這座湖可以直接殺死數百萬人,沒人知道它何時“爆發”

2021年11月28日10:00

  基伍湖(圖片來源:MONUSCO / Myriam Asmani, CC BY-SA 2.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=37421188)

  2021 年 5 月,非洲最活躍的火山尼拉貢戈(Mount Nyiragongo)爆發,摧毀了剛果(金)的數十座村莊,數十人死亡,45 萬災民被迫逃離家園。危機過去,科學家們卻產生了更深的擔憂——一個比火山凶險萬倍的死神正潛伏在尼拉貢戈腳下,威脅著數百萬人的生命。

  編譯 | 武大可

  編輯 | 魏瀟

  來源 | 科研圈

  風景如畫的基伍湖(Lake Kivu)坐落在東非大裂穀旁剛果(金)和盧旺達交界處,是非洲第八大湖泊,也是全球第十八大淡水湖。剛果(金)戈馬(Goma)市坐落在基伍湖邊,加上週邊散佈的諸多村莊,總計 200 多萬人居住在這座湖周圍。雖然基伍湖為人們提供了淡水和漁業資源,但潛藏在平靜湖面下的危險卻無時無刻不覬覦著這數百萬條生命。

  在基伍湖周圍,地質學家們發現了每數千年發生一次的局部大規模滅絕的跡象——基伍湖處於一個地質異常區,湖水中溶解了多達 300 立方千米的二氧化碳和 60 立方千米的甲烷氣體,並含有有毒的硫化氫。這些溶解的氣體隨時可能以湖沼噴發(limnic eruption)的形式爆炸性地釋放,填滿周圍山穀,令人窒息、中毒而亡。

  “逆梯度”的定時炸彈

  全球範圍內被發現具有湖沼噴發特徵的湖泊共有 4 個,其中 3 個都在非洲——尼奧斯湖(Lake Nyos)和莫瑙恩湖(Lake Monoun)均位於喀麥隆,基伍湖位於非洲中部,阿爾巴諾湖(Lake Albano)位於意大利。

  這些溶解了大量氣體的危險湖泊都有一個共同的地質特徵——它們都位於構造運動活躍的地區。在湖泊下方暗湧的岩漿升向地表的過程中,壓強逐漸降低,二氧化碳等氣體隨之被釋放,進入湖水。

  氣體在水中的溶解度一般與溫度負相關,溫度越高,水中能夠溶解的氣體濃度上限越低,氣體也越難在水中溶解。在正常情況下,湖水中的氣體應在冬季緩慢釋放——冬季上層湖水溫度更低,具有更高的溶解度,使得氣體自發向上轉移。但這些湖泊所在的地區常年氣溫較高,上層湖水溫度高於下層,這使得氣體無法向上轉移,被“鎖”在了湖底。一旦溶解的氣體量接近了溶解上限,就極易在地震活動、火山爆發,甚至山體滑坡等擾動下,像搖晃後的汽水一樣爆炸性地釋放,引發災難。

  研究顯示,基伍湖中溶解了 300 立方千米的二氧化碳,這相當於全球化石燃料燃燒半個多月的碳排放量。這些二氧化碳若同時釋放,足以令周圍的 200 萬人口在一夜之間窒息而亡。

  儘管基伍湖還在“沉睡”之中,但它的兩個小弟都在現代有過噴發的記錄:一是小到在衛星地圖上幾乎看不到的莫瑙恩湖,曾在 1984 年噴發,造成 37 人傷亡;二是面積和水量都只有基伍湖幾千分之一的尼奧斯湖,曾在 1986 年噴發,一夜之間就奪走了附近 1746 名居民和 3500 頭牲畜的生命。如果說尼奧斯湖曾經發生的噴發是一幕悲劇,那麼面積和水量都數千倍於奧尼斯湖、含氣量數百倍於尼奧斯湖的基伍湖隨時可能發生的噴發,將會成為一場更大的災難。

  前車之鑒:尼奧斯湖的噴發和排氣

  尼奧斯湖面積僅有 1.58 平方千米,水量為 0.15 立方千米。但根據估算,在 1986 年 8 月 21 日發生的噴發中,尼奧斯湖一次性釋放出了多達 1.2 立方千米的氣體。由於其主要成分是密度比空氣大 50% 的二氧化碳,湖中釋放出的緻密氣體無法向高空散逸,而是貼著地表向周邊擴散,擠走了原有的空氣,將方圓 25 千米內的村落盡數淹沒。且不論二氧化碳在高濃度下的毒性,單是海量二氧化碳排空了原有空氣這一因素,就足以讓人畜窒息而亡——許多遇難者被發現皮膚上有壓瘡,這是血氧水平過低導致的。

  一場災難並不意味著尼奧斯湖問題的終結——湖中的二氧化碳還在繼續累積。科學家們開始尋找解決方案。從 1990 年開始,就有研究團隊開始在莫瑙恩湖和尼奧斯湖開展實驗,用虹吸管對湖水進行脫氣。科學家將管道豎直插入湖中,並用水泵啟動初始的流動。隨著深層水向上方運動,壓強降低,其中的二氧化碳自然溢出。而溢出的二氧化碳在管中形成氣泡,使得管中水壓小於外部湖水,構成了一個“氣泡水泵”,將深層水繼續吸入管道,開始向上升。虹吸效應使得管道能夠在沒有外部驅動的情況下維持對尼奧斯湖的自動排氣。

  自我維持的被動抽水受管道尺寸的製約,速率有限,但勝在成本較低。尼奧斯湖和莫瑙恩湖分別在 2001 年和 2003 年安裝了第一條管道,並分別在 2011 年和 2006 年加裝了各兩條。學者們認為,3 條管道的脫氣速率與二氧化碳自然滲入湖床的速率大致相同,足以防止湖水中二氧化碳水平的增加。

  尼奧斯湖上排氣管在水泵驅動的啟動階段(左)和自發維持的運行階段(右)的示意圖(圖片來源:Pashute - Own work, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=16263233)

  至此,尼奧斯湖和莫瑙恩湖都已在排氣舉措下“改邪歸正”,但科學家們卻仍因溶解氣體過多、操作複雜危險而對基伍湖的排氣方案莫衷一是。

  更大的湖、更大的麻煩

  基伍湖的面積和水量是尼奧斯湖的數千倍,含氣量也是尼奧斯湖的數百倍。更大的規模和更複雜湖體結構的差距在危險性上引起的不只是量變。

  美國密歇根大學安阿伯分校(University of Michigan in Ann Arbor)的生物地球化學家 George Kling 在接受《自然》(Nature)採訪時說,基伍湖的地質年代更為古老,土壤的有機質含量更高,這導致微生物產生的大量甲烷、氫氣以及有毒的硫化氫氣體也會滲入湖泊,在底部不斷積聚。研究顯示,基伍湖中溶解了 60 立方千米的甲烷。瑞士聯邦水生科學技術研究所(Swiss Federal Institute of Aquatic Science and Technology)的湖泊物理學家 Alfred Johny Wüest 在同一篇報導中指出,“基伍湖的問題與尼奧斯湖不同,關鍵就在於甲烷。”甲烷在水中的溶解度遠低於二氧化碳,這使得甲烷比二氧化碳更容易達到閾值並在擾動下噴發。

  由於湖體結構複雜, 基伍湖的含氣水平和變化趨勢也更難確定。有專家認為這座湖並沒有噴發過的證據。但也有研究認為,基伍湖至少在 4000 年前曾經發生過一次噴發。

  2021 年 5 月 22 日,非洲最活躍的火山之一——尼拉貢戈火山發生了爆發,熔岩流向了戈馬市。火山噴發摧毀了數個村莊,導致數十人死亡,45 萬人流離失所。但這次火山噴發並未像人們所擔憂的一樣引發基伍湖湖沼噴發。這說明基伍湖的甲烷濃度距離閾值尚有一段距離——但這段距離到底有遠呢?

  尼拉貢戈火山的熔岩湖。(圖片來源:Cai Tjeenk Willink - Own work, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=15896832)

  一項 2005 年發表在《地球化學、地球物理與地質系統》(Geochemistry, Geophysics, Geosystems)的研究將當時的基伍湖深層氣體水平同 1975 年的測量結果進行了比較,報告稱甲烷濃度增加了 15%。按照這種趨勢發展下去,深層甲烷將在 2090 年達到飽和,引發噴發。2000 年發表在《公共科學圖書館-綜合》(PLOS ONE)上的一項研究則認為甲烷水平沒有增加。這令一些學者如釋重負。但 Kling 並不認同這一觀點,“從方法論上來看,他們完全是在雞同鴨講。”Kling 認為,這項研究只能說明,以某種檢測手段並未發現變化,但並不足以證明甲烷濃度隨著時間推移沒有發生變化。

  無論基伍湖的甲烷水平在過去 50 年是否上升,未來都是不確定的——濃度完全有可能在毫無預兆的情況下驟增。“我們對基伍湖周圍裂穀的火山系統的地下網絡知之甚少,” Kling 指出,“而隨著地下火山和地質活動的變化,甲烷向湖中的輸入量隨時可能急劇升高。”

  除了甲烷濃度可能升高帶來的噴發威脅,火山噴發和地震也有概率立刻招致基伍湖噴發。近期尼拉貢戈火山爆發的岩漿流量未能觸發湖沼噴發,並不意味著觸發因素不存在。大多數科學家對此仍持憂慮態度。

  是危機,亦是機遇

  由於甲烷在水中的溶解度遠低於二氧化碳,它可能是最先接近閾值並在擾動下引發噴發的氣體。因此要解除基伍湖的危機,並不能像科學家們解決奧尼斯湖問題時一般簡單依靠二氧化碳的排出——抽除甲烷才是首要問題。並且只要基伍湖中的甲烷濃度降低,二氧化碳帶來的危險也將一併消除。

  基伍湖中的甲烷早在幾十年前就已得到開發,人們一直在小規模地抽取甲烷用於發電。英國公司 ContourGlobal 從 2016 年開始運營的 KivuWatt 項目目前已具備 26 兆瓦的輸出功率。但與湖中甲烷的整體存量相比,這樣的去除速率無異於杯水車薪——按照當前速率,每年只能去除不到 0.2% 的甲烷,並不能為降低湖沼噴發風險提供實質性的幫助。好在 KivuWatt 項目已經獲得了一項將裝機容量提升到 100 兆瓦的合同,此外也有其他企業對基伍湖的甲烷開發抱有興趣。例如,盧旺達公司 Shema Power Lake Kivu 的官網就顯示,其一座 56 兆瓦的發電設施預計將在 2022 年建成。

  發電廠將從基伍湖深處抽取甲烷濃度較高的水,分離其中的甲烷用於發電,再將脫氣水輸回湖中。最後一步看似最簡單,卻是最令學者們憂慮的一步。

  在湖表排放脫氣水最簡單直接的處理方法,尼奧斯湖就是這樣被成功“改造”的。但基伍湖的脫氣水仍包含原本溶解於水中的其他氣體,其中的硫化氫可能殺死魚類——儘管基伍湖的魚類品系相對貧乏,但聯合國糧農組織 2001 年的報告顯示,當地仍有 6563 人從事漁業工作。除了有毒物質可能殺死魚類,脫氣水中富含的營養物質也將導致藻華爆發,二氧化碳導致的酸性環境也可能對生態造成不可預期的影響。

  基伍湖上的漁船(圖片來源:Steve Evans from Citizen of the World - Congo: Lake KivuUploaded by PDTillman, CC BY 2.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=18137116)

  將脫氣水輸入湖底能夠避免這些問題,但並沒有企業或項目如此選擇——這會稀釋深層水中的甲烷,提高開發成本,最終將甲烷濃度降低到無法供商業開發的程度。

  KivuWatt 採取了這樣一種策略,在主梯度(濃度梯度最大的區域)上方釋放脫氣水,可以在保持甲烷資源層不被稀釋的同時降低對基伍湖結構的影響。KivuWatt 表示,根據其每日地表水監測和每週剖面監測結果,基伍湖穩定性的減弱幅度不大。照此發展,50 年內湖泊的穩定性只會降低 1%。根據 2009 年的一項研究,只要脫氣方案對基伍湖穩定性的削弱幅度在 25% 以內,長期來看就是安全的。即使未來的甲烷發電量至少將會提高數倍,這一指標也完全符合要求。

  基伍湖上的甲烷提取設施。(圖片來源:U.S。 Department of the Treasury - https://www.flickr.com/photos/ustreasury/4555381959/, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=41286568)

  有研究指出,在主梯度上方排水的做法雖然不會立刻破壞濃度結構,但會對主梯度造成破壞,產生不可預期的長期後果。不過曾在基伍湖上工作過的德國亥姆霍茲環境研究中心(Helmholtz Centre for Environmental Research)物理學家 Bertram Boehrer 認為不必為此擔心,“就算情況有變,也有足夠的時間進行補救。”

  由於並不瞭解對地質結構和作用機制,科學家們無法對基伍湖濃度結構的未來變化作出準確預測。解決穩定性爭議的唯一方法是跟蹤密度層的變化。盧旺達環境管理局已經從 2021 年 4 月起開始對此進行監測和監督,監測部門負責人、生物化學家 Eric Ruhanamirindi Mudakikwa 表示,安全地提取甲烷是一條可行之路,但“自然母親的規律,我們或許無法對抗。”

  參考鏈接:

  https://www.nature.com/immersive/d41586-021-02523-5/index.html

  https://www.nature.com/articles/d41586-021-02984-8

  https://en.wikipedia.org/wiki/Lake_Kivu

  http://news.bbc.co.uk/2/hi/africa/1155057.stm

  https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1464343X19302699?via%3Dihub

  https://www.pnas.org/content/114/2/251

  https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2004GC000892

  https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0237836

  https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/32841245/

  https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1464343X19302699?via%3Dihub

  http://www.fao.org/fi/fcp/en/COD/BODY.HTM

  https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S1464343X19303279

  https://www.contourglobal.com/asset/kivuwatt

  https://www.dora.lib4ri.ch/eawag/islandora/object/eawag%3A19124

  http://newsghana.com.gh/rwanda-and-drc-sign-agreement-over-l-kivu-methane-gas-exploration/

  https://www.power-technology.com/projects/kivuwatt-project-lake-kivu-kibuye/

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