在西伯利亞東北部偏遠地區切爾斯基的礫石跑道上著陸時，一隻橡膠靴的鋼製鞋頭撞到了我的臀部。這隻鞋子從我和我的三位同事之間塞滿的裝備中彈了出來，我們擠在一架小型螺旋槳飛機裡。這是我的研究團隊從阿拉斯加大學費爾班克斯分校出發，穿越俄羅斯到達百萬湖泊之地的東北科學考察站的五天旅程的最後一程。作為我們持續努力的一部分，我們再次來到這裡，監測一個可能大大加速全球變暖的蠢蠢欲動的巨人。
這些考察幫助我們瞭解西伯利亞和整個北極地區有多少永久凍結的地面（稱為多年凍土）正在融化或接近融化，以及這個過程可能產生多少甲烷。這個問題困擾著我們——以及許多科學家和政策制定者——因為甲烷是一種強效溫室氣體，其分子對分子的吸熱能力是二氧化碳的25倍。如果由於全球變暖，多年凍土迅速融化，地球升溫的速度可能會比大多數模型現在預測的更快。我們的資料，加上其他人進行的補充分析，揭示了令人不安的趨勢。
敞開的冰櫃門
多年凍土的變化如此令人擔憂，是因為覆蓋地球陸地表面20%的凍土，在其頂部數十米處儲存著大約9500億噸碳。（更多多年凍土可以向下延伸數百米。）這些碳以動植物遺骸的形式存在，已經積累了數萬年。只要它保持凍結在眾多湖泊之下和之間，它就能安全地與空氣隔離。
但是，當多年凍土融化時，先前鎖定的碳就會被微生物利用，微生物會迅速分解碳，產生氣體。如果冰櫃門敞開，也會發生同樣的過程；時間足夠長，食物就會解凍並開始腐爛。氧氣刺激細菌和真菌進行有氧分解有機物，產生二氧化碳。但是，在積水的土壤中，例如在湖底沉積物中，氧氣會耗盡；在這些條件下，會發生厭氧分解，釋放出甲烷（以及一些二氧化碳）。在湖泊下方，甲烷氣體分子形成氣泡，氣泡向上逸出水柱，在水面破裂並進入大氣層。
厭氧分解是北極地區甲烷的主要來源。多年凍土中冰的融化導致地表下沉。徑流水很容易填滿窪地，形成許多新形成的小湖泊，隨著現在覆蓋其底部的多年凍土更廣泛地融化，這些湖泊開始噴出大量的甲烷。留下的疤痕表明，自從地球進入最近的間冰期以來，這個過程已經持續了過去1萬年。然而，近幾十年來的衛星記錄表明，多年凍土融化可能正在加速。
這些記錄與我的費爾班克斯同事弗拉基米爾·E·羅曼諾夫斯基和其他人在阿拉斯加和西伯利亞維護的眾多實地監測站的觀測結果一致。羅曼諾夫斯基指出，自1970年代初期以來，這些站點的多年凍土溫度一直在上升。根據這些測量結果，他計算出阿拉斯加三分之一到二分之一的多年凍土現在的溫度距離融化只有一到一度半攝氏度；在世界某些地方，它已經超過了臨界零攝氏度閾值。
我的研究團隊在前往切爾斯基和許多其他地點的考察以及我們的同事進行的持續觀測，加強了融化正在加速的感覺，並表明排放量可能遠高於預期。我的小組最新的估計是，在目前的升溫速度下，到2100年，多年凍土融化可能使甲烷排放量遠遠超過所有其他自然和人為來源的甲烷排放量。費爾班克斯的弗拉基米爾·阿列克謝耶夫還表示，增加的溫室氣體，以及暴露的融化地面將釋放出的額外二氧化碳，加在一起可能會使地球的年平均氣溫額外升高0.32攝氏度。
這種增加聽起來可能很小，但事實並非如此；它將極大地加劇全球變暖引起的異常天氣模式、海平面、農業和疾病傳播。如果更深層的甲烷來源（例如儲存在被稱為甲烷水合物的物質中的甲烷）逸出，氣溫升高可能高達幾度。因此，人類比以往任何時候都更有理由積極減緩目前的升溫速度，以免我們將北極的大片區域推過閾值。
西伯利亞的富礦
探測切爾斯基等地區是驗證或修正我們估計的關鍵。沿著西伯利亞河岸與東北科學考察站的同事謝爾蓋·A·齊莫夫一起行走時，我小心翼翼地停下腳步。地球的表皮只有半米厚，主要由泥濘、長滿苔蘚的泥炭組成，這些泥炭鬆散地覆蓋在40到80米深的冰層之上。在這片“醉林”中，矮小的樹木以各種角度傾斜，因為它們無法將根系伸入凍土中，而夏季融化的迴圈會產生巨大的隆起。在我身後，一棵醉樹倒在了地上；透過森林地面撕裂的毯子，我們看到了堅固冰層的閃亮黑色表面，並聞到了腐爛有機物的黴味。而且，很難不被散落的骨骼絆倒：披毛犀、猛獁象、更新世獅子、熊和馬。
對於齊莫夫來說，這個地區是一個金礦——而且不是因為已滅絕動物的象牙和頭骨。1989年，出於對鎖在地下碳量的興趣，他帶領一群年輕科學家建立了與世隔絕的東北科學考察站，以常年監測苔原和泰加林的多年凍土。研究人員乘坐小型平底船在俄羅斯的大河中航行，並在沒有繩索的情況下攀登多年凍土懸崖，以測量碳含量，這是甲烷釋放的先兆。他們使用坦克和推土機模擬了嚴重野火那樣去除地表土壤的擾動。他們的實驗證明了多年凍土碳庫對世界的重要性。
但是，為什麼齊莫夫——以及後來的我的小組——將研究重點放在這裡，一個以前只因蘇聯古拉格而聞名的地區？因為並非所有的多年凍土都相同。任何年平均氣溫連續兩年低於零攝氏度的地面都被歸類為多年凍土，無論是否存在冰。西伯利亞的這片廣闊區域包含一種獨特的多年凍土，稱為葉多瑪，富含冰和碳——這兩者都是甲烷故事的核心。高達10至80米的巨大冰楔和較小的透鏡構成了高達90%的地面體積；其餘部分是富含有機質的土壤柱，這是更新世哺乳動物和它們曾經吃過的草的遺骸的寶庫。
葉多瑪在大約180萬平方公里的西伯利亞和北美洲的少數地區形成於最後一個冰河時代末期。有機物在微生物能夠分解它之前就被凍結在原地。一個巨大的食物儲藏室被鎖起來，直到條件發生變化，敞開了冰櫃門。
最近氣候變暖幫助融化了葉多瑪冰，形成了湖泊。隨著地面融化和下沉，植被塌陷到邊緣，這個過程被稱為熱喀斯特。如今，湖泊覆蓋了西伯利亞高達30%的地區。進一步的融化使它們變得更大更深，合併成廣闊的產甲烷水體。
被氣泡震驚
在1990年代，東北科學考察站的研究人員觀察到甲烷全年都在湖底冒泡，但他們不知道這些湖泊在全球範圍內可能有多重要。因此，我在去年八月粗暴地乘飛機降落在切爾斯基，這是我第九次探險，涉水進入迅速擴張的熱喀斯特湖泊，以測量多年凍土的變化和甲烷的釋放。
我的探索始於2000年的博士研究專案。當時，科學家們知道甲烷（大氣中繼二氧化碳和水蒸氣之後第三大溫室氣體）的水平正在上升。排放量和增加速度在前65萬年中是前所未有的。有證據表明，在過去的時代，大氣中的甲烷濃度與數千年來自然氣候變化相關，波動了50%。但與自1700年代中期以來發生的近160%的增長相比，這種變化微不足道。自工業革命前700ppb（十億分之幾）上升到我開始這個專案時近1800ppb。
科學家們也知道，農業、工業、垃圾填埋場和其他人類活動顯然與最近的上升有關，但每年進入大氣層的甲烷中，大約一半來自自然來源。然而，沒有人確定這些來源的大部分是什麼。
從2001年到2004年，我將我的時間分配在費爾班克斯的小屋和與齊莫夫及其他人在切爾斯基工作之間，與當地少數俄羅斯家庭住在一起。在我們黃色小木屋研究站的閣樓圖書館裡，我花了漫長的夜晚拼湊塑膠浮標，我可以將它們放置在湖泊上以捕獲甲烷氣泡。我透過傾斜在我聲稱廢棄的船隻的側面放下陷阱，並每天檢查它們，以記錄收集在其大型水母狀裙子下的氣體量。一開始我沒有捕獲到太多甲烷。
冬天來得很早，在十月的一個早晨，當黑冰勉強足夠厚以支撐我的體重時，我走到了閃亮的表面上，驚呼道：“啊哈！” 就好像我在看夜空一樣。明亮的白色氣泡簇被困在薄薄的黑冰中，散佈在表面，實際上向我展示了下面湖床中冒泡點源或滲漏點的地圖。我用一根鐵矛刺入一個大的白色口袋，一股風向上衝去。我划著一根火柴，點燃了一團火焰，火焰向上噴射了五米高，把我擊退，燒傷了我的臉，燒焦了我的眉毛。甲烷！
整個冬天，我都冒險穿過結冰的湖泊，在這些滲漏點上方設定更多的陷阱。不止一次，我不自覺地踩到一個冒泡的熱點，並墜入冰冷的水中。湖床中的甲烷熱點會釋放出如此多的氣體，以至於冒泡引起的對流可以阻止除了薄薄的冰皮之外的所有東西在上方形成，即使在西伯利亞寒冷的冬天，當氣溫達到零下50攝氏度時，也會留下人孔蓋大小的脆弱開口。我每天從單個滲漏點捕獲多達25升（八加侖）的甲烷，遠高於科學家通常發現的量。我保留了熱點地圖以及它們在眾多湖泊中的排放量統計。最強烈的冒泡發生在多年凍土最活躍融化的湖泊邊緣附近。氣體的放射性碳年代測定，在某些地方高達43000年，表明葉多瑪碳是罪魁禍首。
從2002年到2009年，我對西伯利亞和阿拉斯加不同型別和大小的60個湖泊進行了甲烷滲漏調查。科學家們沒有預料到的是，研究區域甲烷排放量的增加與同一區域湖泊面積的增加不成比例。它幾乎大了45%。它正在加速。
推斷到整個北極地區的湖泊，我的初步估計表明，每年有1400萬至3500萬公噸的甲烷被釋放出來。來自極地冰芯記錄和古代乾涸湖盆放射性碳年代測定的證據表明，在10000至11000年前，熱喀斯特湖泊對突然的氣候變暖做出了重大貢獻——高達北半球甲烷的87%，這有助於結束冰河時代。這種噴發告訴我們，在合適的條件下，多年凍土融化和甲烷釋放可以加速，形成正反饋迴圈：更新世時期的碳以甲烷的形式釋放出來，加劇了大氣變暖，從而引發更多的融化和更多的甲烷釋放。現在，人為造成的變暖再次威脅要引發大的反饋。
這些反饋可能會發生多快？在2007年，政府間氣候變化專門委員會（IPCC）報告的全球氣候模型預測，未來最強烈的變暖將發生在北極高緯度地區，一些模型預測到21世紀末將上升7至8攝氏度。根據大量的分析，我的同事和我預測，在未來幾十年到幾個世紀內，隨著葉多瑪融化，至少有500億噸甲烷將從西伯利亞的熱喀斯特湖泊中逸出。這個數量是目前大氣中所有甲烷的10倍。
微調模型
即使我們盡了最大的努力，我們目前的估計也需要更精細的模型，以及對潛在的負反饋的考慮，這些負反饋可以作為系統的制動器。例如，在阿拉斯加，熱喀斯特湖泊的排水量創下紀錄。高地地區形成的湖泊不斷擴大，直到它們撞到斜坡。然後水順坡流下，引起侵蝕和進一步排水，將融化的沉積物送入河流，最終進入海洋。排水盆地被新的植被填滿，通常變成溼地。雖然它們在夏季解凍時會產生甲烷，但它們的年排放總量通常低於湖泊。
很難說這些潛在的過程是否會大幅減少甲烷釋放，還是隻減少幾個百分點。我和我的費爾班克斯同事圭多·格羅斯、新斯科舍省達爾豪西大學的勞倫斯·普拉格、英格蘭南安普頓大學的瑪麗·愛德華茲以及其他人從2008年開始的兩個專案，旨在改進正負反饋的一級近似值。關鍵的一步是繪製西伯利亞和阿拉斯加地區熱喀斯特湖泊和碳迴圈的地圖和分類，我們希望在2010年初完成草案。這項跨學科研究將生態和排放測量、地球物理學、遙感、解凍多年凍土土壤和湖泊沉積物的實驗室培養以及其他學科聯絡起來。目標是為從末次盛冰期（21000年前）至今的熱喀斯特湖泊的甲烷和二氧化碳排放量建立定量模型，並預測未來幾十年到幾個世紀湖泊甲烷的氣候變暖反饋。
為了幫助預測未來的變暖將如何影響熱喀斯特湖泊，普拉格和一位與我們合作的博士後學生馬克·凱斯勒正在開發兩個計算機模型。第一個是單湖模型，將模擬湖盆的動態。第二個是景觀模型，包括山坡過程、地表水運動和景觀尺度的多年凍土變化。這些模型將首先透過與我們已經研究的景觀進行比較來驗證，然後與來自西伯利亞和阿拉斯加15000年前的沉積物巖芯的資料進行比較，然後再與來自21000年前的其他氣候模擬進行比較。最後一步是將熱喀斯特湖泊模型與描述海洋和大氣環流的龐大的哈德利中心耦合模型耦合起來——這是IPCC評估報告中使用的主要模型之一。我們希望，最終的結果將是一個主程式，可以完全模擬多年凍土融化的程度和影響，使我們能夠計算未來的甲烷釋放速率，並評估這將如何驅動全球氣溫。
當然，更多的實地考察將繼續完善輸入這些模型的資料。2010年，在氣墊船的幫助下，我們將調查沿西伯利亞河流和北極海岸近1000英里的湖泊。一個大型考察隊還將從追溯到數千年前的湖泊中取回沉積物巖芯。實地資料與遙感相結合，最終將用於哈德利中心計劃，以模擬從末次盛冰期到未來200年的氣候變化驅動因素。預測的多年凍土融化和甲烷釋放地圖應在2011年4月之前完成。
解決方案
如果像所有指標表明的那樣，北極多年凍土的甲烷排放正在加速，那麼一個關鍵問題是：可以採取任何措施來阻止甲烷釋放嗎？一種應對方法是在甲烷逸出之前將其作為相對清潔的燃料提取出來。但是，從散佈在廣闊地區的數百萬個湖泊中收集甲烷在經濟上是不可行的，因為滲漏點太分散了。然而，靠近強烈滲漏點的小型社群可能會利用甲烷作為能源。
齊莫夫和他的兒子尼基塔設計了一個有趣的計劃，以幫助保持西伯利亞的多年凍土凍結。他們正在建立一個由大型北方食草動物維持的草原生態系統，類似於1萬多年前西伯利亞存在的草原生態系統。他們已經將馬、駝鹿、熊和狼引入了“更新世公園”，這是一個位於西伯利亞東北部佔地160平方公里的科學保護區。他們打算根據資金情況，從獨立來源、俄羅斯政府和美國機構獲得資金，再引進麝牛和野牛。
這些食草動物，連同猛獁象，在多年前維持了一個草原生態系統。明亮的草原生物群落比目前取代它的黑暗北方森林更能有效地反射入射太陽輻射，有助於保持下面的多年凍土凍結。此外，在冬天，食草動物踐踏和挖掘積雪以覓食，這使得嚴寒更容易冷卻多年凍土。
一個人和他的家人承擔了巨大的努力，透過建造更新世公園來拯救世界免受氣候變化的影響。然而，需要全球範圍的應對措施，每個人、組織和國家都要承擔起減少碳足跡的責任。減緩二氧化碳排放是人類避免放大更大變暖導致更多多年凍土融化，從而導致進一步變暖的反饋迴圈的唯一途徑。我們預測，如果碳排放量以目前預測的速度增加，到2100年，北方湖泊每年將釋放1億至2億噸甲烷，遠遠超過今天每年排放的1400萬至3500萬噸。全球所有來源的總排放量約為每年5.5億噸，因此，如果不加以控制，多年凍土融化將再增加20%至40%，從而導致地球年平均氣溫額外升高0.32攝氏度（如前所述）。世界無法承受氣候變化變得更糟。為了減少大氣中的二氧化碳，從而減緩多年凍土融化，我們都必須正視房間裡的大象：人們燃燒化石燃料。
注：本文最初的標題為“甲烷：一個浮出水面的威脅。”