在西伯利亚东北部偏远地区切尔斯基的砾石跑道上着陆时，一只橡胶靴的钢制鞋头撞到了我的臀部。这只鞋子从我和我的三位同事之间塞满的装备中弹了出来，我们挤在一架小型螺旋桨飞机里。这是我的研究团队从阿拉斯加大学费尔班克斯分校出发，穿越俄罗斯到达百万湖泊之地的东北科学考察站的五天旅程的最后一程。作为我们持续努力的一部分，我们再次来到这里，监测一个可能大大加速全球变暖的蠢蠢欲动的巨人。
这些考察帮助我们了解西伯利亚和整个北极地区有多少永久冻结的地面（称为多年冻土）正在融化或接近融化，以及这个过程可能产生多少甲烷。这个问题困扰着我们——以及许多科学家和政策制定者——因为甲烷是一种强效温室气体，其分子对分子的吸热能力是二氧化碳的25倍。如果由于全球变暖，多年冻土迅速融化，地球升温的速度可能会比大多数模型现在预测的更快。我们的数据，加上其他人进行的补充分析，揭示了令人不安的趋势。
敞开的冰柜门
多年冻土的变化如此令人担忧，是因为覆盖地球陆地表面20%的冻土，在其顶部数十米处储存着大约9500亿吨碳。（更多多年冻土可以向下延伸数百米。）这些碳以动植物遗骸的形式存在，已经积累了数万年。只要它保持冻结在众多湖泊之下和之间，它就能安全地与空气隔离。
但是，当多年冻土融化时，先前锁定的碳就会被微生物利用，微生物会迅速分解碳，产生气体。如果冰柜门敞开，也会发生同样的过程；时间足够长，食物就会解冻并开始腐烂。氧气刺激细菌和真菌进行有氧分解有机物，产生二氧化碳。但是，在积水的土壤中，例如在湖底沉积物中，氧气会耗尽；在这些条件下，会发生厌氧分解，释放出甲烷（以及一些二氧化碳）。在湖泊下方，甲烷气体分子形成气泡，气泡向上逸出水柱，在水面破裂并进入大气层。
厌氧分解是北极地区甲烷的主要来源。多年冻土中冰的融化导致地表下沉。径流水很容易填满洼地，形成许多新形成的小湖泊，随着现在覆盖其底部的多年冻土更广泛地融化，这些湖泊开始喷出大量的甲烷。留下的疤痕表明，自从地球进入最近的间冰期以来，这个过程已经持续了过去1万年。然而，近几十年来的卫星记录表明，多年冻土融化可能正在加速。
这些记录与我的费尔班克斯同事弗拉基米尔·E·罗曼诺夫斯基和其他人在阿拉斯加和西伯利亚维护的众多实地监测站的观测结果一致。罗曼诺夫斯基指出，自1970年代初期以来，这些站点的多年冻土温度一直在上升。根据这些测量结果，他计算出阿拉斯加三分之一到二分之一的多年冻土现在的温度距离融化只有一到一度半摄氏度；在世界某些地方，它已经超过了临界零摄氏度阈值。
我的研究团队在前往切尔斯基和许多其他地点的考察以及我们的同事进行的持续观测，加强了融化正在加速的感觉，并表明排放量可能远高于预期。我的小组最新的估计是，在目前的升温速度下，到2100年，多年冻土融化可能使甲烷排放量远远超过所有其他自然和人为来源的甲烷排放量。费尔班克斯的弗拉基米尔·阿列克谢耶夫还表示，增加的温室气体，以及暴露的融化地面将释放出的额外二氧化碳，加在一起可能会使地球的年平均气温额外升高0.32摄氏度。
这种增加听起来可能很小，但事实并非如此；它将极大地加剧全球变暖引起的异常天气模式、海平面、农业和疾病传播。如果更深层的甲烷来源（例如储存在被称为甲烷水合物的物质中的甲烷）逸出，气温升高可能高达几度。因此，人类比以往任何时候都更有理由积极减缓目前的升温速度，以免我们将北极的大片区域推过阈值。
西伯利亚的富矿
探测切尔斯基等地区是验证或修正我们估计的关键。沿着西伯利亚河岸与东北科学考察站的同事谢尔盖·A·齐莫夫一起行走时，我小心翼翼地停下脚步。地球的表皮只有半米厚，主要由泥泞、长满苔藓的泥炭组成，这些泥炭松散地覆盖在40到80米深的冰层之上。在这片“醉林”中，矮小的树木以各种角度倾斜，因为它们无法将根系伸入冻土中，而夏季融化的循环会产生巨大的隆起。在我身后，一棵醉树倒在了地上；透过森林地面撕裂的毯子，我们看到了坚固冰层的闪亮黑色表面，并闻到了腐烂有机物的霉味。而且，很难不被散落的骨骼绊倒：披毛犀、猛犸象、更新世狮子、熊和马。
对于齐莫夫来说，这个地区是一个金矿——而且不是因为已灭绝动物的象牙和头骨。1989年，出于对锁在地下碳量的兴趣，他带领一群年轻科学家建立了与世隔绝的东北科学考察站，以常年监测苔原和泰加林的多年冻土。研究人员乘坐小型平底船在俄罗斯的大河中航行，并在没有绳索的情况下攀登多年冻土悬崖，以测量碳含量，这是甲烷释放的先兆。他们使用坦克和推土机模拟了严重野火那样去除地表土壤的扰动。他们的实验证明了多年冻土碳库对世界的重要性。
但是，为什么齐莫夫——以及后来的我的小组——将研究重点放在这里，一个以前只因苏联古拉格而闻名的地区？因为并非所有的多年冻土都相同。任何年平均气温连续两年低于零摄氏度的地面都被归类为多年冻土，无论是否存在冰。西伯利亚的这片广阔区域包含一种独特的多年冻土，称为叶多玛，富含冰和碳——这两者都是甲烷故事的核心。高达10至80米的巨大冰楔和较小的透镜构成了高达90%的地面体积；其余部分是富含有机质的土壤柱，这是更新世哺乳动物和它们曾经吃过的草的遗骸的宝库。
叶多玛在大约180万平方公里的西伯利亚和北美洲的少数地区形成于最后一个冰河时代末期。有机物在微生物能够分解它之前就被冻结在原地。一个巨大的食物储藏室被锁起来，直到条件发生变化，敞开了冰柜门。
最近气候变暖帮助融化了叶多玛冰，形成了湖泊。随着地面融化和下沉，植被塌陷到边缘，这个过程被称为热喀斯特。如今，湖泊覆盖了西伯利亚高达30%的地区。进一步的融化使它们变得更大更深，合并成广阔的产甲烷水体。
被气泡震惊
在1990年代，东北科学考察站的研究人员观察到甲烷全年都在湖底冒泡，但他们不知道这些湖泊在全球范围内可能有多重要。因此，我在去年八月粗暴地乘飞机降落在切尔斯基，这是我第九次探险，涉水进入迅速扩张的热喀斯特湖泊，以测量多年冻土的变化和甲烷的释放。
我的探索始于2000年的博士研究项目。当时，科学家们知道甲烷（大气中继二氧化碳和水蒸气之后第三大温室气体）的水平正在上升。排放量和增加速度在前65万年中是前所未有的。有证据表明，在过去的时代，大气中的甲烷浓度与数千年来自然气候变化相关，波动了50%。但与自1700年代中期以来发生的近160%的增长相比，这种变化微不足道。自工业革命前700ppb（十亿分之几）上升到我开始这个项目时近1800ppb。
科学家们也知道，农业、工业、垃圾填埋场和其他人类活动显然与最近的上升有关，但每年进入大气层的甲烷中，大约一半来自自然来源。然而，没有人确定这些来源的大部分是什么。
从2001年到2004年，我将我的时间分配在费尔班克斯的小屋和与齐莫夫及其他人在切尔斯基工作之间，与当地少数俄罗斯家庭住在一起。在我们黄色小木屋研究站的阁楼图书馆里，我花了漫长的夜晚拼凑塑料浮标，我可以将它们放置在湖泊上以捕获甲烷气泡。我通过倾斜在我声称废弃的船只的侧面放下陷阱，并每天检查它们，以记录收集在其大型水母状裙子下的气体量。一开始我没有捕获到太多甲烷。
冬天来得很早，在十月的一个早晨，当黑冰勉强足够厚以支撑我的体重时，我走到了闪亮的表面上，惊呼道：“啊哈！” 就好像我在看夜空一样。明亮的白色气泡簇被困在薄薄的黑冰中，散布在表面，实际上向我展示了下面湖床中冒泡点源或渗漏点的地图。我用一根铁矛刺入一个大的白色口袋，一股风向上冲去。我划着一根火柴，点燃了一团火焰，火焰向上喷射了五米高，把我击退，烧伤了我的脸，烧焦了我的眉毛。甲烷！
整个冬天，我都冒险穿过结冰的湖泊，在这些渗漏点上方设置更多的陷阱。不止一次，我不自觉地踩到一个冒泡的热点，并坠入冰冷的水中。湖床中的甲烷热点会释放出如此多的气体，以至于冒泡引起的对流可以阻止除了薄薄的冰皮之外的所有东西在上方形成，即使在西伯利亚寒冷的冬天，当气温达到零下50摄氏度时，也会留下人孔盖大小的脆弱开口。我每天从单个渗漏点捕获多达25升（八加仑）的甲烷，远高于科学家通常发现的量。我保留了热点地图以及它们在众多湖泊中的排放量统计。最强烈的冒泡发生在多年冻土最活跃融化的湖泊边缘附近。气体的放射性碳年代测定，在某些地方高达43000年，表明叶多玛碳是罪魁祸首。
从2002年到2009年，我对西伯利亚和阿拉斯加不同类型和大小的60个湖泊进行了甲烷渗漏调查。科学家们没有预料到的是，研究区域甲烷排放量的增加与同一区域湖泊面积的增加不成比例。它几乎大了45%。它正在加速。
推断到整个北极地区的湖泊，我的初步估计表明，每年有1400万至3500万公吨的甲烷被释放出来。来自极地冰芯记录和古代干涸湖盆放射性碳年代测定的证据表明，在10000至11000年前，热喀斯特湖泊对突然的气候变暖做出了重大贡献——高达北半球甲烷的87%，这有助于结束冰河时代。这种喷发告诉我们，在合适的条件下，多年冻土融化和甲烷释放可以加速，形成正反馈循环：更新世时期的碳以甲烷的形式释放出来，加剧了大气变暖，从而引发更多的融化和更多的甲烷释放。现在，人为造成的变暖再次威胁要引发大的反馈。
这些反馈可能会发生多快？在2007年，政府间气候变化专门委员会（IPCC）报告的全球气候模型预测，未来最强烈的变暖将发生在北极高纬度地区，一些模型预测到21世纪末将上升7至8摄氏度。根据大量的分析，我的同事和我预测，在未来几十年到几个世纪内，随着叶多玛融化，至少有500亿吨甲烷将从西伯利亚的热喀斯特湖泊中逸出。这个数量是目前大气中所有甲烷的10倍。
微调模型
即使我们尽了最大的努力，我们目前的估计也需要更精细的模型，以及对潜在的负反馈的考虑，这些负反馈可以作为系统的制动器。例如，在阿拉斯加，热喀斯特湖泊的排水量创下纪录。高地地区形成的湖泊不断扩大，直到它们撞到斜坡。然后水顺坡流下，引起侵蚀和进一步排水，将融化的沉积物送入河流，最终进入海洋。排水盆地被新的植被填满，通常变成湿地。虽然它们在夏季解冻时会产生甲烷，但它们的年排放总量通常低于湖泊。
很难说这些潜在的过程是否会大幅减少甲烷释放，还是只减少几个百分点。我和我的费尔班克斯同事圭多·格罗斯、新斯科舍省达尔豪西大学的劳伦斯·普拉格、英格兰南安普顿大学的玛丽·爱德华兹以及其他人从2008年开始的两个项目，旨在改进正负反馈的一级近似值。关键的一步是绘制西伯利亚和阿拉斯加地区热喀斯特湖泊和碳循环的地图和分类，我们希望在2010年初完成草案。这项跨学科研究将生态和排放测量、地球物理学、遥感、解冻多年冻土土壤和湖泊沉积物的实验室培养以及其他学科联系起来。目标是为从末次盛冰期（21000年前）至今的热喀斯特湖泊的甲烷和二氧化碳排放量建立定量模型，并预测未来几十年到几个世纪湖泊甲烷的气候变暖反馈。
为了帮助预测未来的变暖将如何影响热喀斯特湖泊，普拉格和一位与我们合作的博士后学生马克·凯斯勒正在开发两个计算机模型。第一个是单湖模型，将模拟湖盆的动态。第二个是景观模型，包括山坡过程、地表水运动和景观尺度的多年冻土变化。这些模型将首先通过与我们已经研究的景观进行比较来验证，然后与来自西伯利亚和阿拉斯加15000年前的沉积物岩芯的数据进行比较，然后再与来自21000年前的其他气候模拟进行比较。最后一步是将热喀斯特湖泊模型与描述海洋和大气环流的庞大的哈德利中心耦合模型耦合起来——这是IPCC评估报告中使用的主要模型之一。我们希望，最终的结果将是一个主程序，可以完全模拟多年冻土融化的程度和影响，使我们能够计算未来的甲烷释放速率，并评估这将如何驱动全球气温。
当然，更多的实地考察将继续完善输入这些模型的数据。2010年，在气垫船的帮助下，我们将调查沿西伯利亚河流和北极海岸近1000英里的湖泊。一个大型考察队还将从追溯到数千年前的湖泊中取回沉积物岩芯。实地数据与遥感相结合，最终将用于哈德利中心计划，以模拟从末次盛冰期到未来200年的气候变化驱动因素。预测的多年冻土融化和甲烷释放地图应在2011年4月之前完成。
解决方案
如果像所有指标表明的那样，北极多年冻土的甲烷排放正在加速，那么一个关键问题是：可以采取任何措施来阻止甲烷释放吗？一种应对方法是在甲烷逸出之前将其作为相对清洁的燃料提取出来。但是，从散布在广阔地区的数百万个湖泊中收集甲烷在经济上是不可行的，因为渗漏点太分散了。然而，靠近强烈渗漏点的小型社区可能会利用甲烷作为能源。
齐莫夫和他的儿子尼基塔设计了一个有趣的计划，以帮助保持西伯利亚的多年冻土冻结。他们正在创建一个由大型北方食草动物维持的草原生态系统，类似于1万多年前西伯利亚存在的草原生态系统。他们已经将马、驼鹿、熊和狼引入了“更新世公园”，这是一个位于西伯利亚东北部占地160平方公里的科学保护区。他们打算根据资金情况，从独立来源、俄罗斯政府和美国机构获得资金，再引进麝牛和野牛。
这些食草动物，连同猛犸象，在多年前维持了一个草原生态系统。明亮的草原生物群落比目前取代它的黑暗北方森林更能有效地反射入射太阳辐射，有助于保持下面的多年冻土冻结。此外，在冬天，食草动物践踏和挖掘积雪以觅食，这使得严寒更容易冷却多年冻土。
一个人和他的家人承担了巨大的努力，通过建造更新世公园来拯救世界免受气候变化的影响。然而，需要全球范围的应对措施，每个人、组织和国家都要承担起减少碳足迹的责任。减缓二氧化碳排放是人类避免放大更大变暖导致更多多年冻土融化，从而导致进一步变暖的反馈循环的唯一途径。我们预测，如果碳排放量以目前预测的速度增加，到2100年，北方湖泊每年将释放1亿至2亿吨甲烷，远远超过今天每年排放的1400万至3500万吨。全球所有来源的总排放量约为每年5.5亿吨，因此，如果不加以控制，多年冻土融化将再增加20%至40%，从而导致地球年平均气温额外升高0.32摄氏度（如前所述）。世界无法承受气候变化变得更糟。为了减少大气中的二氧化碳，从而减缓多年冻土融化，我们都必须正视房间里的大象：人们燃烧化石燃料。
注：本文最初的标题为“甲烷：一个浮出水面的威胁。”