一位年轻的科学家，卷曲的红发藏在针织帽下，小心翼翼地踏上西伯利亚东北部一个偏远湖泊三天前结成的冰面。薄膜像玻璃纸一样覆盖着黑色的深渊，看起来无法承受她的体重，但突然浸入冰冷的水中是她必须承担的风险。整个夏天，她都在乘坐摇摇晃晃的划艇在湖中搜寻，但任何一天冬天的第一场大雪都会吞没这片区域，遮蔽湖面直到春天。她等不了那么久。
这位女士穿着破旧的蓝色羽绒服瑟瑟发抖，抬头看了看阴沉的天空。又小心地走了一步后，她发现了她的目标：一簇簇盘子大小的气泡冻结在冰中。这些气泡是从湖底融化的永久冻土（以前是冻土）中升起的，是她博士研究的目标。它们长期以来难以捉摸，但突然间像夜空中的白色星星一样显眼，虽然没有那么宁静。她用一把小镐敲碎了一个气泡的冰皮，当它像爆裂的煤气管道一样发出嘶嘶声时，她面不改色。她向前倾身，小心翼翼地在破裂的气泡上方划了一根火柴，火焰像她的头一样高地冲向天空。这种易燃物质是甲烷，一种温室气体，它可能比二氧化碳 (CO2) 造成更大的全球变暖。
今天，在点燃第一个气泡近七年后，凯蒂·沃尔特发现自己成为了在冰冻的北方上演的一场环境戏剧的中心人物。现年 33 岁的沃尔特是阿拉斯加大学费尔班克斯分校的助理教授，也是她的母校，她是第一个解释北极湖泊神秘甲烷排放的人。她毫不掩饰地宣扬它们作为一颗定时炸弹的重要性。在北极完全融化的情况下，这些湖泊可能会排放高达 500 亿吨的甲烷：是已经帮助地球变暖的甲烷量的 10 倍。
关于支持科学新闻业
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道： 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
完全释放还是更温和的释放仍在人们的猜测之中。但同样重量的甲烷在大气中捕获太阳热量的能力是 CO2 的 25 倍。因此，即使是这些短暂的湖泊下和周围干燥陆地上覆盖的多年冻土的适度融化，也可能引发恶性循环：变暖释放甲烷并形成湖泊，这会融化多年冻土并释放更多气体，从而加剧变暖，进而形成更多湖泊，依此类推。一些北极湖泊正在扩大，研究人员正在怀疑地关注它们，认为这是 2007 年全球甲烷浓度飙升并从此居高不下的原因。其他迹象表明，北极海底多年冻土的融化可能正在松开储存在更深处的大量甲烷气穴的盖子。
沃尔特正在发出比以往任何时候都更响亮的警报，因为全球变暖正在对遥远的北方地区造成特殊的影响。该地区的升温速度是全球其他地区的两倍，北冰洋的海冰以及覆盖北半球 880 万平方英里的多年冻土正在迅速融化。主要的全球气候模型已经表明，到 2100 年，北极大部分多年冻土的融化将导致温室效应，而且这些估计尚未包括寒冷水域中冒出的甲烷可能带来的巨大额外变暖。沃尔特和其他人正在努力确定究竟有多少甲烷可能被释放到大气中，释放速度有多快，这种释放将如何积极地加速地球变暖，以及是否可以采取任何措施来缓和日益升级的威胁。
打嗝和饱嗝
科学家们非常确定地知道地球大气中在任何给定时间有多少甲烷，他们每周在世界各地数十个地点采样其浓度。通过将这些测量结果输入全球气候模型，他们知道甲烷是当前变暖趋势的三分之一的原因。究竟有多少气体来自哪里更难说，这就是为什么北极湖泊气泡长期以来被忽视的原因。
甲烷在任何有机物发酵的地方都会排放，无论是牛的腹部还是开始融化的冻土。多年冻土平均厚度为 80 英尺，里面充满了数千年来一直冷藏的动植物残骸。传统观点长期以来认为，多年冻土需要数千年才能融化，因此研究人员预计它在全球气候变化中起的作用微不足道。但最近的发现，尤其是沃尔特的湖泊发现，已经推翻了这一预测。
沃尔特的研究表明，相对温暖的湖床确实正在融化其正下方的冻土，深度达数十英尺。融化一块多年冻土就像从冰箱中取出一包冷冻汉堡包，然后将其放在厨房的柜台上。随着肉变暖，贪婪的微生物会吞噬它，释放出一种气体作为副产品。在干燥的陆地上，微生物主要将动植物残骸转化为 CO2。但在潮湿、缺氧的湖泊深处，它们反而会释放甲烷。沃尔特的最佳猜测是，研究人员一直低估了北极湿地的甲烷排放量，低估幅度高达 63%。
沃尔特在她博士论文中首次提出的甲烷警报引起了美国研究生院理事会的注意，该理事会在 2006 年授予她国家博士论文最高荣誉。她将自己的发现归功于在一个季节又一个季节地住在湖边。大多数科学家倾向于只在夏季到野外，那时气泡渗漏的气体在开阔的水域中很难被发现，或者在冬季，那时湖泊被六英尺厚的积雪覆盖。同样的伪装也阻止了沃尔特，直到 2002 年 10 月一个阴沉的下午，她决定在西伯利亚从夏季到冬季的短暂过渡期留在湖边。到 2003 年春天，她确切地知道自己需要做什么：将她的气体收集器直接放置在已知的渗漏点上方。此后，她的研究结果引起了人们对多年冻土融化可能如何急剧加速全球变暖的关注。
捕捉恶魔
在四年的博士研究期间，沃尔特在西伯利亚荒野中度过了 20 个月，经常独自一人或只有一个忠实的野外助手。她每天在潮湿的苔原上徒步跋涉长达八英里，并多次勇敢地进入冰冷的水域，既有故意的也有意外的。她非常清楚自己要进入什么；早在九年前作为一名高中交换生来到俄罗斯时，沃尔特就学会了俄语，并深深地被后苏联时代的艰苦生活条件所触动。她毫不犹豫地抓住了重返的机会。
在那四年中的大部分时间里，总部设在所谓的东北科学站，这是一个位于切尔斯基的小型前哨站，位于北冰洋以南约 90 英里处。该站的站长，传奇生态学家谢尔盖·季莫夫曾发表过他对湖泊排放对气候变化的作用的怀疑，他帮助确定了沃尔特的直接目标：找到一种量化甲烷释放的方法，并确定有多少比例可归因于多年冻土融化。沃尔特的第一个挑战是发明一种捕捉气体的方法。她知道自己最终需要数百个装置才能充分采样她研究中的两个大型湖泊，因此她的设计需要简单且廉价。沃尔特和她的西伯利亚野外助手在车站狭窄的阁楼里花了数周时间拼凑收集器，大部分材料来自他们在废弃的苏联军事基地和尘土飞扬的土路上发现的回收垃圾。对于每个收集器，他们将一个倒置的塑料瓶固定到一个伞状塑料裙的中心，该塑料裙由一个金属丝圈撑开，以向上引导气泡。他们总共制作了 75 个。
在她第一次考察期间，沃尔特忠实地按照标准科学协议，将收集器随机放置在湖泊未结冰的表面上。“我们为此付出了很多努力，我感到很沮丧，”沃尔特说。“我们可以看到气泡，但我们没有捕捉到多少气体。”直到她第一次走到新结冰的冰面上，看到分散的气泡堆积时，她才意识到甲烷是在离散的点上升的。她做出了一个行政决定，有点紧张，也没有征得她的论文导师的同意，在第二年春天湖泊融化时，将收集器直接设置在渗漏点上方。因此，在 2003 年，她开始将她的许多收集器固定在靠近湖底的地方，这项工作需要浮潜和潜水服。定位一个渗漏点并为单个收集器设置必要的三脚架重量和绳索需要在仍然受到冬季寒意影响的湖水中浸泡两个半小时。
同年春天，沃尔特在费尔班克斯的同事弗拉基米尔·罗曼诺夫斯基，他的计算机模拟是预测本世纪将发生剧烈融化的模拟之一，他对切尔斯基进行了不相关的访问，并观察到沃尔特在冰冷的湖泊中游泳：“她是一个坚强的女孩，”他简单地说。到夏天，沃尔特因肺炎住院。“但几个月后，在服用了一剂俄罗斯抗生素后，我又回到了湖泊，”她回忆道。冬天再次来临时，工作从浮潜变成了铲雪。沃尔特一次又一次地在冰面上的积雪中挖掘，清理渗漏点上方的路径，并沿途用旗帜标记它们。“西伯利亚人嘲笑我们花了那么多钱来到西伯利亚，只是为了铲掉冰冻湖泊上的积雪，”她说。但当全世界了解到她来之不易的发现时，没有人再笑了。
飙升的证据
沃尔特与少数西伯利亚湖泊的亲密关系最初使湖泊排放进入了公众视野，但真正引起轰动的是她对湖泊排放的全球重要性的分析，她在 2007 年在两家主要的科学期刊上报告了这一分析。通过她与英国南安普顿大学的古生态学家玛丽·爱德华兹的合作，排放量大幅增加的潜力变得清晰起来，爱德华兹研究了北极湖泊的生命历史。他们共同表明，北极湖泊中冒出的甲烷可能导致了最近一次冰河时代地球变暖的甲烷排放量飙升的 87%。当时，大约在 11,400 年前，全球甲烷浓度在不到 200 年的时间里上升了 50%。
许多科学家渴望确定这种剧烈的飙升是否会再次发生。全球变暖的稳步推进，蔓延数百年或数千年，可能会缓慢地引爆北极气体定时炸弹。但更快的融化可能会点燃甲烷的失控溢出。
国家大气研究中心（位于科罗拉多州博尔德市）的气候建模师大卫·劳伦斯说，大约十年来，海冰的持续流失显然正在加速北极的快速变暖。当 2007 年和去年夏季海冰退缩至历史最低点时，前景似乎每月都在恶化。国家海洋和大气管理局 4 月份发布的新估计预测，到 2037 年夏季几乎将没有冰，比早期模型预测的提前了三倍。更多开阔水域的前景使各国争先恐后地在北极海床争夺石油和天然气开采权[参见杰莎·甘布尔撰写的“北极圈争夺战”；大众科学地球 3.0，第 19 卷，第 1 期，2009 年]，但气候变化的强烈反弹可能会很严重。深色海水比白色冰吸收更多的太阳热量，从而使该地区的空气变暖，进而使土壤变暖，使多年冻土面临风险。劳伦斯最新的全球气候模拟预测，与海冰特别快速流失时期相关的变暖可能直接导致多年冻土更快融化。在这样的时期，将持续五到十年，北极海岸线的秋季气温可能会升高高达 9 华氏度，渗透到内陆的热量将使先前假设的平均变暖率增加两倍以上。
美国陆军寒区研究与工程实验室（位于阿拉斯加州温赖特堡）的马修·斯特姆说，内陆气温上升正在助长另一个剧烈的变化，“其影响可能与海冰流失一样深远”。灌木丛正在接管大片苔原。在夏季，灌木丛比它们取代的苔藓较多、草较多的植被吸收更多的阳光，从而进一步加热地面。在冬季，它们会形成积雪，帮助地面保持夏季的热量。斯特姆对 1940 年代为石油勘探拍摄的阿拉斯加北部 6,000 张航空照片与当今对同一地点的调查进行了广泛比较，结果显示灌木丛显着扩张，现在覆盖了 77,000 平方英里。
排放量翻倍
然而，一些北极科学家很快指出，某些环境变化可能会减缓而不是加速变暖。斯特姆还发现了灌木丛没有扩张且土壤较冷的地区。在其他地区，苔藓苔原向稀疏森林的转变（而不是灌木丛）通过在树木中储存更多碳来抵消温室气体的一些增加。尽管如此，共识是变暖将占主导地位。“问题是这是微弱的正相关还是强烈的正相关，”劳伦斯说。“可能需要很长时间才能得到正确的数字。”
然而，即使是现在，劳伦斯也愿意提供甲烷释放量的下限。他说，很容易想象到 21 世纪末，仅通过激活北极土壤最上面几英尺每年夏天都会融化的区域（所谓的活跃层）中的更多微生物，就可以使北极的甲烷排放量翻倍的条件。但由于融化而形成的更多湖泊将使这一估计值飙升。沃尔特的研究表明，在 1974 年至 2000 年间，切尔斯基附近的湖泊显着扩张，并且随着它们的扩张，它们侵蚀了海岸线沿线的多年冻土。她发现，甲烷在这些外边缘上升得最猛烈，这促使她在 2006 年估计，融化湖泊的扩张使该地区的甲烷排放量增加了 58%。
2008 年，作为教授回到西伯利亚，让她想知道是否应该更新这一估计。2002 年她点燃第一个甲烷气泡的湖泊的岸边已经大大向前推进。“我的研究地点的巨大变化真的让我感到惊讶，”她说。“我什至认不出湖泊的边缘了。一些池塘似乎扩大了一倍或两倍。”如果其他湖泊也经历了类似的增长，它们可能促成了两年前开始的全球甲烷飙升。
沃尔特仍然每年花费四个月或更长时间在湖泊中行走，执着地寻求答案。她的合作者和研究地点已大大扩展。迄今为止，她和她的同事已经访问了西伯利亚和阿拉斯加的 60 个湖泊，但这仍然只是冰山一角。由于没有希望亲自访问每一个北极融化湖泊，她的团队现在正在研究一种从太空探测甲烷渗漏的技术。一颗新的高分辨率德国卫星 TerraSAR-X 使人们有可能识别冰冻湖泊表面上不同的气泡斑块，并跟踪哪些斑块正在增长。
又一个减少排放的理由
一旦一定量的多年冻土开始融化并且开始气体泄漏，就无法对此做太多事情。当地村庄可以捕获冒出的甲烷气体并用它来替代柴油燃料（捕获垃圾填埋场释放的甲烷的技术已经存在）。但沃尔特承认，这只是一个“非常小的补救措施”。唯一的真正解决方案是减缓融化本身。
我们这些居住在较低纬度地区的人可以做出最大的改变。将多年冻土融化与海冰流失联系起来的模型预测，如果人类尽快稳定 CO2 排放，减缓正在产生甲烷的大气变暖，这两个过程都可以大大减缓。“这不是一列失控的火车，”劳伦斯说。至少现在还不是，沃尔特和其他人警告说。劳伦斯听起来很乐观，他说：“也许我们必须到 2050 年将排放量减少 80%，而不是 70%。”但如此大幅度的减排并非易事。自 2000 年以来，人类活动导致 CO2 浓度的上升速度远超预期。
即使人类找到了减缓变暖的决心，在错误的地方融化太多也可能会打开水下甲烷洞穴。在许多地方的多年冻土层下方潜伏着数百万年前形成的纯气体气穴。一些气穴是普通的天然气储量，但另一些是所谓的甲烷水合物，即在其晶体结构中含有大量气体的大量冰沉积物。
一些科学家怀疑，多年冻土充当了保护水合物免受融化的盖子，尤其是在浅北极海底，那里的水合物仅在几十英尺深的地方被发现。海水或湖水融化下方多年冻土的程度越大，这个盖子突然爆裂的可能性就越大，从而将甲烷喷射到水中并进入大气层。一个包括沃尔特在费尔班克斯的两名同事在内的团队在 2008 年发现了从西伯利亚浅大陆架升起的羽流。可能，这些释放已经发生很长时间了，而我们现在才注意到它们。但发现者指出，仅西伯利亚陆架就蕴藏着估计 1.4 万亿吨以气体水合物形式存在的甲烷，相当于对多年冻土完全融化期间将释放的温室气体总量的最新估计。
许多研究人员指出，陆地上的多年冻土下方也存在甲烷水合物。人们普遍认为这些沉积物太深，不会有融化的风险。但这个假设，就像之前的其他假设一样，已经受到了质疑。如果沃尔特证实了今年早些时候的野外考察的迹象，即北极湖泊正在挖掘比多年冻土更古老、更大的甲烷来源，那么她的警报就必须大大提高。而她点燃的那些气泡将呈现出更加不祥的光芒。
更多野兽，更少负担：大型动物可能有助于保持多年冻土冻结。
奇怪的是，减缓多年冻土融化的一种方法是将大量植食性大型动物重新引入北极景观，以模仿数百万年前猛犸象在西伯利亚草原漫游的时代。虽然这个想法听起来像科幻小说，但它基于合理的生态学。“雪就像一件羽绒服，可以保持地面温暖，”阿拉斯加大学费尔班克斯分校的研究员凯蒂·沃尔特指出。“随着动物的活动压缩积雪或通过觅食将其清除，寒冷的冬季气温可以更深入地渗透到地下，并保持多年冻土冻结。”事实上，西伯利亚切尔斯基东北科学站的站长、生态学家谢尔盖·季莫夫已经聘请当地村民用自己的双手来塑造这一解决方案。他们用栅栏围起了一个 625 平方英里的牧场，季莫夫称之为更新世公园，并在其中放养了驼鹿、驯鹿和雅库特马。季莫夫还模仿猛犸象，驾驶军用坦克碾压地面。他认为，如果动物能够茁壮成长以耕种草原，那么气候仍然是草原的最佳选择，草原也将为下面的多年冻土提供隔热。他指出，狩猎而非气候才是猛犸象灭绝的罪魁祸首。
注意：本文最初印刷时的标题为“冰下危机”。