科学出版社, 2018. [3]刘南威. 自然地理学(第三版)[M]. 科学出版社, 2014. [4]马丹炜. 植物地理学(第二版)[M]. 科学出版社, 2012. [5]姜世中. 气象学与气候学[M]. 科学出版社, 2010. [6]Alan P. Trujillo, Harold V. Thurman. 海洋学导论[M]. 电子工业出版社, 2017. [7]大卫·伯尼. 动物大百科[M]. 南方日报出版社, 2019. [8]Ruddiman, William F. Earth's Climate: past and future (Third Edition)[M]. Macmillan, 2014. [9]李学杰, 万玲, 万荣胜,等. 北冰洋地质构造及其演化[J]. 极地研究, 2010(3):271-285. [10]Newton, A. Arctic ice across the ages. Nature Geosci 3, 304 (2010). [11]Brouillette, Monique. "How microbes in permafrost could trigger a massive carbon bomb." Nature 591.7850 (2021): 360-362. [12]In't Zandt, Michiel H., Susanne Liebner, and Cornelia U. Welte. "Roles of thermokarst lakes in a warming world." Trends in Microbiology 28.9 (2020): 769-779. [13]Batchelor, Christine L., et al. "The configuration of Northern Hemisphere ice sheets through the Quaternary." Nature communications 10.1 (2019): 1-10. [14]Bird, Kenneth J., et al. Circum-Arctic resource appraisal: Estimates of undiscovered oil and gas north of the Arctic Circle. No. 2008-3049. US Geological Survey, 2008. |
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