科学好故事|格陵兰岛的隐秘洞穴关乎人类的过去和未来

发布时间2021-09-23 10:01 作者:佚名 原文链接:点击获取

来源:wired

作者:EMMA BRYCE

翻译:任天

2008年7月,由于格陵兰岛西海岸的气候变化,罗素冰川快速流失

2008年7月,由于格陵兰岛西海岸的气候变化,罗素冰川快速流失

半个世纪以来,科学家们一直想知道格陵兰一个神秘洞穴中隐藏的秘密。现在,他们已经接近谜底。

2008年冬天,吉娜·莫丝莉的职业轨迹因为一次酒吧里的交谈而改变。当时,莫丝莉在英国布里斯托尔大学攻读博士学位,研究方向是洞穴环境,并且已经成为一名崭露头角的古气候学家。在酒吧里,她与布里斯托尔大学洞穴协会的成员见了面,并与资深洞穴探险家查理·塞尔夫交攀谈起来。

塞尔夫告诉莫丝莉,在遥远的格陵兰岛北部有一个巨大的洞穴,嵌在陡峭的悬崖顶上,离地面数百米,令人难以接近。20世纪60年代,美国陆军在冷战侦察任务期间拍摄了该洞穴的第一张正式图片,当时飞行员正试图寻找紧急的无冰降落跑道。从那时起,包括塞尔夫在内的一些研究人员都尝试过探洞,但都没有成功。有些人甚至把直升飞机停在洞口附近,往里面看,但看到的只有漆黑的洞口。

洞穴往往能提供关于历史气候的最可靠线索,这些线索就隐藏在洞穴顶部和地面的钟乳石及石笋中。在年轻的古气候学家莫丝莉看来,格陵兰岛北部的气候正发生着迅速变化,这个未被探索的洞穴很可能是非常重要的突破口,有着极大的吸引力。“一想到要去探险,我立刻就兴奋起来,”莫丝莉说道。塞尔夫将收集到的信息借给了莫丝莉,她复印了一份,然后就放到了抽屉里,“我不知道该拿它怎么办”。多年来,莫丝莉偶尔会想到那个洞穴,想象着自己前往那里探险的情形,“但当时的我没有信心,甚至不知道从哪里开始”。

格陵兰岛库鲁苏克附近的Apusiajik冰川

格陵兰岛库鲁苏克附近的Apusiajik冰川

十多年后,莫丝莉已经有了三次前往格陵兰岛短暂探险的经验,尽管是去更南部的洞穴;她还得到了一笔慷慨的资金支持,似乎到了做出改变的时候了。现在,莫丝莉是一位经验丰富的洞穴探险者、极地探险家,也是奥地利因斯布鲁克大学的古气候学家,她正准备带领一支六人探险队前往北极圈,对那个神秘的洞穴展开探索。这将是世界上第一支造访该洞穴的探险队。对该洞穴内部物质的研究将使我们得以一窥地球北极地区的深层历史。如今,这些地区的升温速度是地球上其他地区的两倍,了解那里曾经的样子可以帮助我们预测地球的未来:如果北极继续融化,全球气温继续上升,灾难性的海平面上升将给人类带来什么样的风险?

莫丝莉对洞穴的热爱始于12岁时参加的一次家庭露营旅行,当时她去了英国萨默塞特郡的切达。在导游的带领下,她得以参观当地的一些洞穴,并第一次进入了黑暗且如同迷宫般的地下世界。她立刻迷上了那种在泥泞中爬行的感觉,并开始将送报赚的钱节省下来,用于在度假时再次进入那些奇妙的洞穴。“我非常喜欢这种感觉,”莫丝莉说,“其他人可能会在去威尼斯的时候体验到这种感觉,当他们在小巷里闲逛时,会很想知道拐角处有什么——那种兴奋的感觉,我在地下的时候就感受到了。”

几年后,莫丝莉开始攻读古气候学博士学位,这也将她的两个兴趣——洞穴探险和气候变化——结合了起来。洞穴在气候研究中很有价值,因为许多洞穴具有丰富的化学沉积物,也就是洞穴堆积物(speleothems)。这是由矿物沉积物构成的地质特征的总称,而这些地质特征形成了石笋、钟乳石和流石,它们或从洞穴顶部悬挂下来,或从地面上隆起,像蚁丘一样。在数千年的时间里,来自外部世界的水滴通过洞穴顶部慢慢落下,使洞穴堆积物不断生长。矿质方解石沉积物形成了基础的物理结构,随着时间的推移,像头发一样薄的沉积物层堆积起来,有点类似树木的年轮。每一滴水都带有其化学特征,可以告诉我们当它沉积时,地表正在发生的过程。方解石、氧气、碳,甚至洞穴内的土壤、花粉和植被的痕迹,共同构建了过去环境的样貌,为科学家提供了历史上大气二氧化碳水平、温度、降雨量,甚至洞穴周围栖息地的线索。

与此同时,洞穴本身也极好地保存了这些珍贵的记录,使它们成为回顾过去的窗口。洞穴与地表环境有许多联系,但也得到了很好的保护,不受地表环境的影响。这意味着许多信息就隐藏在地表之下,默默记录着几十万年,甚至几百万年发生的变化。在很大程度上,稳定的洞穴环境完整保留了对过去气候的长期、详细的记录。相比之下,海洋沉积物更容易受到动物的干扰,冰芯则会在温度变暖时融,作为一种存档类型,洞穴具有一些不错的优势。

随着铀钍放射性测年技术的进步,研究人员可以更精确地分析洞穴堆积物的年龄,精度可达20年左右。结合沉积物中所包含的环境信息,我们可以非常确定地说明某些事件发生的时间。当涉及到气候记录时,洞穴记录只是更大图景的一小部分,但由于洞穴遍布世界各地,它们的洞穴堆积物有助于填补其他信息保存措施的空白。与此同时,洞穴堆积物的详细记录也有助于建立一个更丰富的资料库,帮助描绘全球过去历史的环境变化。你可以逐步开展工作,以更加全球化的方式呈现环境的样貌,但需要有属于特定地区的信息,这将有助于研究人员发现更广泛的气候趋势,并比较地区之间的差异和联系。

由于以往气候的一些特征反映了当前正在经历的气候变暖——以及未来将面临的气候变化问题——因此这些洞穴记录将为未来的气候研究提供了宝贵的指导。研究人员正在尝试进入历史上那些比现在更温暖的时期,希望能找到相关的例子,告诉我们真实的气候和环境可能是什么样子。

1948年夏季,探险人员进入了格陵兰岛的一个洞穴

1948年夏季,探险人员进入了格陵兰岛的一个洞穴

到目前为止,为了搜寻洞穴堆积物,莫丝莉已经环游了世界。她曾经划船穿过法国古尼尔洞穴(Grotte de Gournier)的地下湖,上方的钟乳石如同悬挂的吊灯。在美国内华达州的魔鬼洞(Devil’s Hole Cave),她曾爬下152米高的岩石表面,抵达洞穴底部取样。她还参加过一个探险团队,前往巴哈马的水下水晶洞穴收集石笋,有一部IMAX纪录片记录了她的这项工作。不过,莫丝莉最在意的还是格陵兰岛北部那个冰冷的洞穴,因为那里隐藏着气候变化对地球未来影响的一些最具启示意义的线索。这让莫丝莉不断想前往那个条件恶劣,几乎无法到达的地方。

距离查理·塞尔夫第一次将那个洞穴的文件交给莫丝莉已经过去了许多年,现在,她终于找回了那些文件,重新燃起了对格陵兰洞穴的迷恋。在一堆论文中,她发现了一项关于格陵兰岛东北部一个洞穴中一块流石的研究。流石是由洞穴内不断流动的水沉积形成的薄片状堆积物。“在那一刻,(出发的想法)更加引起了我的兴趣,因为我知道在格陵兰岛至少有一个样品可能包含了一些物理气候信息,”莫丝莉说道。

当这个“灵光一现”的时刻出现时,科学界对格陵兰岛东北部的了解还极其有限。穿越这片荒凉地域需要冒极大的风险,并付出高昂的成本,这让大多数北极探险家望而却步;除了管理丹麦军事基地的5个人之外,该地区没有任何永久居民。即使在上世纪初,人们也不知道格陵兰岛东北部的海岸线是什么样子的,因为当时还没有绘制地图。对于洞穴以及洞穴堆积物,相关的知识就更匮乏了。

不过,来自这些偏远地区的地质样品可以为全球气候变化提供独特的重要见解。北极变暖的速度是全球平均速度的两倍,那里对气候变化非常敏感,我们需要更多关于未来可能情况的信息,即使在如今冰冷的北极圈内只发现少量洞穴堆积物,那也能表明该地区以前比现在更潮湿、更温暖,因为洞穴堆积物的形成必须有流动的水。在历史上的许多时期,地球都比现在更为温暖,这是由于地球相对于太阳的位置等因素造成的。一些更温暖的时期也造就了一个非常不同于如今地球的世界。例如,当时的海平面明显更高,地球环境更不适合人类生活。

至关重要的是,这些变化发生在不同的地理和时间尺度上,不同于我们现在经历的由人类引起的环境剧变。不过,从格陵兰东北部地区过去变暖的历史中寻找线索,无疑将帮助我们理解北极正在加速变暖的后果,以及极地冰川融化将以怎样的方式加剧全球海平面上升。格陵兰岛正回到一个更温暖的、超出人类认知范畴的状态。如果我们有落叶树在北极生长的历史证据,那当时的赤道又会是怎样一番景象?

在前人研究中那块流石的鼓舞,莫丝莉在2015年开始了第一次格陵兰东北部探险(后来她又进行了两次探险)。在没有任何证据的情况下,这个初始项目很难通过传统的途径筹集资金,最终探险队从59个私人赞助者那里获得了捐款,得以进入洞穴所在的地区。莫丝莉和4位同事——其中一位是她的伴侣、《国家地理》杂志洞穴摄影特约记者罗比·塞恩——开始了一场艰苦的、铁人三项式的长途跋涉,试图穿越格陵兰岛东北部寒冷的多岩石地形。乘坐一架DHC-6(代号“双水獭”)飞机,他们先是来到了一条偏远的着陆跑道上,随后乘船穿越一个巨大的湖泊,再进行为期三天的徒步旅行;最后,他们爬上了不断崩落的碎石斜坡,终于到达了朝思暮想的神秘洞穴。

到达目的地之后,他们发现,这趟旅程得到的奖励远远超出了预期。“我们发现,那里的洞穴数量远比我们想象的多得多,而且里面绝对充满了洞穴堆积物,”莫丝莉说道。这些洞穴堆积物的数量如此之多,以至于团队最后不得不卸下食物,为从洞穴深处收集的珍贵样品腾出空间。“我们冻干的食物换成了一块块岩石,”莫丝莉说道。

2018年和2019年,探险队又两次前往格陵兰岛东北部采样。到目前为止,他们利用这5年间采集的洞穴堆积物样品,已经取得了好几个重要发现。最近的一项研究发表在今年的《科学进展》(Science Advances)杂志上。论文中指出,他们收集的一些洞穴堆积物标本可以追溯到58.8万年前,那时格陵兰还处于没有冰芯记录的温暖时期。他们在沉积岩层中发现了气候变暖的证据,当时的气温比现在高出3.5摄氏度,导致了降雨量的增加和永冻层的融化——这一过程向大气中释放了更多的二氧化碳。

我们有可能再次看到一个类似的世界,只不过是在一个非常不同、人为造成的气候变化机制下。在格陵兰岛最北部山区的神秘洞穴中,或许还有可以追溯到更久远历史的线索。

保罗·史密斯表示,如果你把格陵兰岛想象成一只手,那这个洞穴就坐落在其中一根名为武尔夫岛(Wulff Land)的“手指”上,似乎就指向北极。他是为数不多的近距离观察过这个洞穴的研究者之一。1984年,史密斯在一架岌岌可危的直升机上,透过窗户看到了这个洞穴。当时,史密斯正在武尔夫岛进行他的首次格陵兰岛地质考察。在返回大本营的途中,他让直升机飞行员从洞穴附近飞过去,以便他能看到里面的情况。

他回忆道:“当时有一股可怕的上升气流,我们感受到了明显的颠簸。”然而,更让史密斯吃惊的是洞口的规模;他估计甚至可以容纳一架直升机。在史密斯看来,这个洞口本身就是研究历史气候的诱人线索。他说:“这里什么时候会有足够的水,能形成一个大到足以让直升机降落的洞穴通道?”

几十年后,史密斯将他那天拿到的一些照片交给了莫丝莉,也正是这些神秘的照片,让这个洞穴在莫丝莉的记忆中停留了这么多年。遗憾的是,当时查理·塞尔夫已经去世,他甚至没能见证2015年的第一次探险。不久前,莫丝莉获得了劳力士颁发的“雄才伟略大奖”,利用这笔奖金,她梦想已久的探险成为了可能。这笔钱将用于支付探险队前往武尔夫岛和穿越恶劣地形的高昂费用。该团队由6人组成,其中包括莫丝莉、她的摄影师伴侣、一位绳索专家和一名医生(探险队远离救援,如果有人受伤,或是天气系统发生变化,“我们可能需要一两个星期才能得到救援,”莫丝莉解释道)。

目前,莫丝莉正在计划下一次旅程:从大本营徒步到洞穴入口,这段长途跋涉将以洞穴所在的悬崖高原顶端为终点;接下来将是“从顶部开始的1600米绳降,然后就是这个巨大的黑洞。这就是我们目前所能看到的一切。”(她还将探访该地区的其他几个洞穴,以扩大该地区洞穴标本的采样量)

莫丝莉不确定她会在这个神秘的洞穴里找到什么。一方面,她的探索正是由这种不确定性驱动的。这个洞穴在冷战时期才被第一次拍摄,到现在还没有被深入探索过,它是世界上最北的洞穴之一,谁不想知道里面有什么呢?

另一方面,这个洞穴里的堆积物也有可能提供非常独特的数据,帮助研究者预测未来的气候变化。武尔夫岛的洞穴距离格陵兰岛东北部的洞穴足足有600到700公里。它们离得足够远,可能会对气候变化做出非常不同的反应。这些洞穴也位于格陵兰岛的最北端,与冰冻的北冰洋相接;随着气温变暖,北冰洋的海冰融化可能会深刻影响这片陆地,将来自这些洞穴的数据纳入研究“将为有关气候变化的认识提供额外的价值”。

莫丝莉还抱着一个渺茫的希望,认为这些洞穴里可能保存着更久远年代的洞穴堆积物。利用特殊的年代测定方法,她或许能够了解更古老的地球气候信息。从理论上讲,或许能追溯到300万年前。归根结底,洞穴的位置使其数据具有独一无二的价值:如果记录显示,这个冰冻的北极地区曾经是潮湿和温暖的景观,那么随着格陵兰北部人为造成的冰川快速流失,全球会有怎样的影响?

对莫丝莉来说,要回答这一问题,需要几个月的探险计划,并在极端环境下进行连续数周的采样,之后可能还需要数年的分析。在这种极其不确定,而且充满风险和困难的背景下,是什么促使她继续挺进洞穴的深处呢?

除了对洞穴环境的着迷,莫丝莉现在还有了另一个继续寻找历史气候线索的理由:她五个月大的孩子。“我的确在更大的研究问题上投入了精力。但我觉得,在我自己有了女儿之后,这些问题就变得更重要了,”她说,“等她长大后,欧洲就见不到冰川了,这让我觉得很难过。”