一位年輕的科學家，捲曲的紅髮藏在針織帽下，小心翼翼地踏上西伯利亞東北部一個偏遠湖泊三天前結成的冰面。薄膜像玻璃紙一樣覆蓋著黑色的深淵，看起來無法承受她的體重，但突然浸入冰冷的水中是她必須承擔的風險。整個夏天，她都在乘坐搖搖晃晃的划艇在湖中搜尋，但任何一天冬天的第一場大雪都會吞沒這片區域，遮蔽湖面直到春天。她等不了那麼久。
這位女士穿著破舊的藍色羽絨服瑟瑟發抖，抬頭看了看陰沉的天空。又小心地走了一步後，她發現了她的目標：一簇簇盤子大小的氣泡凍結在冰中。這些氣泡是從湖底融化的永久凍土（以前是凍土）中升起的，是她博士研究的目標。它們長期以來難以捉摸，但突然間像夜空中的白色星星一樣顯眼，雖然沒有那麼寧靜。她用一把小鎬敲碎了一個氣泡的冰皮，當它像爆裂的煤氣管道一樣發出嘶嘶聲時，她面不改色。她向前傾身，小心翼翼地在破裂的氣泡上方劃了一根火柴，火焰像她的頭一樣高地衝向天空。這種易燃物質是甲烷，一種溫室氣體，它可能比二氧化碳 (CO2) 造成更大的全球變暖。
今天，在點燃第一個氣泡近七年後，凱蒂·沃爾特發現自己成為了在冰凍的北方上演的一場環境戲劇的中心人物。現年 33 歲的沃爾特是阿拉斯加大學費爾班克斯分校的助理教授，也是她的母校，她是第一個解釋北極湖泊神秘甲烷排放的人。她毫不掩飾地宣揚它們作為一顆定時炸彈的重要性。在北極完全融化的情況下，這些湖泊可能會排放高達 500 億噸的甲烷：是已經幫助地球變暖的甲烷量的 10 倍。
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完全釋放還是更溫和的釋放仍在人們的猜測之中。但同樣重量的甲烷在大氣中捕獲太陽熱量的能力是 CO2 的 25 倍。因此，即使是這些短暫的湖泊下和周圍乾燥陸地上覆蓋的多年凍土的適度融化，也可能引發惡性迴圈：變暖釋放甲烷並形成湖泊，這會融化多年凍土並釋放更多氣體，從而加劇變暖，進而形成更多湖泊，依此類推。一些北極湖泊正在擴大，研究人員正在懷疑地關注它們，認為這是 2007 年全球甲烷濃度飆升並從此居高不下的原因。其他跡象表明，北極海底多年凍土的融化可能正在鬆開儲存在更深處的大量甲烷氣穴的蓋子。
沃爾特正在發出比以往任何時候都更響亮的警報，因為全球變暖正在對遙遠的北方地區造成特殊的影響。該地區的升溫速度是全球其他地區的兩倍，北冰洋的海冰以及覆蓋北半球 880 萬平方英里的多年凍土正在迅速融化。主要的全球氣候模型已經表明，到 2100 年，北極大部分多年凍土的融化將導致溫室效應，而且這些估計尚未包括寒冷水域中冒出的甲烷可能帶來的巨大額外變暖。沃爾特和其他人正在努力確定究竟有多少甲烷可能被釋放到大氣中，釋放速度有多快，這種釋放將如何積極地加速地球變暖，以及是否可以採取任何措施來緩和日益升級的威脅。
打嗝和飽嗝
科學家們非常確定地知道地球大氣中在任何給定時間有多少甲烷，他們每週在世界各地數十個地點取樣其濃度。透過將這些測量結果輸入全球氣候模型，他們知道甲烷是當前變暖趨勢的三分之一的原因。究竟有多少氣體來自哪裡更難說，這就是為什麼北極湖泊氣泡長期以來被忽視的原因。
甲烷在任何有機物發酵的地方都會排放，無論是牛的腹部還是開始融化的凍土。多年凍土平均厚度為 80 英尺，裡面充滿了數千年來一直冷藏的動植物殘骸。傳統觀點長期以來認為，多年凍土需要數千年才能融化，因此研究人員預計它在全球氣候變化中起的作用微不足道。但最近的發現，尤其是沃爾特的湖泊發現，已經推翻了這一預測。
沃爾特的研究表明，相對溫暖的湖床確實正在融化其正下方的凍土，深度達數十英尺。融化一塊多年凍土就像從冰箱中取出一包冷凍漢堡包，然後將其放在廚房的櫃檯上。隨著肉變暖，貪婪的微生物會吞噬它，釋放出一種氣體作為副產品。在乾燥的陸地上，微生物主要將動植物殘骸轉化為 CO2。但在潮溼、缺氧的湖泊深處，它們反而會釋放甲烷。沃爾特的最佳猜測是，研究人員一直低估了北極溼地的甲烷排放量，低估幅度高達 63%。
沃爾特在她博士論文中首次提出的甲烷警報引起了美國研究生院理事會的注意，該理事會在 2006 年授予她國家博士論文最高榮譽。她將自己的發現歸功於在一個季節又一個季節地住在湖邊。大多數科學家傾向於只在夏季到野外，那時氣泡滲漏的氣體在開闊的水域中很難被發現，或者在冬季，那時湖泊被六英尺厚的積雪覆蓋。同樣的偽裝也阻止了沃爾特，直到 2002 年 10 月一個陰沉的下午，她決定在西伯利亞從夏季到冬季的短暫過渡期留在湖邊。到 2003 年春天，她確切地知道自己需要做什麼：將她的氣體收集器直接放置在已知的滲漏點上方。此後，她的研究結果引起了人們對多年凍土融化可能如何急劇加速全球變暖的關注。
捕捉惡魔
在四年的博士研究期間，沃爾特在西伯利亞荒野中度過了 20 個月，經常獨自一人或只有一個忠實的野外助手。她每天在潮溼的苔原上徒步跋涉長達八英里，並多次勇敢地進入冰冷的水域，既有故意的也有意外的。她非常清楚自己要進入什麼；早在九年前作為一名高中交換生來到俄羅斯時，沃爾特就學會了俄語，並深深地被後蘇聯時代的艱苦生活條件所觸動。她毫不猶豫地抓住了重返的機會。
在那四年中的大部分時間裡，總部設在所謂的東北科學站，這是一個位於切爾斯基的小型前哨站，位於北冰洋以南約 90 英里處。該站的站長，傳奇生態學家謝爾蓋·季莫夫曾發表過他對湖泊排放對氣候變化的作用的懷疑，他幫助確定了沃爾特的直接目標：找到一種量化甲烷釋放的方法，並確定有多少比例可歸因於多年凍土融化。沃爾特的第一個挑戰是發明一種捕捉氣體的方法。她知道自己最終需要數百個裝置才能充分取樣她研究中的兩個大型湖泊，因此她的設計需要簡單且廉價。沃爾特和她的西伯利亞野外助手在車站狹窄的閣樓裡花了數週時間拼湊收集器，大部分材料來自他們在廢棄的蘇聯軍事基地和塵土飛揚的土路上發現的回收垃圾。對於每個收集器，他們將一個倒置的塑膠瓶固定到一個傘狀塑膠裙的中心，該塑膠裙由一個金屬絲圈撐開，以向上引導氣泡。他們總共製作了 75 個。
在她第一次考察期間，沃爾特忠實地按照標準科學協議，將收集器隨機放置在湖泊未結冰的表面上。“我們為此付出了很多努力，我感到很沮喪，”沃爾特說。“我們可以看到氣泡，但我們沒有捕捉到多少氣體。”直到她第一次走到新結冰的冰面上，看到分散的氣泡堆積時，她才意識到甲烷是在離散的點上升的。她做出了一個行政決定，有點緊張，也沒有徵得她的論文導師的同意，在第二年春天湖泊融化時，將收集器直接設定在滲漏點上方。因此，在 2003 年，她開始將她的許多收集器固定在靠近湖底的地方，這項工作需要浮潛和潛水服。定位一個滲漏點併為單個收集器設定必要的三腳架重量和繩索需要在仍然受到冬季寒意影響的湖水中浸泡兩個半小時。
同年春天，沃爾特在費爾班克斯的同事弗拉基米爾·羅曼諾夫斯基，他的計算機模擬是預測本世紀將發生劇烈融化的模擬之一，他對切爾斯基進行了不相關的訪問，並觀察到沃爾特在冰冷的湖泊中游泳：“她是一個堅強的女孩，”他簡單地說。到夏天，沃爾特因肺炎住院。“但幾個月後，在服用了一劑俄羅斯抗生素後，我又回到了湖泊，”她回憶道。冬天再次來臨時，工作從浮潛變成了剷雪。沃爾特一次又一次地在冰面上的積雪中挖掘，清理滲漏點上方的路徑，並沿途用旗幟標記它們。“西伯利亞人嘲笑我們花了那麼多錢來到西伯利亞，只是為了剷掉冰凍湖泊上的積雪，”她說。但當全世界瞭解到她來之不易的發現時，沒有人再笑了。
飆升的證據
沃爾特與少數西伯利亞湖泊的親密關係最初使湖泊排放進入了公眾視野，但真正引起轟動的是她對湖泊排放的全球重要性的分析，她在 2007 年在兩家主要的科學期刊上報告了這一分析。透過她與英國南安普頓大學的古生態學家瑪麗·愛德華茲的合作，排放量大幅增加的潛力變得清晰起來，愛德華茲研究了北極湖泊的生命歷史。他們共同表明，北極湖泊中冒出的甲烷可能導致了最近一次冰河時代地球變暖的甲烷排放量飆升的 87%。當時，大約在 11,400 年前，全球甲烷濃度在不到 200 年的時間裡上升了 50%。
許多科學家渴望確定這種劇烈的飆升是否會再次發生。全球變暖的穩步推進，蔓延數百年或數千年，可能會緩慢地引爆北極氣體定時炸彈。但更快的融化可能會點燃甲烷的失控溢位。
國家大氣研究中心（位於科羅拉多州博爾德市）的氣候建模師大衛·勞倫斯說，大約十年來，海冰的持續流失顯然正在加速北極的快速變暖。當 2007 年和去年夏季海冰退縮至歷史最低點時，前景似乎每月都在惡化。國家海洋和大氣管理局 4 月份釋出的新估計預測，到 2037 年夏季幾乎將沒有冰，比早期模型預測的提前了三倍。更多開闊水域的前景使各國爭先恐後地在北極海床爭奪石油和天然氣開採權[參見傑莎·甘布林撰寫的“北極圈爭奪戰”；大眾科學地球 3.0，第 19 卷，第 1 期，2009 年]，但氣候變化的強烈反彈可能會很嚴重。深色海水比白色冰吸收更多的太陽熱量，從而使該地區的空氣變暖，進而使土壤變暖，使多年凍土面臨風險。勞倫斯最新的全球氣候模擬預測，與海冰特別快速流失時期相關的變暖可能直接導致多年凍土更快融化。在這樣的時期，將持續五到十年，北極海岸線的秋季氣溫可能會升高高達 9 華氏度，滲透到內陸的熱量將使先前假設的平均變暖率增加兩倍以上。
美國陸軍寒區研究與工程實驗室（位於阿拉斯加州溫賴特堡）的馬修·斯特姆說，內陸氣溫上升正在助長另一個劇烈的變化，“其影響可能與海冰流失一樣深遠”。灌木叢正在接管大片苔原。在夏季，灌木叢比它們取代的苔蘚較多、草較多的植被吸收更多的陽光，從而進一步加熱地面。在冬季，它們會形成積雪，幫助地面保持夏季的熱量。斯特姆對 1940 年代為石油勘探拍攝的阿拉斯加北部 6,000 張航空照片與當今對同一地點的調查進行了廣泛比較，結果顯示灌木叢顯著擴張，現在覆蓋了 77,000 平方英里。
排放量翻倍
然而，一些北極科學家很快指出，某些環境變化可能會減緩而不是加速變暖。斯特姆還發現了灌木叢沒有擴張且土壤較冷的地區。在其他地區，苔蘚苔原向稀疏森林的轉變（而不是灌木叢）透過在樹木中儲存更多碳來抵消溫室氣體的一些增加。儘管如此，共識是變暖將佔主導地位。“問題是這是微弱的正相關還是強烈的正相關，”勞倫斯說。“可能需要很長時間才能得到正確的數字。”
然而，即使是現在，勞倫斯也願意提供甲烷釋放量的下限。他說，很容易想象到 21 世紀末，僅透過啟用北極土壤最上面幾英尺每年夏天都會融化的區域（所謂的活躍層）中的更多微生物，就可以使北極的甲烷排放量翻倍的條件。但由於融化而形成的更多湖泊將使這一估計值飆升。沃爾特的研究表明，在 1974 年至 2000 年間，切爾斯基附近的湖泊顯著擴張，並且隨著它們的擴張，它們侵蝕了海岸線沿線的多年凍土。她發現，甲烷在這些外邊緣上升得最猛烈，這促使她在 2006 年估計，融化湖泊的擴張使該地區的甲烷排放量增加了 58%。
2008 年，作為教授回到西伯利亞，讓她想知道是否應該更新這一估計。2002 年她點燃第一個甲烷氣泡的湖泊的岸邊已經大大向前推進。“我的研究地點的巨大變化真的讓我感到驚訝，”她說。“我什至認不出湖泊的邊緣了。一些池塘似乎擴大了一倍或兩倍。”如果其他湖泊也經歷了類似的增長，它們可能促成了兩年前開始的全球甲烷飆升。
沃爾特仍然每年花費四個月或更長時間在湖泊中行走，執著地尋求答案。她的合作者和研究地點已大大擴充套件。迄今為止，她和她的同事已經訪問了西伯利亞和阿拉斯加的 60 個湖泊，但這仍然只是冰山一角。由於沒有希望親自訪問每一個北極融化湖泊，她的團隊現在正在研究一種從太空探測甲烷滲漏的技術。一顆新的高解析度德國衛星 TerraSAR-X 使人們有可能識別冰凍湖泊表面上不同的氣泡斑塊，並跟蹤哪些斑塊正在增長。
又一個減少排放的理由
一旦一定量的多年凍土開始融化並且開始氣體洩漏，就無法對此做太多事情。當地村莊可以捕獲冒出的甲烷氣體並用它來替代柴油燃料（捕獲垃圾填埋場釋放的甲烷的技術已經存在）。但沃爾特承認，這只是一個“非常小的補救措施”。唯一的真正解決方案是減緩融化本身。
我們這些居住在較低緯度地區的人可以做出最大的改變。將多年凍土融化與海冰流失聯絡起來的模型預測，如果人類儘快穩定 CO2 排放，減緩正在產生甲烷的大氣變暖，這兩個過程都可以大大減緩。“這不是一列失控的火車，”勞倫斯說。至少現在還不是，沃爾特和其他人警告說。勞倫斯聽起來很樂觀，他說：“也許我們必須到 2050 年將排放量減少 80%，而不是 70%。”但如此大幅度的減排並非易事。自 2000 年以來，人類活動導致 CO2 濃度的上升速度遠超預期。
即使人類找到了減緩變暖的決心，在錯誤的地方融化太多也可能會開啟水下甲烷洞穴。在許多地方的多年凍土層下方潛伏著數百萬年前形成的純氣體氣穴。一些氣穴是普通的天然氣儲量，但另一些是所謂的甲烷水合物，即在其晶體結構中含有大量氣體的大量冰沉積物。
一些科學家懷疑，多年凍土充當了保護水合物免受融化的蓋子，尤其是在淺北極海底，那裡的水合物僅在幾十英尺深的地方被發現。海水或湖水融化下方多年凍土的程度越大，這個蓋子突然爆裂的可能性就越大，從而將甲烷噴射到水中並進入大氣層。一個包括沃爾特在費爾班克斯的兩名同事在內的團隊在 2008 年發現了從西伯利亞淺大陸架升起的羽流。可能，這些釋放已經發生很長時間了，而我們現在才注意到它們。但發現者指出，僅西伯利亞陸架就蘊藏著估計 1.4 萬億噸以氣體水合物形式存在的甲烷，相當於對多年凍土完全融化期間將釋放的溫室氣體總量的最新估計。
許多研究人員指出，陸地上的多年凍土下方也存在甲烷水合物。人們普遍認為這些沉積物太深，不會有融化的風險。但這個假設，就像之前的其他假設一樣，已經受到了質疑。如果沃爾特證實了今年早些時候的野外考察的跡象，即北極湖泊正在挖掘比多年凍土更古老、更大的甲烷來源，那麼她的警報就必須大大提高。而她點燃的那些氣泡將呈現出更加不祥的光芒。
更多野獸，更少負擔：大型動物可能有助於保持多年凍土凍結。
奇怪的是，減緩多年凍土融化的一種方法是將大量植食性大型動物重新引入北極景觀，以模仿數百萬年前猛獁象在西伯利亞草原漫遊的時代。雖然這個想法聽起來像科幻小說，但它基於合理的生態學。“雪就像一件羽絨服，可以保持地面溫暖，”阿拉斯加大學費爾班克斯分校的研究員凱蒂·沃爾特指出。“隨著動物的活動壓縮積雪或透過覓食將其清除，寒冷的冬季氣溫可以更深入地滲透到地下，並保持多年凍土凍結。”事實上，西伯利亞切爾斯基東北科學站的站長、生態學家謝爾蓋·季莫夫已經聘請當地村民用自己的雙手來塑造這一解決方案。他們用柵欄圍起了一個 625 平方英里的牧場，季莫夫稱之為更新世公園，並在其中放養了駝鹿、馴鹿和雅庫特馬。季莫夫還模仿猛獁象，駕駛軍用坦克碾壓地面。他認為，如果動物能夠茁壯成長以耕種草原，那麼氣候仍然是草原的最佳選擇，草原也將為下面的多年凍土提供隔熱。他指出，狩獵而非氣候才是猛獁象滅絕的罪魁禍首。
注意：本文最初印刷時的標題為“冰下危機”。