建造在凍土層上的道路和建筑，未來充滿不確定性
北京時間3月8日消息，在中國的莽莽群山間，一條孤道蜿蜒曲折地通向西藏。這條千余公里長的青藏公路時不時地承擔起該地區85%的貨物運輸。但是，青藏公路的底下卻是流沙。或者，更確切地說，青藏公路建造在正在融化的大地之上。
高速公路下方的永久凍土正在融化，導致地形下陷，進而會使得道路本身扭曲變形。有些高速公路的瀝青路面上已經出現大裂縫。在其他地方，地表下方的褶皺使得路面也像波浪一般高低起伏。
一直以來，研究這些變化的中國研究人員發現，凍土層的融化速度正在加快，青藏公路和其他道路的累積損壞也在加速。2020年4月份發表的一篇論文指出，隨著未來百年內，凍土層融化加速，負責世界這一地區的道路修筑和維護的工程師們將面臨“重大的工程挑戰”。鐵路工程師也將面臨類似問題。
在這片地區——和其他所有氣候寒冷的地方，已經存在數千年的永凍層正在慢慢融化滲入溫暖的大地。建造在永凍層上方的建筑、道路、鐵路和管道正日益面臨損壞的風險。
永凍層融化會為整個世界帶來危險，因為存儲在其中的大量碳元素會在永凍層融化后進入大氣。但是，在短期內，居住在寒冷地帶的人們可能會最先感受到永凍層融化帶來的影響，因為北極和高山地區的氣候變暖趨勢正在加快。
許多世紀以來，生活在寒冷地區的土著居民早已學會適應周圍氣候。但是，當工業化社會蔓延到這些偏遠地區時，他們也開始嘗試使用鋼筋混凝土來政征服北極。不幸的是，工業化加速了氣候變化，讓這些地區的寒冬不再嚴寒。
已知會因永凍層融化而遭到損壞的建筑數量龐大，且種類繁多，包括俄羅斯雅庫茨克市的公寓墻，有的墻面已經開始開裂。俄羅斯的和其他國家的地下管道，也因為地面沉降而有破裂的危險，嚴重地可能會導致災難性的石油泄漏事故。再有，比如加拿大西北地區因紐維克的勝利之母堂。多年來，教堂的神職人員眼看著地面沉降導致建筑變形。
工程師如今必須意識到曾經堅固的地表，會發生危險的變現。在這個過程中，他們也不斷采用創新方法，嘗試冷卻腳下的地球，從永凍層的大規模融化中拯救人類建筑。
蓋伊·多雷曾親眼目睹了永凍層融化對當地造成的影響。瀝青路面的裂縫不僅長而且寬，甚至可以一只腳踩進去。就職于加拿大拉瓦爾大學的多雷，這些年內一直在研究永凍層融化對建筑基礎設施的影響。他說：“問題很嚴重。”他又補充說，在加拿大，大約有3000公里到4000公里的道路建筑在永凍層區域，其中約有一半的公路因為凍土的融化，而變得越來越不穩定。“這些道路需要大量的額外資金去維護，可惜的是，問題嚴重的地區往往資源也十分匱乏。”
永凍層融化引起的地面沉降是一個緩慢漸進的過程。假如一小段瀝青路面開裂，你不能簡單地重鋪一下路面就把問題解決了。隨著地面繼續沉降，路面損壞會再次出現，快的話，可能就在一年之后。
多雷說，人們在這些偏遠地區修建道路的時候，他們已經想到地下的凍土融化可能會影響道路的穩定性。因此，二十世紀中葉的工程師通常會在修路前，在冰凍的地基上撒上沙礫。這些沙礫可以起到阻隔凍土的作用，使得永凍層上升到更高水平，進而穩定地形。但是，在有些地方，由于凍土融化太多，這些緩沖沙礫不再有效。
多雷說：“眼下，曾經從未融化的古老凍土層正在逐漸瓦解。”
氣候變暖可能是造成這些變化的一個主要原因，但不是唯一的原因。許多路面鋪澆的深色瀝青會吸收太陽熱量，然后傳遞到地表下面，進一步加速凍土融化。
損壞通常以局部形式發生。例如，到目前為止，大約有20%的青藏公路因地面沉降出現累積損壞，而其余部分到目前仍相對穩定。
盡管建筑物的占地面積要小很多，但它們也面臨風險。根據《紐約時報》的報道，在俄羅斯的雅庫茨克，永凍層融化已導致約1000棟建筑出現沉降和損壞。雅庫茨克人口約28萬，是建筑在永凍層之上的最大城市。
位于挪威和北極之間的挪威群島斯瓦巴特群島也出現了類似的情況。最近幾年，當地人拆除了數百棟木頭房子，因為在扭曲的地面上，木屋如今變得越來越危險。不幸的是，隨著時間的流逝，這些問題只會讓人越來越頭疼。
2020年，當地研究人員記錄到斯瓦巴特群島自有記錄以來溫度最高的夏季。挪威極地研究所的極地科學家金·霍爾門說：“我們看到了前所未有的冰川融化和凍土消融。”
或許，使用更加堅固的地基或改善建筑結構下方的通風情況，可以緩解凍土融化對建筑物的影響。例如，在一些俄羅斯的小鎮上，三分之一或一半的建筑因永凍層消失受到累積損壞。但是，有的損壞，如果在未來能得到更好的維護的話，仍是可以避免的。2018年發表的一項評估顯示，未來數年，北極地區三分之一的基礎設施建筑將因永凍層融化而面臨危險。
在加拿大北部，有一棟建筑表明，緩解這些壓力十分困難。因紐維克小鎮上的勝利之母堂建于50年前，借鑒了因紐特人的冰屋設計理念。負責教堂建造的傳教士后來解釋說，教堂的圓柱形狀，旨在在日后凍土凍結和融化過程中，幫助建筑本身重新分布來自地面的壓力。教堂的下方是一個堅固且巨大的碟形混凝土板，混凝土板下方還鋪了一層沙礫。這在以前，可以在霜凍的時候保護建筑。但是隨著越來越多的永凍層融化，如今教堂開始傾斜——就像一艘以水泥為底的船在移動土壤的海面上緩緩傾斜。
天主教馬更些-史密斯堡教區的主教約翰·漢森非常熟悉這座教堂。曾經，他是這里的牧師，如今這教堂是他署理的教區的一部分。漢森說，碟狀地基板已經開始出現裂縫，教堂地面起伏不平，有的地方隆起甚至堵住了門口。情況已經嚴重到，教堂職員必須每年調整內門，以防止門卡在門框內。
漢森說：“教堂目前仍在使用，但未來很難說。”
他還說，他認為氣候變暖確實導致了凍土融化，但附近建筑物的增加可能加劇了教堂的問題。建筑物越多，地表冷卻的能力就越差。
為應對氣候變化，教堂職員已經探索了多種方法來調整建筑結構，增強其適應地面沉降的能力，例如用可調節的鋼結構柱子取代原先支撐教堂的木柱子。他們還為建筑地面與混凝土地基之間的空隙增加通風，以盡可能地降低地下凍土的溫度。當地研究人員正在密切觀察這些措施，來確定它們是否有效。
漢森說，教堂的設計證明了早期北極地區拓荒者的創造性，但也提醒了我們全球氣候變化的嚴重性。漢森說，用技術重新冰凍地面并穩定教堂，理論上是可行的，但教堂沒有那么多的預算。
在北極的其他地方，資金雄厚的公司希望用技術來保持地面冷凍和穩定。比如，有些石油公司安裝了名為“熱虹吸管”的管子，可以讓熱量從地下逸出，從而保持地面寒冷。這樣，支撐石油管道的土壤就不會發生位移，破壞管道的完整性。
ConocoPhillips是采用這種方法的公司之一。根據該公司的描述，這種設備包含被動循環的液體，可以將熱量從地下帶到地面，以進行散熱。1300公里長的跨阿拉斯加管道系統使用了12.4萬個類似設備。
多雷和他的同事也花了多年時間，研究各種其他技術的效果。這些技術都是為了在全球氣候變暖的情況下，保持地表的低溫。一個簡單的方法是使用具有較大空隙的大石頭來建造路堤。這些空隙也可以起到散熱的作用。
2008年到2011年之間，在阿拉斯加高速公路上進行的實驗表明，這個方法可以使永凍層全年保持冷凍狀態。其他措施，例如使用淺色道路材料造路，用木棚為路堤遮陰等，也可以緩解氣候變暖的影響。
但是，這些技術，一旦規模上去之后，都需要大量的資金和精力。這就意味著，在造路的時候，這些技術并非總是可行的選擇。在青藏高原，人們便采用了各種各樣的創新方法。沿著經過多年凍土區的共和-玉樹高速公路，向東到青藏公路，空氣正通過多孔巖石層和通風管道將路基下方的熱量帶到路面，從而冷卻地下凍土。
研究人員在2020年的研究報告中寫道：“基于多年的觀察，這些緩解方法似乎效果明顯。”
多雷說，他有時候聽到人們說，永凍層的融化造成的損壞不會長期存在，因為這些地區的凍土很快就會全部融化，之后地面就會永遠保持穩定。但實際上，凍土的融化是一個極其緩慢的過程。他說：“至少未來三十年內，永凍層不會全部消失。”實際上，與永凍層有關的工程問題或許會在未來百年內持續存在。考慮到與氣候變化加速和永凍層全部消失的相關后果，沒人會希望這一天真的到來。
只要全球氣候繼續變暖，深埋在地下的凍土就會不斷融化，并進而破壞其上的建筑物，道路和鐵路。這個情況已經發生了好幾年。除非我們能夠找到辦法扭轉局面，否則凍土繼續融化將帶來更為嚴重的后果。（勻琳）
