互动科普

科学家追逐着击碎北极冰川的巨浪，这些巨浪对气候和生态将产生深远影响。

在外海航行中出现恶心呕吐似乎很平常。但在这里，在楚科奇海和波弗特海（Beaufort Sea）交界的地方，就很奇怪了。这片边远海域通常根本没有空间来形成波浪。但那里现在变成了一片开阔的水域，而且出现了巨大的海浪，15英尺（1英尺约为0.3米）的卷浪让科考船颠簸不定，有时海浪还会冲到甲板上。海面如此起伏不定，让船长无法安全地让船顺着海浪航行而不得不加紧行驶在波浪之前。同伴们颠来倒去，好像要把午餐都吐出来，而汤姆森这个老道的水手却深深沉迷于这恶劣的风暴天气。他是来追浪的，现在海浪就在这里。

汤姆森回忆道：“之前我们测量、讨论了北极海域的海浪，并对它们进行了估计，但它们都没有这些海浪大。”在几个月前，他在水中放置了很多自动设备来监测这块水域。那天，他正试图把其中的一个捞上来。他补充道：“事实上，全年最大浪高是在我们回收机器人六小时之前观测到的。”

这些海浪也许解答了一个重要的、令人不安的谜题：为什么北极的冰消失得这么快？根据对全球变暖的测量得出的气候模型，对北极冰盖缩小速度做出的估计要慢于实际速度。要么是模型出现了错误，要么还存在额外的因素。汤姆森和其他科学家现在相信，这些额外因素与海浪相关。气候变化引发的冰川融化给波浪的成长创造了更多空间，形成了卷浪。海浪冲击着大片的浮冰，让它们消失于无形。在2012年，汤姆森放置了一些类似的机器人浮标，其中的一个被一个高耸的浪头顶到了25英尺高。

在这片水域新出现的巨大海浪能够引起广泛的影响，改变世界。北冰洋的海水环绕北极流动，从位于加拿大和阿拉斯加以北的楚科奇海和波弗特海，流到俄罗斯北面的东西伯利亚海、喀拉海（Kara Sea）和巴伦支海（Barents Sea），再到位于大西洋北部的挪威海和格陵兰海。在这片巨大的区域，冰盖不仅仅会影响海象的栖息地，还可能影响到了洋流的路线，甚至大气急流（jet stream），影响到几千英里外的气候。如果这片区域的陆地边缘失去了冰川的保护，组成大部分海岸线的脆弱的冻土也可能处于险境。

这些就是让汤姆森和其他的100位科学家在2014年回到北极的原因，他们还带着最复杂的冷水海域远程传感网络系统。他们的任务就是用一个耗资几百万美元的实验来揭示这些巨浪对于世界上最神秘的海洋意味着什么。

北国风云

很多年来，研究人员已经意识到他们对北极的认识还存在某个关键的漏洞。无论科学家们如何处理数据，每年冰盖的破碎情况也比任何模型预测得更快、幅度更大，哪怕模型采用了最极端的全球变暖条件。2007年，美国国家冰雪数据中心的气候学家朱莉安娜· C· 斯特勒夫 （Julienne C. Stroeve）在一篇论文中提到了这点。她写道，政府间气候变化专门委员会（IPCC）使用的北极圈模拟模型几乎没有一个能预测出真实世界中的冰川消退状况。斯特勒夫表示，即使修改了这些模型，冰川减小的速度也超过了预测：“最近的冰川消退速度仍然超过了所有模型的平均值。这些模型并没有模拟出实际发生的事情。”

准确的北极气候模型非常重要。西北太平洋国家实验室 （Pacific Northwest National Laboratory）的科学家认为，北极海冰的减少，意味着原来存于冰下的热能会扩散到大气中。上升的热量会阻碍急流。急流是高空的高速气流，它使得飞机在美国自西向东飞行的速度比向其他方向的速度更快。一些科学家相信急流是阻止寒冷的北极空气向南移动的屏障，急流的变化会引发极端的“极涡”（polar vortex）天气，比如在过去两个冬天冰封美国东海岸的天气状况。

随着冰川变薄退缩，伍兹霍尔海洋研究所（Woods Hole Oceanographic Institution）的科学家们测量了波弗特海淡水体积的增加量。现在的淡水体积比40年前增加了25%。如果这些覆盖在海水表层的淡水流到北大西洋，将会大幅改变洋流模式。表层的淡水造成的后果和上世纪70年代类似：当时因为一些尚不清楚的原因，北极海冰向南流动，干扰了有助于区域温度平衡的洋流。一些科学家相信类似的干扰在过去驱动了极端快速的气候变化。例如在12 000年前，格陵兰冰原在几十年内升高了8摄氏度左右。

冰川消失也会让现在的北极圈海岸被侵蚀的速度加快。冻土海岸占据着地球上近三分之一的海岸线，在这里永久冰冻的底土与开放水域接壤。德国阿尔弗雷德韦格纳研究所（Alfred Wegener Institute，这是一个极地研究中心）的地貌学家雨果·朗图伊特（Hugues Lantuit）表示：“让这些海岸保持形状的是冰川，当失去冰川保护时，这些的冻土被腐蚀的速度会非常快，”波弗特海的一些海岸正在以每年100英尺的速度后退。

这样的腐蚀会摧毁人类定居点，毁坏生态系统，使陆地沉降，还会造成海洋酸化和全球气候变暖。当冻土融化，冻在其中的植物、动物和微生物会释放出碳。这些有机物质最终会腐烂，成为二氧化碳和甲烷的来源。这些温室气体也会引起海洋酸化，对海洋生物造成不良影响。

大企业也对了解北极冰川的变化很感兴趣。油气公司在寻找机会钻探之前冰冻的水域。如果可以准确估计海冰季节性融化的范围，那么船舶公司就能使用传说中的西北航道（Northwest Passage），把从太平洋到大西洋的航行时间缩短将近一周时间。冰川消失也引起了美国海军的注意，尤其引起他们重视的，是在美国北部边境出现一个新的海洋带来的安全问题。

总的来说，有许多的紧迫因素促使科学家们弄清冰川消失的原因。

汤姆森怀疑，巨大的波浪及其摧毁冰川的能力可以解释为什么预测一直和实际情况不符。汤姆森说：“直到现在，涵盖海洋、大气、天气和海冰的系统模型仍然没有考虑海浪，也没有把它们全部整合起来更好地进行预报。这个力学过程就这么被忽略了。”海岸线研究专家朗图伊特表示，尽管我们还很难完全了解海浪的作用，但可以用海浪解释他绘制的、正在不断变化的地图。他指出：“现在还没有好的模型来模拟波浪对冻土海岸线的影响，但是根据经验法则，浪越大，侵蚀得就越厉害。”

追寻巨浪

尽管之前的多个模型都没有考虑到波浪，但科学家早就知道，汹涌的海浪对哪怕最坚硬的冰川也会产生影响。伊丽莎白· 洪克（Elizabeth Hunke）为洛斯阿拉莫斯国家实验室研究海洋和海冰模型。1998年，她在地球另一端的南极洲旅行时，在威德尔海的菲尔希纳-龙尼冰棚（Filchner-Ronne Ice Shelf）附近遇到了一片罕见的开阔水面。她说：“我看到了海浪猛烈拍打着已经固定在海岸线几年，几十年甚至几百年的海冰。尽管冰层很厚，很难被击碎，但海浪却正在把它们拍碎。”

但因为之前没有人会预料到北极有巨浪的存在，所以也就没有人想要把巨浪找出来或者把它们纳入到科学计算的模型中。然而汤姆森的浮标机器人在2012年得到了惊人的测量结果，将这一切都改变了。

这不仅仅引起了海洋学家的关注，同样还受到了美国海军研究办公室的青睐。海军研究办公室已经决定投资1 200万美元来找出北极海冰的去向。他们启动了“边缘海冰区域”（MIZ）研究计划。去年夏天的海浪搜寻行动就是这项研究的一部分。

这一计划集结了100多名世界各地的科学家，共同完成一项目标极为宏大的实验：观测北极冰原的季节性消融。如果是在几年前，这样的实验需要海面的破冰船、水下的潜水艇和天上的卫星联合行动。但在2014年，这项计划只需要小吨位的科考船、精简的远征队以及大量的机器人：这些自动机器人可以到人类想去但去不了的地方，而且可以24小时连续收集数据，不用休息。

就在1年多前，2014年春季，科学家们飞到波弗特海厚厚的冰面上，在从北纬73度到极点共240英里的路途中布设了几十个仪器。这些仪器可以探测海冰的厚度，冰下海水的温度和化学成分，以及冰上的天气参数。这些仪器可以漂浮在海上，所以随着海冰在夏季逐渐破裂，它们会一个接一个地浸入冰冷的海水，但仍可以持续地收集海水和天气的数据。

7月下旬，汤姆森和五位的科学家坐着由小渔船改装的科考船“雪鸮”号（Ukpik），开始在波弗特海布设更复杂的自动机器人。在每年的这个时候，太阳永远不会落下，把暗淡的阳光洒在波涛汹涌的海面和闪烁的浮冰上。这些科学家可能是当时处在地球最北边的水手，距离最近的定居点超过100英里。尽管偶尔可以远远地看到北极露脊鲸喷出的水柱，但波弗特海还是个荒芜之地。

机器人的加入可以弥补人员不足带来的劣势。他们准备了好几种机器人。其中，有些是汤姆森的标准波感应器浮标机器人，就跟他在2012年放的那枚浮标机器人一样。另一些机器人则要复杂得多：“海洋滑翔机”（Sea glider）有6英尺长，外形类似鱼雷，可以自我驱动在水中航行，也可以调整侧翼控制运动方向。每个“海洋滑翔机”都有一个外置游泳气囊，气囊可以充气，让机器人比水更轻；也可以放气，让机器人沉入水下。这样的机器人一天可以航行12英里，还可以沿着长而优雅的曲线上浮和下沉。

机器人的电池续航能力很强，可以航行10个月，还可以调整水中四处穿梭的无人驾驶机器人的方向，让它向左或向右行驶。当“海洋滑翔机”升到最高点的时候，它就会像一只好奇的海豹那样，伸出自己的鼻子。这样它就可以修正GPS位置，向卫星发送数据，并接受新的指示。研究人员设置了4台“海洋滑翔机”，这些机器人用了两个月的时间，在开阔水体和冰盖下运动，收集到了不同地区的湍流、温度、盐度和海水中的有机物质的数据。

但如果“海洋滑翔机”在冰下停留了太长时间的话，就会和监控卫星切断联系。为了让机器人和卫星保持联系，科学家又使用了第3种机器人：可以在表面运动的“海浪滑翔机”（Wave Gliders）。这些鲁布·戈德堡 （Rube Goldberg，指极其复杂精巧的机器）式的机器人由太阳能板和海浪运动供电。它们在冰的边缘运行，并会给水下机器人发送声波信号。伍兹霍尔的工程师李· 弗赖塔格（Lee Freitag）开发出了一套可以将低频声波信号传输给“海洋滑翔机”机器人的系统。这套系统依靠水下反射层将信号传输很长的距离。（水密度变化导致的同样类型的反射层，可以让鲸鱼的歌声传遍整个海洋。科学家使用的反射层和频率与这些海洋生物使用的不同，这样就避免了对海洋生物的干扰。）这些信号将经纬度定位信号传输给“海洋滑翔机”，并向它们发送指令信号。

与在高纬度地区使用破冰船相比，这种大规模释放机器人的方法有几个优势。首先，机器人增加了科学家的测量范围。一般的破冰船受限于单一的航道，在它们向一个方向前进时，需要观测的事件往往发生在数百英里之外。“海浪滑翔机”和“海洋滑翔机”则可以根据操作者的指令改变方向，跟踪冰被海洋吞噬时发生的每个细节。

此外，机器人还有个优势：它们只需要一艘很小的母船：“雪鸮”号。“我们可以很好地操控“雪鸮”号，因为这船足够小”，汤姆森说到：“传统的破冰船的问题就是，它实在太大了，就像一头公牛进了瓷器店。我想要测量的海浪都被它破坏了。”

有一天，汤姆森在“雪鸮”号上帮水手们放下两个“海浪滑翔机”后，倚着船舷谈起了海浪的演化过程。他说：“无风不起浪。有了风，你还需要两个东西，时间和距离。如果你有了更大的空间，你就可以制造出更大的海浪；有了长时间的风暴也可以造出同样的大浪。真正的巨浪必须两者兼备。”

即使在最温暖的年份，春天的北冰洋一般都会覆盖着海冰。而到夏末，无冰海域的面积可以超过地中海的两倍。开阔的水域，或者说风域范围 （fetch） 越大，那么海浪就会越大。风会推着水向前，而更大的空间则会给予海浪更长的时间，让它们堆叠得更高。

当一块水域没有海冰覆盖，它将会吸收更多的太阳热量（因为海冰会反射来自太阳的热量），而温暖的水会加热空气，产生更多的风。如果情况合适，这两个因素可以在几天时间让面积与美国国土相仿的海冰融化。这样的循环反馈就使得大海浪的形成越来越容易。

现在还不清楚的是，这个反馈环上的每个组成部分对海冰的融化有着多大的贡献，以及海浪是否会在秋季前减慢海水重新凝固成海冰的速度。所以，科学家们就必须更加深入地了解海浪和海冰是怎样互相作用的。

海冰破碎

7月，在释放完无人机器人之后，“雪鸮”号遭遇了大范围海冰：从小块的浮冰到那种可以让人联想起在1921年击沉泰坦尼克号的冰山的巨大冰块。这对汤姆森来说是一个绝佳的海浪观测地点。他跳起来去准备浮标机器人。这艘小科考船停在了海冰区以外，让他先扔下一个浮标机器人，然后小心翼翼地进入海冰区去部署另一个浮标机器人。

随着科考船向朝海冰区深入，开阔海区和冰区的差别愈见明显。在开阔海区，海水汹涌澎湃。当“雪鸮”号科考船遇到第一块小浮冰时，汹涌的巨浪已经削弱成了低矮平缓的波浪。当科考船驶入冰区几百码后，在更大的冰块群中颠簸绕行，这时也就只看到一些细小的波纹留存在镜子般的水面之上了。“冰块对海浪来说好像过滤器，只有最长的波浪才能进入到浮冰水面的最深处。”汤姆森一边热切地说，一边打着手势模仿卷起的巨浪。他想知道一个问题的答案：冰对海浪的过滤效应有两种：一种是散射（scattering），一种是减幅（damping），这两种效应的影响分别是多少。

散射意味着冰不会吸收能量，只会转移能量，像棱镜散射光一样。而减幅是指海浪将能量传递给冰，使冰移动并破碎。减幅效应给浮冰带来的破坏是最强的。尽管在外海，房屋一样高大的巨浪此起彼伏，但这些厘米级别的测量能在未来几年中，为改进北极系统模型做出最大的贡献。

但是，汤姆森的发现已经证明“更多的海浪让海冰减少，海冰减少又会产生更多的海浪”这一循环是可能存在的，海洋学家W·埃里克·罗杰斯（W. Erick Rogers）表示。罗杰斯在美国海军研究实验室（U.S. Naval Research Laboratory）工作，他说：“这个反馈循环看起来是理解地球未来更温暖气候条件下海冰分布的重要机制。”

当“雪鸮”号清除了漂冰，开始返航的时候，遇到了一位因纽特渔民和他的孙子开的平底小船，他们就住在附近。他们送给科考船船员们刚抓到的鱼作晚餐：三条肥满的北极鲑鱼（Arctic char）。外界对北极海冰的关注才刚刚开始，但是，这些生活在北极的人们和野生生物（北极熊，海豹，鲸鱼和永久冻土层下面的微生物）已然感受到了海冰减少和海浪日益增长带来的影响。