2014年夏季，楚科奇海显得异常。这片北极水域在历史上大部分时间都冰封，却反常地没有冰。冰少到什么程度呢？35000头海象因为找不到冰块来觅食，而被迫在阿拉斯加西北部的海岸线上搁浅。九月的一个早晨，海洋学家吉姆·汤姆森在“诺斯曼二号”科考船上进行研究考察，当时他们身处离陆地数百英里的海域。他注意到另一件奇怪的事情：一些船员晕船了。
对于一次远海航行来说，恶心呕吐听起来可能很正常，但在这里却不是这样，这里是楚科奇海和波弗特海的交汇处。这个偏远地区通常没有足够的空间形成巨浪。但现在这里出现了开阔水域，海浪也变得巨大——15英尺高的涌浪将船只抛来抛去，海浪还冲过甲板，轰然炸裂。海面非常汹涌，船长无法安全地逆浪航行，只能顺着海浪的方向行驶。当经验丰富的航海家汤姆森看着他的研究伙伴们在船上摇摇晃晃，看起来好像随时都要吐午饭时，他却在享受这暴风雨天气。他来这里就是为了寻找海浪，而它们就在眼前。
汤姆森回忆说：“这些海浪比以往在北极测量到、谈论到或想象到的都要大。”几个月前，他部署了一小队水下无人机来监测海况；那天他正试图回收其中一架无人机。“事实上，我们全年记录到的最大浪高是在我们回收机器人大约六个小时前，”他补充道。
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这些海浪可能是一个重要且令人不安的谜题的答案：为什么北极冰融化得如此之快？气候模型基于全球变暖的测量数据，预测冰层缩小的速度会更慢。要么是模型错了，要么是发生了其他事情。汤姆森和其他科学家现在认为，这与海浪有关。气候引发的融化为海浪提供了额外的生长空间，这使得涌浪占据主导地位，不断冲击冰盖，并将其分裂成虚无。当汤姆森在2012年放出类似的机器人浮标时，其中一个浮标被一个高耸的海浪抛起，高度达到了25英尺。
这个地区新出现的巨大海浪可能会产生深远而改变世界的效应。北极水域环绕北极，从加拿大和阿拉斯加北部的波弗特海和楚科奇海，到俄罗斯北部的东西伯利亚海、喀拉海和巴伦支海，再到大西洋上方的挪威海和格陵兰海。在这个广阔的区域，冰盖可能不仅会影响海象的栖息地，还会影响洋流的路线，甚至大气急流，从而影响数千英里以外的气候。随着冰层不再保护该地区的陆地边缘，脆弱的多年冻土——它构成了海岸线的大部分——也可能面临危险。
这些后果正是汤姆森和其他100名研究人员，以及有史以来在寒冷水域部署的最先进的遥感网络，于2014年重返北极的原因。他们的任务是一项耗资数百万美元的实验，旨在揭示巨浪的出现可能对这个世界上最神秘的海洋的未来意味着什么。
北极的暴露
多年来，研究人员已经知道他们遗漏了关于北极的一些关键信息。无论科学家们如何计算数据，冰盖每年的部分破裂都比任何模型预测的都要更快、更远，即使考虑到全球变暖的极端情况也是如此。2007年，位于科罗拉多州博尔德市的国家冰雪数据中心的 climatologist 朱丽叶·C·斯特罗夫在一篇论文中注意到了这一点，她写道，政府间气候变化专门委员会使用的北极模拟中，没有一个或极少预测到现实世界中看到的冰层退缩。斯特罗夫说，即使在调整模型后，冰层缩减的速度仍然超过预测：“最近的下降仍然超出所有模型的平均值。它们并没有真正捕捉到已经发生的事情。”
准确的北极气候模型至关重要。太平洋西北国家实验室的科学家认为，北极海冰减少意味着通常被困在冰层下的热能可以逸散到大气中。这种上升的热量会扰乱急流，即快速移动的高空气流，它使得从美国西部飞往东部比反方向更快。一些科学家认为，急流就像一道屏障，阻止寒冷的北极空气南下，而急流的变化可能会导致极端的“极地涡旋”天气事件，例如过去两个冬天袭击美国东海岸城市的天气事件。
伍兹霍尔海洋研究所的科学家们测量到，随着冰层变薄和退缩，波弗特海的淡水体积正在增加。现在的淡水比40年前增加了25%。如果这层淡水溢出到北大西洋，可能会显著改变洋流。在20世纪70年代，这层淡水也发生了类似的事情，原因至今不明，导致北极冰向南溢出，并扰乱了有助于平衡该地区温度的洋流。一些科学家认为，类似的扰动在过去曾驱动了极其快速的气候变化，例如大约12000年前发生的一次事件，该事件导致格陵兰冰盖在短短几十年内升温约8摄氏度。
冰层消失也在加速北极地区当前的海岸侵蚀。多年冻土海岸，即永久冻结的底土与开阔水域相遇的地方，约占地球所有海岸线的三分之一。“唯一能将这些海岸维系在一起的是冰，当它们不受海冰保护时，可能会非常迅速地被侵蚀，”德国阿尔弗雷德·韦格纳研究所（极地研究中心）的地貌学家 Hugues Lantuit 说。波弗特海沿岸的一些海岸线每年已经后退多达 100 英尺。
这种侵蚀会摧毁人类住区，破坏生态系统，导致陆地沉降，并加剧海洋酸化和全球变暖。随着多年冻土融化，它会释放出冻结在其中的植物、动物和微生物中的碳。这种有机物质最终会腐烂，并成为二氧化碳和甲烷的来源，这两种温室气体也会酸化海洋，使其不再适宜海洋生物生存。
大型企业也希望更好地了解冰层正在发生的变化。石油和天然气公司看到了在以前冰封的水域中钻探的新机会。如果能够准确预测季节性融化的量，航运公司就可以利用传说中的西北航道，将从太平洋到大西洋的航程缩短一周。冰层的消失也引起了美国海军的注意，尤其是在国家北部边境出现一片全新海洋所带来的安全影响方面。
总而言之，有很多紧迫的原因需要弄清楚冰层消失的原因。
汤姆森怀疑，巨浪及其破坏冰层的力量可以解释为什么预测与现实不符。“到目前为止，海浪还没有被纳入到一个系统模型中，该模型将海洋、大气、天气和海冰结合在一起，然后将它们耦合在一起以做出更好的预测，”汤姆森说。“机械过程根本缺失了。”海岸专家兰图伊特说，虽然人们对海浪的影响了解不多，但它们可以解释他不断变化的地图。“目前还没有一个关于海浪对多年冻土海岸影响的良好模型，”他指出。“但根据经验，如果海浪更大，就可以预期会发生更多的侵蚀。”
追逐巨浪
虽然各种模型中都没有海浪，但科学家们早就知道海浪冲击甚至可以对最坚硬的冰层造成破坏。伊丽莎白·洪克为洛斯阿拉莫斯国家实验室模拟海洋和海冰。在1998年去地球另一端南极洲的旅行中，她在威德尔海的菲尔希纳-龙内冰架附近发现了一片罕见的开阔水域。“我看到海浪冲击着固定在岸边多年的海冰，可能是几十年甚至几百年，”洪克说。“虽然冰层非常厚而且很难打破，但这正是海浪正在做的事情。”
但由于没有人预想到北极会出现巨浪，科学家们并没有想到要寻找它们，也没有将它们纳入计算。汤姆森在2012年用单个浮标进行的惊人测量改变了这一切。
它不仅引起了海洋学家的注意，也引起了美国海军研究办公室的注意，该办公室已经决定花费1200万美元来查明北极冰层的去向，并启动了一个名为边缘冰区 (MIZ) 计划的项目。去年夏天，追逐海浪成为研究的正式组成部分。
该项目汇集了100多名国际科学家，开展了有史以来最雄心勃勃的实验，以观察北极冰盖的季节性破裂。在过去，这项活动会启动破冰船在海面上的搅动，潜艇在深海中的巡弋以及卫星在空中的翱翔。然而，在2014年，这意味着小型船只、短期考察和大量的机器人无人机。自主机器人现在可以去人类只能梦想的地方，每天24小时收集数据，无需休息或缓解。
2014年春天，就在一年多前，科学家们飞到波弗特海厚厚的冰冻冰层上，并沿着一条从北纬约73度向北极方向延伸240英里的线安装了数十台仪器。这些设备测量了冰的厚度、其下方水域的温度和成分以及上方的天气。这些仪器由浮力装置支撑，因此随着冰层在夏季逐渐破裂，将它们逐个浸入寒冷的海洋中，它们继续收集水和天气数据。
7月下旬，汤姆森和其他五位科学家开始从一艘小型改装渔船“乌克皮克号”研究船上，在波弗特海部署更先进的自动化团队成员。在每年的这个时候，太阳永不落山，在波涛汹涌的海面和闪烁的浮冰上投下无尽的昏暗光线。这些科学家可能是当时世界上最北端的航海家，距离最近的居民点超过100英里。尽管偶尔会看到弓头鲸远处的喷水柱，但波弗特海的这个区域仍然是一个荒凉的地方。
研究人员在人类陪伴方面有所欠缺，但在机器人陪伴方面却弥补了不足。他们正在为工作准备几种不同类型的无人机。一些是汤姆森的标准海浪传感浮标，类似于他在2012年附近停泊的浮标。其他的则要复杂得多：海滑翔机，一种六英尺长的鱼雷形水下无人机，它们通过一对可调节的翅膀在水中推进和转向。每架海滑翔机都有一个外部充气囊，可以充气使其比水轻，也可以放气使机器人下沉。海滑翔机每天可以覆盖多达12英里的距离，在水中上下移动，形成优美的弧线。
强大的电池使每个机器人能够运行10个月，并通过在水中滑行时向左或向右倾斜来帮助控制无人机的方向。当海滑翔机到达其俯冲飞行的顶部时，它会像好奇的海豹一样，将鼻子短暂地伸出水面。然后它可以获得GPS位置信息，将数据发射到等待的卫星，并接收新的指令。部署了四架海滑翔机，它们花了两个月时间在开阔水域和冰盖之间来回穿梭，测量水中的湍流、温度、盐度和有机物质。
当海滑翔机长时间在冰下时，它们会与卫星监视器断开连接。为了保持它们的连接，科学家们采用了第三种类型的无人机，即被称为波浪滑翔机的地面旅行者。看起来像鲁布·戈德堡机械的波浪滑翔机由太阳能电池板和海浪的运动提供动力，一直运行到冰的边缘，并向潜水器发送声学信号。伍兹霍尔的工程师李·弗雷塔格开发了一个系统，向海滑翔机广播低频声音信号，依靠水下反射层将声音反射到远距离。（这些反射层与鲸鱼歌曲传播整个海洋所利用的层是同一种，都是由水密度变化形成的。科学家们选择了与常驻鲸类动物使用的层和频率不同的层和频率，以避免干扰动物。）这些信号将经纬度信息以及研究人员的指令传递给海滑翔机。
与乘坐破冰船穿越高纬度地区相比，这种大规模的机器人方法有几个优势。首先，机器人使科学家能够覆盖更广阔的区域。破冰船仅限于单一路线，通常在一个方向巡航，而活动却发生在数百英里之外。波浪滑翔机和海滑翔机在操作人员的指示下，可以转向跟踪冰层屈服于大海的每一个曲折。
还有另一个优点：机器人只需要一艘小型母船“乌克皮克号”。“‘乌克皮克号’足够小，我们可以在其中机动，”汤姆森说。“传统破冰船最大的问题之一是它太大了。它就像瓷器店里的公牛，破坏了我试图测量的海浪。”
有一天在“乌克皮克号”上，在帮助船员将一对波浪滑翔机放入水中后，汤姆森倚靠在船舷上，谈论海浪是如何演变的。“要形成海浪，你需要风，”他说。“有了风，你需要两样东西：时间和距离。如果你有更多的空间，你就会形成更大的海浪，暴风雨持续的时间越长，海浪也会越大。真正的大浪来自于两者兼备。”
在春季，即使在最温暖的年份，北极的大部分地区仍然被冰封锁。到夏季末，它的自由水域表面积是地中海的两倍多。你拥有的开阔水域或“风浪区”越多，海浪就会越大。风将水向前推，更长的风浪区会给更多的水时间堆积得更高。
当水域没有冰层时，它也会从太阳吸收更多的热量——冰层会反射热量——而变暖的水会加热空气，从而产生更多的风。如果条件合适，这种组合可以在几天之内瓦解国家大小的冰层区域。当然，这会产生更多的开阔水域，形成一个反馈循环，使巨浪更容易形成。
目前尚不清楚的是，在这个循环中，每个要素对冰层破裂的贡献有多大，以及海浪是否可以减缓秋季临近时冰层的重新形成。为此，科学家们需要更多地了解海浪和海冰相互作用的方式。
瓦解冰群
在七月放下无人机后，“乌克皮克号”遇到了一片广阔的海冰群，从小型冰块到高耸的冰丘，让人想起1912年击沉“泰坦尼克号”的那座冰山。对于汤姆森来说，这是一个完美的追逐海浪的场所。他跳起来准备一个浮标。船停在冰群外，让他将一个浮标扔到海里，然后小心翼翼地驶入冰群，部署另一个浮标。
当船驶入冰群时，开阔海域和冰群之间的区别显而易见。在开阔水域，海面波涛汹涌。当“乌克皮克号”到达水中第一块小冰块时，波涛就变成了低沉平缓的涌浪。当船再往前行驶几百码，撞击并绕过一些较大的冰块时，它们之间的玻璃般的水面上只剩下最轻微的颤动。“冰层过滤了海浪，只有最长的海浪才能到达最远处，”汤姆森兴奋地说，用手在空中划出一个完美的管状断路器。他想了解的事情之一是，这种过滤有多少来自一种叫做散射的效应，又有多少来自另一种叫做阻尼的过程。
散射意味着冰层只是在转移海浪能量，而没有吸收它，就像棱镜散射光线一样。阻尼意味着海浪正在将能量传递给冰层，移动它并将其破碎。阻尼效应会对冰群造成最大的破坏。对于海上房屋大小的海浪所引起的所有轰动效应，在这里进行的厘米级测量可能在未来几年内对改进北极系统模型做出最大的贡献。
但美国海军研究实验室的海洋学家 W. 埃里克·罗杰斯表示，汤姆森已经发现的东西使得“更多海浪导致更少冰层，进而导致更多海浪”的循环成为可能。“这种反馈循环似乎是理解地球未来变暖气候中海冰范围的重要机制，”他说。
当“乌克皮克号”驶离漂流的冰层并返回港口时，一艘由因纽特渔民和他的孙子驾驶的小型平底船靠近了研究船，他们给研究船的船员送了一些刚捕到的鱼作为晚餐——三条肥美的北极红点鲑。北极海冰开始受到世界其他地区的关注，但正是这些社区——以及北极熊、海豹和鲸鱼等野生动物以及埋藏在多年冻土中的微生物——已经感受到了冰层缩减和日益增长的海浪的影响。