那是1944年。第二次世界大戰已顯現出結束的跡象，但關於日本人會戰鬥到最後一刻的預測讓盟軍嚴重擔憂他們會耗盡戰爭所需的汽油。阿拉斯加北部佔地2300萬英畝的海軍石油儲備是尋找新石油來源的理想地點，美國海軍決定進行勘探。但海軍遇到了一個問題：沒有地圖。因此，它決定拍攝一套極其詳細的航空照片。
勘測人員以費爾班克斯附近的拉德機場為基地，在一架雙引擎比奇飛機的敞開艙門中安裝了一臺巨大的K-18相機。在幾年時間裡，他們低速飛行，拍攝了數千張阿拉斯加北坡的照片，從北冰洋向南延伸到布魯克斯山脈，以及山脈南側森林覆蓋的山谷——山脈本身就是橫跨北極廣闊區域的北方針葉林（由常綠樹和落葉樹組成）的一部分。
沖印出的9x18英寸底片照片非常清晰，甚至可以看見駝鹿的蹄印。有些照片堪比安塞爾·亞當斯的作品，但更重要的是，整套照片已被證明是揭示北極和亞北極地區土地如何應對氣候變化的關鍵證據。
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這個問題迫在眉睫，因為答案將幫助當地居民弄清楚他們需要採取哪些步驟來應對這些變化。大約有四百萬人居住在北極地區，氣候變化正在影響他們的生存狩獵、商業伐木、交通運輸和基礎設施。
此外，土地覆蓋出乎意料的快速變化可能會產生全球性的影響。例如，這些變化可能會加劇永久凍土的融化，從而釋放出先前被鎖在冷藏庫中的泥炭中的碳（以二氧化碳或甲烷的形式），從而顯著加劇氣候變暖。
如何衡量綠化程度
早在2006年北極熊出現在《時代》雜誌封面上之前，北極海冰正在迅速融化就已顯而易見[參見馬修·斯特姆等人撰寫的“北方融化”；《大眾科學》，2003年10月]。到了20世紀90年代，我們這些研究北極氣候變化的人有充分的理由認為北極植被也在發生變化，但我們用於追蹤陸地變化的工具不如用於追蹤海冰的工具有效。白色海冰與深色海水形成鮮明對比，這使得冰和水適合透過衛星和飛機進行監測。相比之下，氣候驅動的苔原（亞表土永久凍結的無樹地區）和森林的變化可能很細微，有時只是植物物種組合的緩慢改變，而不是從一種生態系統到另一種生態系統的急劇轉變。植被變化可能需要數年甚至數十年才能變得可檢測到。
但是，我們確實有一些關於要尋找哪種型別變化的強烈暗示。在苔原上進行的溫室實驗表明，土壤的施肥和人工增溫可能會導致灌木大幅生長，從而排擠苔草和苔蘚等非木本苔原植物。例如，以前只有膝蓋高的矮樺樹在幾年內長到了人頭的高度。根據這一證據，我們最好的猜測是，苔原變暖將引發生物量的增加，可能是爆炸性的增長——主要以更多和更大的灌木的形式。更往南，在北方針葉林中，樹線幾個世紀以來一直在向北和向上坡方向推進到更高海拔地區。人們的預期是，變暖會加速這種推進。
但一切都不確定。當時，各個研究小組都在嘗試使用遙感或對地面上的小塊地進行深入研究來檢測植被的變化，因此我的同事查克·拉辛、肯·泰普和我推斷，如果我們能找到此類檔案，我們可以透過檢視舊照片來最好地貢獻新資訊。在我們的搜尋過程中，一位檔案管理員提到他倉庫裡有一些20世紀40年代海軍航空照片。我們有興趣嗎？他計劃很快將它們扔掉，因為儲存空間有限。我屏住呼吸，直到樣品送達。當照片從信封中滑到我的辦公桌上時，我驚呆了。它們非常適合我們的工作，而且非常漂亮。最終，我們書架上擺放了大約6000張照片。
在2000年夏天，我們開始了我們的研究，重點關注苔原。苔原的定義是植被低矮且亞表土永久凍結，但這並不能充分表達這種生態系統的巨大美麗和複雜性。苔原覆蓋了地球陸地表面約5%，大部分苔原是由厚厚的苔蘚、地衣和苔草（看起來像草）組成的地毯，其中點綴著其他維管植物和矮灌木。從空中看，這些植物的集合看起來像一塊低矮的綠色地毯，柔軟而光滑。在地面上，它是由許多植物組成的馬賽克，所有植物都像海綿一樣，踩在上面很累，但在乾燥時，躺在上面很愜意。而且它絕非平坦。苔草和其他植物長成稱為草叢或小丘的土堆，對於任何試圖在苔原上走遠路的人來說，這些土堆都是禍根。這些土堆高達半米，頂部通常不穩定，受力時會翻倒，導致徒步旅行者摔倒在地或扭傷腳踝。通常，矮灌木隱藏在草叢之間的縫隙中，儘管茂密的齊頭高的灌木叢經常聚集在水源附近。
緯度越高，苔原變得越荒蕪，直到灌木成分消失。最後，即使是苔蘚和地衣也讓位於廣闊的裸露土壤區域，稱為極地沙漠。向南，苔原首先過渡到零星的雲杉樹，然後過渡到苔原和森林的混合地帶，最後過渡到北方針葉林，也稱為泰加林。從苔原到泰加林的過渡可能是突然的，也可能蔓延數十公里。在阿拉斯加，邊界在很大程度上與布魯克斯山脈的南緣重合。
為了拍攝我們需要的重複照片，我們乘坐一架敞開艙門的直升機飛行，攜帶舊照片的副本。我們盤旋直到能夠儘可能地與之前的檢視匹配，我們經常發現自己離地面只有15米，這一發現讓我們對第二次世界大戰的前輩們駕駛的固定翼飛機更加敬畏。小心謹慎地操作，我們可以實現相當接近的匹配。在四個夏季，我們重新拍攝了200多個地點。在晚上，我們會將新照片與舊照片進行比較以進行非正式評估。在一張又一張的照片中，單個灌木比50年前更大（是的，單個灌木仍然存活並且可以識別！）。灌木叢已經填滿，並且這些灌木叢已經擴充套件到以前灌木高度小於我們約50釐米的檢測限的苔原區域。柳樹、樺樹和赤楊，北極灌木的三巨頭，都在擴大範圍並變得更大。我們對一種灌木推進模式印象特別深刻，我們暱稱其為“突擊隊”，灌木在那裡殖民了舊河階地和苔原平地，在短短幾十年內佔領了數公頃以前沒有灌木的區域。
當我們實地檢查照片時，這種轉變的現實性變得更加突出。在我們新照片中顯示為小黑點的灌木被證明高達一個人。這些灌木通常被較小的灌木光環環繞，較大的灌木似乎可以保護它們免受強風和暴風雪的侵襲。在某些地方，灌木非常茂密，形成了無法穿透的灌木叢。在第二個夏天結束時，在我們艱難地穿過數十個灌木叢林後，我們創造了“灌木叢生的北極”這個片語來捕捉景觀正在發生的變化。總而言之，照片記錄了灌木在阿拉斯加北部超過20萬平方公里的區域內不斷擴張。
但是阿拉斯加以外的苔原和南部泰加森林發生了什麼變化？為了回答這個問題，我的同事斯科特·戈茨、道格·斯托、斯基普·沃克、賈根鎖和戴夫·弗貝拉正在使用NOAA氣象衛星上的輻射計來測量這些地點以及阿拉斯加的變化。他們計算了一個名為NDVI（歸一化植被指數）的指數，該指數基於紅色和近紅外波段的反射率，他們發現苔原的綠度正在增加。綠度與生物量和新生長有關，研究人員將他們的發現解釋為苔原的灌木成分正在擴張。NDVI的增加在北極阿拉斯加、加拿大西部和西伯利亞最為明顯，但在斯堪的納維亞半島和北極的其他地區也可以檢測到。其他同事——俄羅斯的布魯斯·福布斯、加拿大北極高地的格雷格·亨利和加拿大北極中部的保羅·格羅根——從他們的實地研究中也發現了類似的結果，而阿拉斯加、加拿大和俄羅斯的北極居民的回憶也支援了泛北極灌木增加的想法。
將苔原綠化的最新衛星記錄與我們基於照片的灌木變化地圖進行仔細比較，可以提供一個額外的細節：NDVI不僅在照片顯示更多大型灌木的苔原區域增加，而且在目前只能找到矮灌木（低於照片檢測限）的區域也在增加。這些草叢之間的小灌木無處不在，而且它們具有可塑性：當生長條件改善時，它們可以改變其生長形態，達到相當大的尺寸。由於迷你灌木已經遍佈廣闊的區域，苔原地區已預先具備快速生長的條件。
這種現象並非史無前例。古記錄——在沉積物岩心中發現的花粉——顯示大約8000年前灌木花粉突然增加。這被非正式地稱為“樺樹爆發”，似乎標誌著灌木橫掃苔原景觀的時期。
森林中的意外
衛星記錄揭示了苔原南部和環繞苔原的廣闊北方針葉林中更令人震驚的結果。儘管研究證實，樹線仍在繼續向北和更高海拔地區移動，但在許多地方，衛星表明，在這個推進的前沿之後，森林正在失去生物量並變得生產力較低。森林正在變棕色——乾燥和死亡——而苔原正在變綠，這一事實似乎與關於森林對氣候變暖反應的傳統觀點相矛盾。
大約10年前，當時在阿拉斯加大學費爾班克斯分校的格倫·朱代和馬丁·威爾姆金開始從費爾班克斯附近和布魯克斯山脈以南地區收集一套樹木年輪樣本，這些樣本有助於揭開明顯的矛盾。他們開始發現，與通常的正相關關係——夏季氣溫升高會產生更好的生長和更寬的年輪——相反，在某些林分中，較高的氣溫反而會產生更小的年輪和生長速度更慢的樹木。在阿拉斯加西部，那裡更潮溼，他們發現隨著氣候變暖，樹木生長得更旺盛，但當他們向東進入更乾燥的地區時，他們發現了更小的年輪、受損的樹木和掙扎甚至死亡的樹木林分。溫暖的夏季太乾燥了。
另外兩位樹木年代學家，米德爾伯里學院的安迪·勞埃德和西華盛頓大學的安迪·邦恩，利用他們能找到的每一份北方樹木年輪記錄，證實北方針葉林的變棕色是一種泛北極現象，儘管它在雲杉樹中占主導地位，但在所有北方樹種中都有發生。樹木生長衰退的確切原因仍在研究中，但乾旱和熱應力是兩個主要嫌疑因素，因為變棕色現象在乾燥的大陸性地區和每個物種分佈範圍的南部地區更為常見。
樹木還遭受了另外兩種方式的打擊，這兩種方式都被認為與氣候變暖有關——昆蟲爆發增加以及森林火災的頻率和規模上升。在阿拉斯加，大型森林火災季節似乎每五年左右發生一次，而不是每十年一次，而云杉樹皮甲蟲等昆蟲的侵擾（到目前為止已摧毀了阿拉斯加超過50萬公頃的優質森林）似乎正在加劇。
預測未來很難
苔原和北方針葉林正在發生的變化呈現出一種諷刺的對稱性。在過去的50年中，北方針葉林侵佔了阿拉斯加苔原南部邊緣估計11600平方公里的土地，但在同一時期，它們在其推進的前沿之後一直在乾涸、燃燒和遭受昆蟲損害。朱代和其他人認為，結果將是從森林向草原的轉變。與此同時，苔原正變得越來越灌木叢生，越來越像叢林。未來是否會發生轉變，森林開始看起來很像苔原，而苔原看起來越來越像森林？
回答這個問題的問題在於我們理解驅動植被變化的相互關聯過程的能力有限，更不用說預測它們的未來走向了。即使北極海冰只是一個由水和冰組成的簡單系統，原則上會對可以編碼到模型中的物理規則做出反應，但冰的減少速度是科學界13個最佳大型模型預測速度的兩倍。目前的預測是北極海將在40年內無冰，但這些預測更多是對觀測到的變化的推斷，而不是模型結果。對於苔原和北方針葉林，它們具有巨大的生物複雜性和相互競爭的反饋機制——有些會抑制生長，有些會加速生長——現有的模型仍然過於簡單，無法產生準確的預測。
在最近的一篇論文中，我的團隊嘗試使用一個簡單的灌木種群增長模型和對比照片來解決苔原灌木的預測問題。令我們驚訝的是，該模型表明灌木擴張始於大約150年前，即小冰期末期。我們原本預計擴張會與自20世紀70年代以來發生的北極快速變暖相對應。另一方面，時間與駝鹿（那些腿長的灌木瀏覽者）首次出現在阿拉斯加北坡的時間非常吻合。它也與樹線擴張的開始時間相吻合。
模型結果表明，部分原因是，灌木一直在緩慢擴張，以應對早於工業革命開始的自然變暖週期。然而，其他方面的證據表明，儘管這種擴張可能是由於自然變暖開始的，但它仍在繼續，並且顯然正在加速，原因是人為輔助的變暖。在灌木正在擴張的地區，過去四十年也見證了冰川退縮的顯著增加、永久凍土變暖速度的增加以及春季開始時間的提前（河流和湖泊的封凍和解凍日期顯示）——所有這些都與人類活動加速的氣候變化有關。可悲的是，我們不太可能找到20世紀初的照片，而這正是我們需要用來確定1900年至1950年之間的灌木擴張速度是否慢於1950年至今的速度所需的。
同一個簡單模型預測，至少需要150年，富含灌木的地區才能完全被灌木覆蓋；在現在沒有灌木的地方，這將需要更長的時間。然而，信任這一預測的危險在於，該模型不允許發生可能突然改變植被的災難性影響（例如火災，灌木往往在受干擾的地區茁壯成長），也不包括可能加速變化的反饋效應。我的直覺是，我們的預測過於保守，苔原景觀的變化速度可能比我們粗糙的模型預測的要快。
這種懷疑的一個來源是實際火災的後果。例如，在2007年7月至9月異常乾燥的天氣期間，有記錄以來最大的雷擊苔原火災在北坡燃燒，燒燬了超過10萬公頃的土地。我的同事查克·拉辛在2009年7月訪問了該地區。在許多地方，灌木已經重新發芽。在阿拉斯加西部類似的、較舊的苔原燃燒區，灌木覆蓋率在30年內擴大了多達八倍。閃電襲擊事件的增加和乾燥條件可能導致更多火災。此外，灌木以其更大的生物量和分枝，增加了未來發生火災的可能性，從而產生了正反饋效應。
在我們知道的發生在苔原上的其他潛在反饋效應中，至少有兩個與冬季積雪覆蓋有關的正反饋效應。認為冬季會對灌木的生長產生任何影響似乎很奇怪，因為它們在夏季生長，但冬季過程決定了下一個生長季的土壤和水分條件。冬季對北極植物的重要性在於其持續時間長。苔原被積雪覆蓋九個月，泰加林被積雪覆蓋七個月，這使得這些地區的主要顏色是白色，而不是綠色。
其中一個反饋過程是這樣的：在灌木設法超過附近草叢的地方，它們會在冬季滯留積雪，產生積雪，從而加深它們周圍的積雪覆蓋。雪是一種極好的絕緣體，幾乎與羽絨被一樣好（這是因為積雪可能高達75%是空氣）。在較深的積雪更好地隔離地面的地方，土壤溫度高於原本的溫度。在一些灌木帶，我們發現雪底的溫度比相鄰的草叢區域高10攝氏度。較溫暖的條件促進了土壤中微生物的活動，使其持續到冬季更長時間，從而儲存了更多的養分，因此到了夏季，灌木獲得了促進。施肥的灌木生長旺盛，因此它們變得更高，從而在隨後的冬季滯留更多的積雪，從而加強了迴圈。
另一個與雪相關的反饋效應源於雪的反照率（反射率）。高大灌木的深色樹枝在冬季，尤其是在春季，會突出於雪面之上。這些樹枝吸收太陽能的效率比白色雪高出許多倍，足以引起區域性變暖並加速春季融化，從而使生長季提前開始並刺激灌木長得更大。
單獨來看，冬季反饋效應很容易理解，但由於它們彼此之間或與夏季過程（其中一些過程已得到很好的理解，另一些過程則沒有）不是獨立的，因此淨效應是不確定的。例如，灌木產生的較深積雪原則上應該比周圍未積雪的積雪需要更長的時間才能在春天融化。反照率效應能否克服增強的深度效應，還是積雪會勝過加速融化？在夏季，陰影和落葉層是兩個尚未完全理解的潛在反饋過程。已知增強的灌木冠層的陰影會產生較低的夏季土壤溫度，這可能會抵消冬季積雪增強微生物活性的作用。來自灌木的落葉層會改變灌木周圍的養分負荷，從而可能促進生長。
許多研究人員正忙於嘗試模擬這些相互矛盾或至少令人困惑的影響；實際上，一些研究小組正在開發苔原和北方針葉林變化的預測模型。但是他們牌組中最大的不確定因素之一是未來氣候是否會帶來更多的雪或更少的雪。如果這項陸地科學效仿努力理解正在消失的海冰的例子，那麼回答重大問題的將是我們物理追蹤正在發生的變化並將這些變化投射到未來的能力，而不是僅僅依靠計算機模型。毫不奇怪，來自阿拉斯加的照片對已被用作模型開發中的測試資料。
我們當然很幸運海軍在阿拉斯加北坡拍攝了非凡的照片——並且我們設法得到了這些照片。機緣巧合在科學中與在生活的其他方面一樣重要。如果我們沒有找到這些照片，我們可能不會像我們現在這樣快地意識到，景觀的轉變（其潛在影響可能與海冰消失一樣深遠）正在我們眼前發生。照片是最生動且易於理解的證據，但如果沒有衛星和樹木年代學家的細緻工作，我們就不會了解故事的其他部分。
現在的挑戰是研究出一種方法來預測北極土地上將會發生什麼以及發生的速度有多快。生物系統的複雜性使這項任務變得困難。然而，如果我們不盡快做到這一點，變化很可能會超過我們，迫使我們做出反應而不是預測。但我現在相當肯定，這個故事正在用三種顏色上演：綠色、棕色和白色。