2014年夏季，楚科奇海顯得異常。這片北極水域在歷史上大部分時間都冰封，卻反常地沒有冰。冰少到什麼程度呢？35000頭海象因為找不到冰塊來覓食，而被迫在阿拉斯加西北部的海岸線上擱淺。九月的一個早晨，海洋學家吉姆·湯姆森在“諾斯曼二號”科考船上進行研究考察，當時他們身處離陸地數百英里的海域。他注意到另一件奇怪的事情：一些船員暈船了。
對於一次遠海航行來說，噁心嘔吐聽起來可能很正常，但在這裡卻不是這樣，這裡是楚科奇海和波弗特海的交匯處。這個偏遠地區通常沒有足夠的空間形成巨浪。但現在這裡出現了開闊水域，海浪也變得巨大——15英尺高的湧浪將船隻拋來拋去，海浪還衝過甲板，轟然炸裂。海面非常洶湧，船長無法安全地逆浪航行，只能順著海浪的方向行駛。當經驗豐富的航海家湯姆森看著他的研究夥伴們在船上搖搖晃晃，看起來好像隨時都要吐午飯時，他卻在享受這暴風雨天氣。他來這裡就是為了尋找海浪，而它們就在眼前。
湯姆森回憶說：“這些海浪比以往在北極測量到、談論到或想象到的都要大。”幾個月前，他部署了一小隊水下無人機來監測海況；那天他正試圖回收其中一架無人機。“事實上，我們全年記錄到的最大浪高是在我們回收機器人大約六個小時前，”他補充道。
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這些海浪可能是一個重要且令人不安的謎題的答案：為什麼北極冰融化得如此之快？氣候模型基於全球變暖的測量資料，預測冰層縮小的速度會更慢。要麼是模型錯了，要麼是發生了其他事情。湯姆森和其他科學家現在認為，這與海浪有關。氣候引發的融化為海浪提供了額外的生長空間，這使得湧浪佔據主導地位，不斷衝擊冰蓋，並將其分裂成虛無。當湯姆森在2012年放出類似的機器人浮標時，其中一個浮標被一個高聳的海浪拋起，高度達到了25英尺。
這個地區新出現的巨大海浪可能會產生深遠而改變世界的效應。北極水域環繞北極，從加拿大和阿拉斯加北部的波弗特海和楚科奇海，到俄羅斯北部的東西伯利亞海、喀拉海和巴倫支海，再到大西洋上方的挪威海和格陵蘭海。在這個廣闊的區域，冰蓋可能不僅會影響海象的棲息地，還會影響洋流的路線，甚至大氣急流，從而影響數千英里以外的氣候。隨著冰層不再保護該地區的陸地邊緣，脆弱的多年凍土——它構成了海岸線的大部分——也可能面臨危險。
這些後果正是湯姆森和其他100名研究人員，以及有史以來在寒冷水域部署的最先進的遙感網路，於2014年重返北極的原因。他們的任務是一項耗資數百萬美元的實驗，旨在揭示巨浪的出現可能對這個世界上最神秘的海洋的未來意味著什麼。
北極的暴露
多年來，研究人員已經知道他們遺漏了關於北極的一些關鍵資訊。無論科學家們如何計算資料，冰蓋每年的部分破裂都比任何模型預測的都要更快、更遠，即使考慮到全球變暖的極端情況也是如此。2007年，位於科羅拉多州博爾德市的國家冰雪資料中心的 climatologist 朱麗葉·C·斯特羅夫在一篇論文中注意到了這一點，她寫道，政府間氣候變化專門委員會使用的北極模擬中，沒有一個或極少預測到現實世界中看到的冰層退縮。斯特羅夫說，即使在調整模型後，冰層縮減的速度仍然超過預測：“最近的下降仍然超出所有模型的平均值。它們並沒有真正捕捉到已經發生的事情。”
準確的北極氣候模型至關重要。太平洋西北國家實驗室的科學家認為，北極海冰減少意味著通常被困在冰層下的熱能可以逸散到大氣中。這種上升的熱量會擾亂急流，即快速移動的高空氣流，它使得從美國西部飛往東部比反方向更快。一些科學家認為，急流就像一道屏障，阻止寒冷的北極空氣南下，而急流的變化可能會導致極端的“極地渦旋”天氣事件，例如過去兩個冬天襲擊美國東海岸城市的天氣事件。
伍茲霍爾海洋研究所的科學家們測量到，隨著冰層變薄和退縮，波弗特海的淡水體積正在增加。現在的淡水比40年前增加了25%。如果這層淡水溢位到北大西洋，可能會顯著改變洋流。在20世紀70年代，這層淡水也發生了類似的事情，原因至今不明，導致北極冰向南溢位，並擾亂了有助於平衡該地區溫度的洋流。一些科學家認為，類似的擾動在過去曾驅動了極其快速的氣候變化，例如大約12000年前發生的一次事件，該事件導致格陵蘭冰蓋在短短幾十年內升溫約8攝氏度。
冰層消失也在加速北極地區當前的海岸侵蝕。多年凍土海岸，即永久凍結的底土與開闊水域相遇的地方，約佔地球所有海岸線的三分之一。“唯一能將這些海岸維繫在一起的是冰，當它們不受海冰保護時，可能會非常迅速地被侵蝕，”德國阿爾弗雷德·韋格納研究所（極地研究中心）的地貌學家 Hugues Lantuit 說。波弗特海沿岸的一些海岸線每年已經後退多達 100 英尺。
這種侵蝕會摧毀人類住區，破壞生態系統，導致陸地沉降，並加劇海洋酸化和全球變暖。隨著多年凍土融化，它會釋放出凍結在其中的植物、動物和微生物中的碳。這種有機物質最終會腐爛，併成為二氧化碳和甲烷的來源，這兩種溫室氣體也會酸化海洋，使其不再適宜海洋生物生存。
大型企業也希望更好地瞭解冰層正在發生的變化。石油和天然氣公司看到了在以前冰封的水域中鑽探的新機會。如果能夠準確預測季節性融化的量，航運公司就可以利用傳說中的西北航道，將從太平洋到大西洋的航程縮短一週。冰層的消失也引起了美國海軍的注意，尤其是在國家北部邊境出現一片全新海洋所帶來的安全影響方面。
總而言之，有很多緊迫的原因需要弄清楚冰層消失的原因。
湯姆森懷疑，巨浪及其破壞冰層的力量可以解釋為什麼預測與現實不符。“到目前為止，海浪還沒有被納入到一個系統模型中，該模型將海洋、大氣、天氣和海冰結合在一起，然後將它們耦合在一起以做出更好的預測，”湯姆森說。“機械過程根本缺失了。”海岸專家蘭圖伊特說，雖然人們對海浪的影響了解不多，但它們可以解釋他不斷變化的地圖。“目前還沒有一個關於海浪對多年凍土海岸影響的良好模型，”他指出。“但根據經驗，如果海浪更大，就可以預期會發生更多的侵蝕。”
追逐巨浪
雖然各種模型中都沒有海浪，但科學家們早就知道海浪衝擊甚至可以對最堅硬的冰層造成破壞。伊麗莎白·洪克為洛斯阿拉莫斯國家實驗室模擬海洋和海冰。在1998年去地球另一端南極洲的旅行中，她在威德爾海的菲爾希納-龍內冰架附近發現了一片罕見的開闊水域。“我看到海浪衝擊著固定在岸邊多年的海冰，可能是幾十年甚至幾百年，”洪克說。“雖然冰層非常厚而且很難打破，但這正是海浪正在做的事情。”
但由於沒有人預想到北極會出現巨浪，科學家們並沒有想到要尋找它們，也沒有將它們納入計算。湯姆森在2012年用單個浮標進行的驚人測量改變了這一切。
它不僅引起了海洋學家的注意，也引起了美國海軍研究辦公室的注意，該辦公室已經決定花費1200萬美元來查明北極冰層的去向，並啟動了一個名為邊緣冰區 (MIZ) 計劃的專案。去年夏天，追逐海浪成為研究的正式組成部分。
該專案彙集了100多名國際科學家，開展了有史以來最雄心勃勃的實驗，以觀察北極冰蓋的季節性破裂。在過去，這項活動會啟動破冰船在海面上的攪動，潛艇在深海中的巡弋以及衛星在空中的翱翔。然而，在2014年，這意味著小型船隻、短期考察和大量的機器人無人機。自主機器人現在可以去人類只能夢想的地方，每天24小時收集資料，無需休息或緩解。
2014年春天，就在一年多前，科學家們飛到波弗特海厚厚的冰凍冰層上，並沿著一條從北緯約73度向北極方向延伸240英里的線安裝了數十臺儀器。這些裝置測量了冰的厚度、其下方水域的溫度和成分以及上方的天氣。這些儀器由浮力裝置支撐，因此隨著冰層在夏季逐漸破裂，將它們逐個浸入寒冷的海洋中，它們繼續收集水和天氣資料。
7月下旬，湯姆森和其他五位科學家開始從一艘小型改裝漁船“烏克皮克號”研究船上，在波弗特海部署更先進的自動化團隊成員。在每年的這個時候，太陽永不落山，在波濤洶湧的海面和閃爍的浮冰上投下無盡的昏暗光線。這些科學家可能是當時世界上最北端的航海家，距離最近的居民點超過100英里。儘管偶爾會看到弓頭鯨遠處的噴水柱，但波弗特海的這個區域仍然是一個荒涼的地方。
研究人員在人類陪伴方面有所欠缺，但在機器人陪伴方面卻彌補了不足。他們正在為工作準備幾種不同型別的無人機。一些是湯姆森的標準海浪感測浮標，類似於他在2012年附近停泊的浮標。其他的則要複雜得多：海滑翔機，一種六英尺長的魚雷形水下無人機，它們透過一對可調節的翅膀在水中推進和轉向。每架海滑翔機都有一個外部充氣囊，可以充氣使其比水輕，也可以放氣使機器人下沉。海滑翔機每天可以覆蓋多達12英里的距離，在水中上下移動，形成優美的弧線。
強大的電池使每個機器人能夠執行10個月，並透過在水中滑行時向左或向右傾斜來幫助控制無人機的方向。當海滑翔機到達其俯衝飛行的頂部時，它會像好奇的海豹一樣，將鼻子短暫地伸出水面。然後它可以獲得GPS位置資訊，將資料發射到等待的衛星，並接收新的指令。部署了四架海滑翔機，它們花了兩個月時間在開闊水域和冰蓋之間來回穿梭，測量水中的湍流、溫度、鹽度和有機物質。
當海滑翔機長時間在冰下時，它們會與衛星監視器斷開連線。為了保持它們的連線，科學家們採用了第三種類型的無人機，即被稱為波浪滑翔機的地面旅行者。看起來像魯布·戈德堡機械的波浪滑翔機由太陽能電池板和海浪的運動提供動力，一直執行到冰的邊緣，並向潛水器傳送聲學訊號。伍茲霍爾的工程師李·弗雷塔格開發了一個系統，向海滑翔機廣播低頻聲音訊號，依靠水下反射層將聲音反射到遠距離。（這些反射層與鯨魚歌曲傳播整個海洋所利用的層是同一種，都是由水密度變化形成的。科學家們選擇了與常駐鯨類動物使用的層和頻率不同的層和頻率，以避免干擾動物。）這些訊號將經緯度資訊以及研究人員的指令傳遞給海滑翔機。
與乘坐破冰船穿越高緯度地區相比，這種大規模的機器人方法有幾個優勢。首先，機器人使科學家能夠覆蓋更廣闊的區域。破冰船僅限於單一路線，通常在一個方向巡航，而活動卻發生在數百英里之外。波浪滑翔機和海滑翔機在操作人員的指示下，可以轉向跟蹤冰層屈服於大海的每一個曲折。
還有另一個優點：機器人只需要一艘小型母船“烏克皮克號”。“‘烏克皮克號’足夠小，我們可以在其中機動，”湯姆森說。“傳統破冰船最大的問題之一是它太大了。它就像瓷器店裡的公牛，破壞了我試圖測量的海浪。”
有一天在“烏克皮克號”上，在幫助船員將一對波浪滑翔機放入水中後，湯姆森倚靠在船舷上，談論海浪是如何演變的。“要形成海浪，你需要風，”他說。“有了風，你需要兩樣東西：時間和距離。如果你有更多的空間，你就會形成更大的海浪，暴風雨持續的時間越長，海浪也會越大。真正的大浪來自於兩者兼備。”
在春季，即使在最溫暖的年份，北極的大部分地區仍然被冰封鎖。到夏季末，它的自由水域表面積是地中海的兩倍多。你擁有的開闊水域或“風浪區”越多，海浪就會越大。風將水向前推，更長的風浪區會給更多的水時間堆積得更高。
當水域沒有冰層時，它也會從太陽吸收更多的熱量——冰層會反射熱量——而變暖的水會加熱空氣，從而產生更多的風。如果條件合適，這種組合可以在幾天之內瓦解國家大小的冰層區域。當然，這會產生更多的開闊水域，形成一個反饋迴圈，使巨浪更容易形成。
目前尚不清楚的是，在這個迴圈中，每個要素對冰層破裂的貢獻有多大，以及海浪是否可以減緩秋季臨近時冰層的重新形成。為此，科學家們需要更多地瞭解海浪和海冰相互作用的方式。
瓦解冰群
在七月放下無人機後，“烏克皮克號”遇到了一片廣闊的海冰群，從小型冰塊到高聳的冰丘，讓人想起1912年擊沉“泰坦尼克號”的那座冰山。對於湯姆森來說，這是一個完美的追逐海浪的場所。他跳起來準備一個浮標。船停在冰群外，讓他將一個浮標扔到海里，然後小心翼翼地駛入冰群，部署另一個浮標。
當船駛入冰群時，開闊海域和冰群之間的區別顯而易見。在開闊水域，海面波濤洶湧。當“烏克皮克號”到達水中第一塊小冰塊時，波濤就變成了低沉平緩的湧浪。當船再往前行駛幾百碼，撞擊並繞過一些較大的冰塊時，它們之間的玻璃般的水面上只剩下最輕微的顫動。“冰層過濾了海浪，只有最長的海浪才能到達最遠處，”湯姆森興奮地說，用手在空中劃出一個完美的管狀斷路器。他想了解的事情之一是，這種過濾有多少來自一種叫做散射的效應，又有多少來自另一種叫做阻尼的過程。
散射意味著冰層只是在轉移海浪能量，而沒有吸收它，就像稜鏡散射光線一樣。阻尼意味著海浪正在將能量傳遞給冰層，移動它並將其破碎。阻尼效應會對冰群造成最大的破壞。對於海上房屋大小的海浪所引起的所有轟動效應，在這裡進行的釐米級測量可能在未來幾年內對改進北極系統模型做出最大的貢獻。
但美國海軍研究實驗室的海洋學家 W. 埃裡克·羅傑斯表示，湯姆森已經發現的東西使得“更多海浪導致更少冰層，進而導致更多海浪”的迴圈成為可能。“這種反饋迴圈似乎是理解地球未來變暖氣候中海冰範圍的重要機制，”他說。
當“烏克皮克號”駛離漂流的冰層並返回港口時，一艘由因紐特漁民和他的孫子駕駛的小型平底船靠近了研究船，他們給研究船的船員送了一些剛捕到的魚作為晚餐——三條肥美的北極紅點鮭。北極海冰開始受到世界其他地區的關注，但正是這些社群——以及北極熊、海豹和鯨魚等野生動物以及埋藏在多年凍土中的微生物——已經感受到了冰層縮減和日益增長的海浪的影響。