北極永凍土層地球物理監測初步成果

張竝瑜

國立中央大學地球科學學系

永凍土層(Permafrost)被定義為溫度至少連續兩年保持在0°C以下的地面(ACGR, 1988; Rossi et al., 2022)。常年凍土約佔北半球陸地面積的四分之一(Zhang et al., 2008; Gruber, 2012; Wang et al., 2019)。永凍土的熱狀態對氣候條件之變化高度敏感(ACGR, 1988; Harris et al., 2017; IPCC, 2017)。北極放大效應，即北極變暖的速度大約是世界其他地區的兩倍，是一種已被證實的現象，它正在改變全球永久凍土的分佈，並導致其衰退變小(IPCC, 2017; Biskaborn et al., 2019; NSIDC, 2020)。永凍土層之上的頂層土壤遭受季節性融化和凍結影響，因此稱之為活動層(Active Layer)。

由於氣候暖化造成的頻繁融解與結凍現象，會增加活動層厚度(Active layer Thickness, ALT)，也導致地表永凍土層面積普遍減少，並加速永凍土層中之甲烷水合物釋放。除此之外，北極地區冰凍圈的水循環是氣候變化的一個重要方面，特別是因為該地區儲存了大量淡水與甲烷水合物。然而，關於該地區冰-凍土-地下水-甲烷水合物交換與固存機制的研究還很有限。

為了解決這個問題，中央大學地球科學團隊自2021年起，與波蘭哥白尼大學極地研究站團隊合作，在斯瓦爾巴(Svalbard)群島進行試點地球物理和地質調查，並自2022年起在波蘭哥白尼大學Kaffiøyra極地研究站附近，開展全面野外地球物理監測實驗。於2022年及今年(2023年)夏季，進行透地雷達及二維地電阻法的地球物理探勘，分別從Kaffiøyra研究站至海岸線的相同測線位置，佈設185公尺地電阻測線與透地雷達測線，進行永凍土層與活動層受全球暖化的變動監測分析。

2023年北半球各地夏季均溫已經突破各地記錄，北極地區極地研究站八月所紀錄之溫度，亦較去(2022)年高出約1.5攝氏度，與此同時，雨量則較去年增加許多，由團隊於測站所收集到之地電阻及透地雷達資料，我們發現由電阻率剖面影像之比較，能相當程度了解北極永凍土層的熱岩溶(Thermokarst)地下構造及隨溫度變化現象(圖一)，而雷達影像對於結凍的永凍土層，呈現較清楚之影像，相較於融化的不凍層(Talik)，反應十分明顯(圖二)。除科學工作外，值得一提的是研究團隊在進行地電阻與透地雷達施測時，於不到180公尺的近距離遭遇北極熊，所幸最後有驚無險，成為野外工作一個有趣的插曲(圖三)。

本年度中央大學極地地球物理研究團隊除了野外工作之外，同時也嘗試擴大極地研究國際合作範圍。與英國地質調查局(British Geological Survey, BGS)進行合作。並拜訪英國自然科學基金會位於新奧勒松(Ny-Ålesund)的北極科學站，商討未來加入極圈聯合地球物理監測計畫SUN-SPEARS之未來合作項目與方式。英國地質調查局的研究著重於監測土壤凍融的全年變化。因此兩個研究團隊之間更全面的研究合作可以促進他們的研究並擴大研究領域和範圍，從而使雙方受益。未來將基於斯瓦爾巴群島當前和計劃中的研究實踐，使用多種聯合跨領域地球物理方法探索北極氣候變化與水循環之間的相互作用。未來英國地質調查局團隊和中央大學團隊之間的聯合研究計劃將聚焦在共享研究成果、合作開展研究活動並協調斯瓦爾巴群島的研究交流。

參考文獻

ACGR (1988). Glossary of Permafrost and Related Ground-Ice Terms (Technical Memorandum No. 142). Permafrost Subcommittee, Associate Committee on Geotechnical Research, National Research Council of Canada. https://www.permafrost.org/publication/glossary-of-permafrost-and-related-ground-ice-terms/

Biskaborn, B. K., Smith, S. L., Noetzli, J., Matthes, H., Vieira, G., Streletskiy, D. A., Schoeneich, P., Romanovsky, V. E., Lewkowicz, A. G., Abramov, A., Allard, M., Boike, J., Cable, W. L., Christiansen, H. H., Delaloye, R., Diekmann, B., Drozdov, D., Etzelmüller, B., Grosse, G., Guglielmin, M., Ingeman-Nielsen, T., Isaksen, K., Ishikawa, M., Johansson, M., Johannsson, H., Joo, A., Kaverin, D., Kholodov, A., Konstantinov, P., Kröger, T., Lambiel, C., Lanckman, J.-P., Luo, D., Malkova, G., Meiklejohn, I., Moskalenko, N., Oliva, M., Phillips, M., Ramos, M., Sannel, A. B. K., Sergeev, D., Seybold, C., Skryabin, P., Vasiliev, A., Wu, Q., Yoshikawa, K., Zheleznyak, M., & Lantuit, H. (2019). Permafrost is warming at a global scale. Nature Communications, 10(1), 264. https://doi.org/10.1038/s41467-018-08240-4

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Harris, S. A., Brouchkov, A., & Guodong, C. (2017). Geocryology: Characteristics and Use of Frozen Ground and Permafrost Landforms. CRC Press. https://doi.org/10.4324/9781315166988

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NSIDC (2020). Cryosphere Glossary. National Snow and Ice Data Center - Advancing knowledge of Earth's frozen regions. https://nsidc.org/learn/cryosphere-glossary

Rossi, M., Dal Cin, M., Picotti, S., Gei, D., Isaev, V. S., Pogorelov, A. V., Gorshkov, E. I., Sergeev, D. O., Kotov, P. I., Giorgi, M., & Rainone, M. L. (2022). Active Layer and Permafrost Investigations Using Geophysical and Geocryological Methods—A Case Study of the Khanovey Area, Near Vorkuta, in the NE European Russian Arctic. Frontiers in Earth Science, 10. https://doi.org/10.3389/feart.2022.910078

Wang, C., Wang, Z., Kong, Y., Zhang, F., Yang, K., & Zhang, T. (2019). Most of the Northern Hemisphere Permafrost Remains under Climate Change. Scientific Reports, 9(1), 3295. https://doi.org/10.1038/s41598-019-39942-4

Zhang, T., Barry, R. G., Knowles, K., Heginbottom, J. A., & Brown, J. (2008). Statistics and characteristics of permafrost and ground-ice distribution in the Northern Hemisphere. Polar Geography, 31(1–2), 47–68. https://doi.org/10.1080/10889370802175895