桑德羅·達爾克深吸一口氣，從我們船的甲板上向北極天空釋放出一個幾乎和他自己一樣高的白色探空氣球。這個充滿氦氣的球體向上射去，而無線電探空儀——一個附在氣球尾部、用於監測天氣的儀器包——在風中瘋狂地擺動。我們身處北冰洋深處，在德國破冰船北極星號上，風立即將氣球掃向右舷——這對達爾克來說是一個令人擔憂的前景。通常情況下，在冰冷的海洋上幾乎不會遇到任何障礙。但今天，我們與俄羅斯破冰船費多羅夫院士號拴在一起，它在我們較小的船隻上方隱現，他擔心氣球可能會撞到隔壁的船隻。
充氣物擦肩而過，離船上高聳的起重機僅幾釐米。一旦它順利地進入上方的空氣中，德國阿爾弗雷德·韋格納研究所的大氣科學家達爾克輕快地走過直升機停機坪（這裡也是他的發射場），然後回到他的辦公室。在那裡，他將監測氣球無線電探空儀捕獲的資料——它每秒鐘測量溫度、溼度、風向和風速、氣壓和位置，因為它不斷升高——直到資料突然停止：那是氣球爆裂並向海洋墜落的時刻。
達爾克的釋放是一項精心協調的努力的一部分：世界各地其他數百個氣球同時升空，以便將它們的資料進行比較並納入天氣預報。但是，達爾克的探空氣球是在北緯85度、東經133度發射升空的，比任何其他探空氣球都更靠近北極數百公里。它將提供一個關鍵的資料點，而原本那裡將是空白。此外，他和他的同事們每六小時從船上發射一個氣球，並將持續整整一年——超過1400次升空——這將提供比以往更多的關於北極天氣的資訊。之前的研究基於偶爾的北極氣球釋放，表明，這些資料實際上改善了較低緯度的預報。結果還將大大促進氣候模型的發展，這些模型表明，北極的變化對地球的其他地區具有顯著的涓滴效應——儘管這種聯絡仍在爭論之中。
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裂縫在開啟並朝北極星號移動兩天後重新凍結。圖片來源：夏農·霍爾
這種聯絡的主要嫌疑是所謂的極地急流，這是一條環繞北極的快速風河，通常在急流強勁時將寒冷溫度限制在內部，將溫暖溫度擋在外部。但是，如果急流減弱——這種效應可能是由於北極和赤道之間的溫度梯度降低造成的，因為北極變暖的速度快於地球的其他地區——急流可能會變得波濤洶湧並更加蜿蜒。這意味著波浪狀急流中的向北峰和向南谷，我們在天氣圖上看到的是高壓和低壓系統，可以更頻繁地形成並持續更長時間。這種設定會產生長期熱浪、停滯的熱帶風暴和持續不斷的嚴寒。
“對我來說，北極會影響我們的天氣似乎是顯而易見的，”大氣與環境研究公司的大氣科學家猶大·科恩說，他沒有在北極星號上。但他說，這個話題“有爭議且存在爭議”。
這個問題尚未解決，很大程度上是因為北極仍然是地球上研究最少的地區之一。“我們不瞭解北極中部的關鍵氣候過程，尤其是在冬季和春季，那時海冰非常厚，即使是最好的研究破冰船也被鎖在冰封區域之外，”探險隊負責人、阿爾弗雷德·韋格納研究所的大氣科學家馬庫斯·雷克斯說，該研究所是本次任務的主要研究機構。為了改變這種狀況，雷克斯、達爾克、大批其他科學家，甚至少數幸運的記者——包括我——上個月前往北極，將北極星號凍結在北極海冰中。這個獨特的平臺將使這項名為“北極氣候多學科漂流觀測站”（MOSAiC）的任務能夠研究整個年度的北極系統，收集冬季和春季的關鍵資料。達爾克和他的同事們甚至在從挪威向北的航行中進行了幾次額外的資料執行——向天空發射探空氣球。例如，達爾克擔心附近破冰船的那個狂風呼嘯的下午，就發生在我們停泊在冰上、費多羅夫院士號駛來卸下儀器、人員和燃料之前。然後，我們被留在冰塊中漂流，冰塊在冬季月份緩慢地向上並越過北極。
聚光燈在夜間照亮裂縫，以便科學家可以密切監測它。圖片來源：夏農·霍爾
大量資料將使科學家能夠更好地瞭解北極內許多小規模的細節。這種知識至關重要，因為數值天氣和氣候模型的解析度絕非小規模——相反，它們分別接近幾公里和100公里的尺度。然而，許多事件發生在較小的空間範圍內。例如，在我們撞入一個3.5公里寬的冰塊中心幾天後——此舉有望將我們囚禁在冰中一年——一條裂縫從地平線開啟，徑直朝向船頭。它蜿蜒繞過左舷，並延伸到船尾之外。僅在一個小時內，它就張開了五米，然後開始重新凍結，形成一層薄薄的黑色薄片，看起來像一條墨水般的河流在白色海景中流淌。當我在船上時，冰中也出現了其他裂縫——每條裂縫都會從相對溫暖的下方海洋釋放熱量，從而影響大氣。
當這些型別的區域性變化在廣闊的北冰洋上累積時，會改變大氣，但它們永遠不會在氣候模型中被考慮在內。相反，科學家們構建了“引數化”，將這些效應在更大的尺度上進行平均——很像圖片中的單個畫素僅反映一種顏色。但是，引數化通常是在中緯度地區開發的，並且難以真實地代表高北極冰冷且通常黑暗的世界。或者它們是在北極開發的，但在夏季進行的單次考察之後開發的，因此它們無法捕捉到其他季節。“這就是我們來這裡的原因，”達爾克說。
僅舉一個例子：科學家們希望更好地觀察一種被稱為溫度逆增的北極現象。在中緯度地區，大氣溫度隨高度升高而降低。但在北極，實際上會變暖——至少在冬季是這樣。冰雪會冷卻冰凍的海面，有時溫度會低到在短短幾分鐘內就會發生凍傷。任何熱量都可能輻射到太空，尤其是在雲層稀薄或稀少的情況下，使較高的大氣層比地表更溫暖。溫度逆增——或缺乏溫度逆增——在從北極釋放或滯留在北方的熱量中起著關鍵作用。然而，阿爾弗雷德·韋格納研究所的大氣科學家馬里昂·馬圖裡利說，大多數氣候模型都不能很好地再現這些逆增現象，她正在協調氣球測量，但本人不在北極星號上。
主要挑戰之一是溫度逆增最常發生在冬季，而冬季的資料非常少。強風暴和冰中的開放裂縫也可能擾亂逆增，導致其減弱或消失。探空氣球——這將使達爾克和他的同事們能夠確定每天四個不同時間逆增的強度——將捕獲前所未有的資訊，這些資訊可以輸入到氣候模型中。“這就是MOSAiC將發揮巨大作用的地方，”伍茲霍爾研究中心的氣候科學家詹妮弗·弗朗西斯說，她研究北極和中緯度天氣之間的聯絡，但不在船上。一旦氣候模型能夠更好地表示溫度逆增，它們將更好地表示我們變暖的世界。
研究人員還將把資料輸入到大氣中溫度層的大型地圖中，這些地圖可用於追蹤急流波浪的形狀，使預報員能夠確定它們可能向北和向南蜿蜒多遠。弗朗西斯說，北極最低層的資料一直缺失。“當沒有資料時，模型必須根據最近的測量值對這些廣闊區域進行平均，”她解釋說。“有時這意味著溫度或大氣圖中的重要變化被遺漏了。”
達爾克和他的同事們將繼續每六小時準時發射一個無線電探空儀。但惡劣天氣可能會影響他們的工作。儘管該團隊從船上釋放這些裝置，但他們還將從冰上釋放一個繫留氣球，該氣球將漂浮到一公里高，並在空中停留幾個小時。早在10月4日我們到達浮冰時，達爾克和他的同事們就努力為這種氣球建造一個完美的場地。他們用鏟子剷平積雪，為放置等待的氣球的帳篷添加了木製地基，將電力從船上拉到場地，並將他們的裝置拉到冰上——當然，這一切都在發射間隙完成。但由於強風，他們尚未釋放繫留氣球。10月下旬（在我開始乘坐費多羅夫院士號返回挪威的長途旅行幾天後），他們遇到了另一次挫折：“有一隻[北極]熊像購物袋一樣扛著我們300公斤的帳篷，”達爾克透過WhatsApp告訴我（這是船上最好的通訊方式）。幸運的是，這隻動物只是稍微損壞了鑽井裝置，但這一事件鮮明地提醒人們，儘管北極野外工作至關重要，但絕非易事。