2023届高考地理一轮复习 学案 多年冻土 盐穴压缩空气储能

什么是多年冻土? 所谓多年冻土（permafrost），是指持续多年冻结的土石层。一个典型的多年冻土见图1：地表有一些覆盖物（土壤或一些植被），这一层一般会季节性的消融和冰冻，温度变化较为剧烈，所以叫活动层（图1，2）。在其之下是多年冰封的岩石或土壤（图1白灰色部分），即多年冻土，他们的温度较为稳定，维持在0摄氏度以下。所以一般人站在地上是看不到多年冻土层的。有多年冻土的区域大概占北半球陆地的24%，其不止是在极地区域，也分布在高山等海拔较高的区域（比如我国青藏高原地区）。 图1. （左侧）一个典型的极地区域的多年冻土层（自挪威），图自JeffVanuga/Getty。（右侧）冬季和夏季时冻土层和活动层的垂向温度。 冻土层的厚度从高纬到低纬逐渐减薄，以至完全消失。例如，北极的多年冻土厚达百米到千米（图2）。永冻层的顶面接近地面。逐渐向南，多年冻土厚度减到100m以下，永冻层的顶面埋藏变深。大致北纬48°附近是多年冻土的南界，冻土厚度仅1～2m。超过这一界限，就从连续冻土带过渡到不连续冻土带（图2）。后者由许多分散的冻土块体组成，这种分散的冻土块体称为岛状冻土块（图2）。 图2. 多年冻土层从高纬度（左）向低纬度（右）的变化示意图。 全球变化下的多年冻土 多年冻土近年来受到非常多的关注和警惕，首先是因为地表温度在北极和北半球高纬度陆地地区上升非常剧烈，这个现象一般被称作“北极放大”现象。从全球地表温度长期趋势图中（图3）可以非常明显的看到，全球气温上升最快的区域在北极地区和北半球陆地。平均而言北极气温变化趋势是全球平均趋势的2倍！为什么会发生“北极放大”现象依然是一个前沿的研究话题。但陆地变暖速率比海洋上变暖剧烈很好理解：陆地比热容比海洋小，在同样的太阳能量照射下，陆地升温更为剧烈。 图3.1970-2018年全球地表温度上升幅度。 全球地表温度上升最快的区域正是多年冻土主要分布的区域！受全球变暖驱动，冻土层也在不断变暖！图4为过去十年北极地区连续性冻土层、高山冻土层的温度变化。可以看到仅仅10年时间，北极冻土层温度上升了约0.4摄氏度；高山冻土层温度上升了约0.2摄氏度。相比而言，全球平均地表温度过去10年只上升了约0.15摄氏度。 图4.过去十年北极地区连续性冻土层（上）以及高山冻土层（下）的温度变化。图自Biskabornet al. 2019。 多年冻土：另一个潘多拉魔盒? 多年冻土以及冰盖冰川等相当于地球的“冰箱”：就像家里的冰箱温度低所以食物等有机物质的储存时间较长，所以大量生物包括动物遗体、植物、微生物等被“冰封”到多年冻土里面。两极冰盖封存的东西反而少，因为很少有生物可以在极地生存，南北极地区域大部分区域都是无人、无生物区。可以想象，如果冻土融化，其中封存的东西将被释放出来！那么，这将打开一个“百宝箱”，还是一个“潘多拉的魔盒”呢？？很不幸，大概率是后者： 1. 释放温室气体，加剧全球变暖。很多多年冻土中富含有机物（长久以来上层动植物死亡后被埋在地底），冰冻可以减缓永冻层内的有机物分解（参照冰箱里的蔬菜和肉坏的慢）。据估计，多年冻土中的含碳量是大气中的两倍，约为16000亿吨。但是，如果温度上升，多年冻土融化，微生物将迅速分解暴露出来的有机物，同时释放出温室气体：二氧化碳、甲烷、一氧化氮等，加速全球气候变化（Schuuret al. 2015; Biskaborn et al. 2019）。特别是甲烷，甲烷虽然在大气中含量少，且是短寿命温室气体（在大气中十年以内几乎就会被化学反应掉；相比而言，二氧化碳一旦排放到大气，可以停留上千年），但甲烷的温室效应是二氧化碳的30倍！！甲烷的大量释放可以在短期内急剧推升全球气温。而且，这是一个正反馈（permafrost carbon feedback）：多年冻土融化->释放温室气体->全球变暖加剧->多年冻土融化！“潘多拉的盒子”一旦打开，就合不上了！ 2. 破坏土地稳定性，破坏上层建筑和设施。在接近极地和中低纬度高山区域，很多设施比如公路、房屋等都建设在多年冻土之上。据估计，全球大约350万人生活在多年冻土或邻近区域。一旦多年冻土开始部分消融，上层土地开始变得非常不稳定，滑坡等地质灾害必然会加快，破坏建造在其上的设施。图5是加拿大一个小镇上被不稳定的土地破坏的道路。受不稳定的多年冻土影响的区域还有俄罗斯、阿拉斯加、挪威、中国高原区（青藏高原）等等。 图5. 多年冻土融化破坏其上的道路 3. 释放出封存在其内的各种污染物、微生物。一些科幻片或者恐怖片中总有这样的情景：在某个深埋地下的隔绝世界中保留着上古时期的怪物，某个nozuo no die的人一不留神释放出这些怪物，然后怪物就开始大开杀戒（ps这种电影中总有睿智的科学家救场）。实际情景当然没这么可怕，但也足够惊悚。最近发