互动科普

我们乘坐的小型螺旋桨飞机在遥远的西伯利亚东北部切尔斯基（Cherskii）满是沙砾的跑道上着陆，巨大的震动使胶靴打到了我的臀部——鞋子在我和我的三个同事之间飞了起来。这是我们开展为期五天科学考察的最后一段：从美国阿拉斯加费尔班克斯大学出发，穿越俄罗斯，到达湖泊遍布的俄罗斯东北研究站（the Northeast Science Station）。这次考察只是众多研究中的一项，目的是监控那些能大幅加剧全球变暖的活跃因子。

这些考察能帮助我们了解，在横跨北极的广大西伯利亚地区有多少永冻土（permafrost）已经开始或将要融化，在此过程中又产生了多少甲烷。这一问题一直困扰着我们和其他许多科学家及政策制定者——因为甲烷是一种高效温室气体，相同分子数的甲烷气体产生的温室效应是二氧化碳的25倍（IPCC 2001年定义）。如果世界性的气候变暖使永久冻土带迅速融化，地球变热的速度将比我们现在预计的更快。我们的调查结果结合其他分析，表明未来的趋势让人担忧。

打开冰冻之门

永久冻土带的变化令人担忧，因为占地球陆地面积20%的冻土带，在地表以下几十米（有的深入到几百米）内储存了约9,500亿吨碳。这种由动植物遗骸经过上万年形成的碳，冻结在冰层下的众多冰湖之中，与空气隔绝。

但当冰层融化，以前被固定起来的碳在微生物的作用下迅速分解，产生气体。就和我们打开冰箱门一段时间后，食物解冻并且开始变质的过程一样。氧气促进细菌和真菌耗氧分解有机物，产生二氧化碳。但在浸满水的土壤或湖底沉积物中，氧气是稀缺的，在这种情况下有机物发生厌氧分解，并释放甲烷（和部分二氧化碳）。湖下的甲烷分子随着水中气泡的逸出，冲破湖面，进入大气。

厌氧分解是北极地区甲烷的主要来源。永久冻土带的融化使地表下沉，流水进入低处，形成了很多小湖。随着这些湖下的永冻土更大规模地融化，这些小湖开始散逸出大量甲烷。甲烷释放后留下的痕迹表明，自从地球进入了最近一次间冰期（interglacial）的温暖阶段以来，这一过程已经发生了1万年。卫星监测记录显示，近几十年来永久冻土带的融化可能正在加速。

这些记录与我在费尔班克斯大学的同事弗拉基米尔·E·罗曼诺夫斯基（Vladimir E. Romanovsky）等人设置在阿拉斯加和西伯利亚的众多野外监测站获得的数据相符。罗曼诺夫斯基发现，从20世纪70年代初，这些站点就记录到永冻土的温度在上升。基于这些资料，他推算出阿拉斯加地区1/3到1/2的永冻土温度在1℃～1.5℃之间，正在融化；在世界的很多地方，永冻土正在突破0℃这一临界值。

我的研究团队在切尔斯基（Cherskii）以及其他站点正在进行的观测支持了解冻正在加速的判断，并认为程度可能要比预想的严重得多。我们的研究小组最近得出结论：在现有的变暖速率下，到2100年，永久冻土带的解冻造成的甲烷释放量可能比所有自然和人为因素产生的总和还要多。依照费尔班克斯大学弗拉基米尔·阿莱克谢耶夫（Vladimir Alexeev）的预测，大气中增加的二氧化碳，加上冻土融化释放的温室气体，能够使地球的年平均温度再升高0.32℃。

这一增长量似乎很小，其实不然。它对全球变暖引起的天气异常、海平面上升、农业衰退和传染病流行都有着深刻的影响。如果深层的甲烷散逸——例如储存在甲烷水合物中的那部分（参见第40页专栏）——温度会升高几度。因此，人类有理由积极地减缓当今全球变暖的速率，以保证不使北极地区超越温度极限。

西伯利亚地区的主要矿脉

对类似切尔斯基这样地方进行勘测，是验证和修订我们判断的关键。和来自东北研究站的同事谢尔盖·A·齐莫维（Sergei A. Zimov）一起沿着河岸散步时，我仔细观察了我们停留的地方。表层土只有半米厚，大部分是稀泥，长满苔藓的泥炭松散地覆盖在40~80米深的冰层之上。矮树难以在冻土中生根，而夏季的解冻循环使冻土层大量上涌，树就以各种神奇的角度生长，形成“醉汉林”。在我身后，一棵这样的树穿透地面，透过被撕裂的森林地表，我们看到了固态冰闪耀的黑色表面，闻到了有机体腐烂的霉味。在这里，我们一不小心就会踢到散落遍地的动物骨骼：毛犀牛、猛犸、更新世的狮子、熊和马等。

对于齐莫维而言，这个地方就是一座金矿——而这并非是因为那些已经灭绝了动物的头骨和长牙。1989年，对地下碳藏的兴趣促使他带领一个由年轻科学家组成的小组建立了东北研究站，来监测苔原地带和北方针叶林带永冻土的年变化。研究者乘着小艇考察了许多俄罗斯河流，测量永冻土的断层。虽然没能测出永冻土中碳含量的厚度，齐莫维等研究者依然是甲烷释放研究的开拓者。他们用军用坦克和推土机模拟了强烈的磷火移除表层土壤的干扰，用实验向世界证实了永久冻土带中贮碳层的规模及其重要性。

为什么齐莫维以及后来我的团队在这之前仅仅以苏维埃劳改场闻名的地方全力以赴地进行研究呢？因为并非所有的永冻土都是相同的。任何至少持续两年年平均气温在0℃以下的地方都应该划在永久冻土带之中，无论是否有冰存在。而广阔的西伯利亚地区有着独特的永冻土类型——苔原富冰黄土（yedoma）。这种类型的永冻土富含对甲烷形成至关重要的冰和碳。在这里10至80米高的冰楔和较小的冰晶状体占据着冻土层体积的90%，其余是富含有机物的土壤，包括丰富的更新世动物遗体和它们的食物残余。

苔原富冰黄土约形成于上一个冰期末，在西伯利亚和美国北部的小部分地区，约有180万平方千米。有机物在被分解以前被恰当地冻在冰层之中。一个大的原料仓库被锁藏起来直到条件改变，冰库的门打开了。

近期暖热的气候有助于苔原富冰黄土的融化，产生湖泊。随着地面的融沉，边缘植被瓦解，这一作用即是我们所说的热喀斯特（thermokarst）。今天，湖水占据了西伯利亚陆地表面积的30%，进一步的融化会使它们更大更深，成为大量生产甲烷的水体。

被气泡带出的甲烷

20世纪90年代，东北研究站的研究者观测到甲烷一年到头地从湖底冒着气泡逸出，但他们不知道这一现象对地球环境是多么的重要。因此在2009年8月，我第九次乘机到切尔斯基，考察急速扩张的热喀斯特湖（thermokarst lakes），测量永冻土和甲烷释放量的变化。

我的研究始于2000年的博士研究项目。那时，研究者对甲烷——大气中继二氧化碳和水蒸气之后的第三大温室气体——的认识正日益深入。现在甲烷数量和扩散速率在过去的65万年间是空前的。证据显示，在过去的几千年里，由于气候的变化，大气中的甲烷浓度有50%的波动。但是，这个变化与18世纪中期之后发生的将近160%增长相比是微不足道的。当我开始这个项目的研究时，甲烷的浓度从工业革命前的700ppb（十亿分之一）增长到了1800ppb。

科学家还知道农业、工业、垃圾填埋和其他人类活动明显与近期的甲烷增加有关。不过每年还有将近一半进入大气的甲烷属于天然来源，但没有人能说明这有多少。

从2001年到2004年，我把工作时间分成两个部分，坐在费尔班克斯的小办公室里，以及和我的同事们一起在切尔斯基同几个当地的俄罗斯家庭一起生活。在我们黄色木质研究站的阁楼图书馆里，我花了好几个晚上修补那条载我们入湖扑捉甲烷气泡的塑料浮舟。我从自由漂泊的小船一侧探出身子放置收集器，然后每天检查它们，记录在它们水母般的“裙子”下面收集的气体数量。刚开始，我没能收集到多少甲烷。

冬天早早就来到了，在10月的一个早上，当黑色的冰面还刚刚才能承受我的体重时，我在它那黑得发亮的表面上散步，突然就好像看到了夜空的满天繁星一样惊呼出声：“啊！”在那薄薄的黑色冰里，我收集到了成串的灿烂的白色水泡，它们分散冒出水面，明确地指出了湖底的气泡渗出点。我用一个铁矛刺穿了一个大的白色的凹陷，一阵风向上吹来。我点燃了一根火柴，它引燃了5米高的火焰，吓得我向后退了一步，热焰却还是扑面而来，烧焦了我的眉毛。甲烷！

整个冬天我冒险穿越了许多冻结的湖面，在这些渗出点上设置更多的收集器。不止一次，我不知不觉地踩在气泡集中冒出的地方而掉进寒冷的冰水中。即使在西伯利亚的严冬，气温达到零下50℃时，湖床中的甲烷多发区域（methane hotspots），大量的气泡上升仍引起了对流。这些气体可以冲破在它之上的一切，只留下大小不等的散逸口上那层易碎的薄冰。我每天在每个独立的渗出点都能够点燃多达25升的甲烷，那比我们通常能找到的多得多。我在图上标注了多发区域并计算了湖中甲烷的散逸量。最大的气泡发现于靠近湖边永冻土迅速解冻的地方。一些气体中放射性碳龄达到了4.3万年，这说明苔原富冰黄土中的碳曾像囚犯一样被长久禁锢在湖底。

2002年到2009年，我领队开展了甲烷渗出调查。这一调查包括了西伯利亚和阿拉斯加地区不同类型、不同大小的60个湖泊。让研究者没有意料到的是，调查地甲烷逸出量的增长与同一地区湖水面积的增长是不成比例的，前者比后者高45%。甲烷的逸出在加速。

我初步估计，整个北极地区的湖泊每年要释放1,400万到3,500万吨甲烷。极地冰核记录和在干涸的远古湖盆中得到的放射性碳测年显示，1万年到1.1万年前热喀斯特湖为气候的急剧变暖贡献巨大——北半球高达87%的甲烷加速了冰期的完结。这种急速的变化提醒我们，在适当的条件下，永冻土的融化和甲烷的释放可以相互促进，形成正反馈循环：更新世时代的碳以甲烷的形式释放，让气候变暖，造成更多冻土融化和甲烷释放。现在，人为的气候变暖带来的威胁又一次引起了巨大的正反馈作用。

这些反馈究竟有多快呢？政府间气候变化专门委员会（IPCC）2007年的全球气候报告，强调了高纬度地区未来变暖的趋势。一些模型预言，到21世纪末，气温将升高7℃~8℃。基于众多的分析，我和我的同事认为，未来几十年到几百年间，由于苔原富冰黄土融化，至少500亿吨甲烷将从西伯利亚地区的热喀斯特湖释放到大气之中，这是目前大气中所含甲烷总量的十倍。

模型的校准

即使尽了最大的努力，我们现在的预算也难以获得更合适的模型，也没有考虑到潜在的负反馈。在阿拉斯加，热喀斯特湖正在泄水，而丘陵地区湖的数量在增长。丘陵湖水量不断累积，直到它们遭遇了斜面。然后湖水沿着山坡倾泻而下，带来侵蚀和进一步的倾泻，解冻的沉积物被带到河里，最终入海。干涸的水池被新的植被填满，通常形成沼泽。虽然沼泽夏天解冻后也会释放甲烷，但年总排放量小于湖水的排放量。

这个潜在的过程是能很大程度地减弱甲烷的释放，还是只能稍微地减弱甲烷的释放？答案尚不确定。我与费尔班克斯大学的同事吉多·格罗斯（Guido Grosse）、加拿大新斯科舍达尔豪西大学的劳伦斯·普拉格（Lawrence Plug）、英格兰南安普敦大学的玛莉·爱德华兹（Mary Edwards）等，在2008年开始改进最初得到的正负反馈效果。一个关键的步骤是完成地图的绘制，并将西伯利亚和阿拉斯加地区的热喀斯特湖和碳循环进行分类。我们期望在2010年以前提出草案。交叉学科的研究涉及生态学和排放测量法、地球物理学、遥感、解冻的永冻土和湖底沉积物的实验室培养以及其他相关学科。我们的目标是给出末次盛冰期（Last Glacial Maximum，2.1万年前）热喀斯特湖排放的甲烷和二氧化碳量的数量模型，并预测未来几十年到几百年间从热喀斯特湖排放的甲烷对气候变暖的反馈作用。

为了帮助预测气候变暖如何影响热喀斯特湖，普拉格和博士后研究生马克·克塞勒（Mark Kessler）正与我们一起开发两个模型。一个是单湖模型（single-lake model），用于模拟湖盆动态；另一个是景观模型（landscape model），包括山地的斜面过程、地表水运动和地形尺度上永久冻土带的变化。这两个模型将首先用于已经在研究的景观，然后加入整个西伯利亚和阿拉斯加地区1.5万年前沉积核的数据，进而加入2.1万年以来的其他气候模拟。最后，将热喀斯特湖模型和描述海洋循环和大气循环的哈德利中心耦合模型（Hadley Center Coupled Model）相结合，后者是IPCC评估报告的主要模型。我们希望实验的结果将成为可以完整模拟永久冻土带解冻的广度和影响的主要程序，以帮助我们推算未来甲烷释放速率和这一过程将带来的全球升温幅度。

当然，我们还将继续进行更多的野外工作，以使这些模型中所使用的资料更加准确。2010年，我们将乘坐气垫船考察西伯利亚地区长达1,600千米的河流沿岸以及北极沿岸的湖泊，这一大规模科考将重新找到湖中1,000年前的沉积岩芯。野外数据和遥感资料最终计划将汇总于哈德利中心，来模拟从末次盛冰期到未来200年间气候变化的驱动因子。永久冻土带解冻和甲烷释放的预测图谱将于2011年4月完成。

解决方案

正如所有指标显示的那样，如果北极地区永久冻土带的甲烷释放在加速，问题的关键，在于我们能做些什么来防止甲烷的释放？答案之一是，我们可以在甲烷散逸以前将它作为清洁燃料进行提取。但是，由于渗出点的分散性，从广泛分布的数百万的湖泊中收集甲烷在经济上并不可行。不过一些接近强渗出点的小区域可能会选择甲烷作为能源。

齐莫维和他的儿子尼基塔（Nikita）想出了一个能使西伯利亚永冻土保持冻结的办法。他们创造了一个由类似于10,000多年以前存在于西伯利亚的由大型北方草食动物维持的牧草地生态系统。他们引入了马、驼鹿、熊和狼到“更新世公园”（“Pleistocene Park”）中来，这是位于东北西伯利亚的一个160平方千米的科学实验地， 他们还试图依靠俄罗斯政府和美国政府代理处供的基金恢复麝牛和北美野牛种群。

在很多年前，这些食草动物同猛犸一起维持了草原生态系统。这些浅色的草原生物区系比最近取代了它的深色的北方针叶林更能反射太阳辐射，有助于保持地下永冻土的冻结。另外，冬天里草食动物会踩踏和挖空积雪觅食，这令严冬更容易使永冻土变冷。

为了利用“猛犸作用”将世界从气候变化中解救出来，一个男人和他的家庭做出了巨大的努力来建立更新世公园。而现在全世界必须一起行动，每一个人、组织、国家都要为减少自己的碳足迹担负起责任。减缓二氧化碳的排放速度是人类避免全球变暖引发永冻土解冻从而引起进一步变暖这种恶性循环的唯一途径。我们可以预见，如果碳排放以现在的速度增加，到2100年，北方的湖泊每年将释放1亿到2亿吨甲烷，这远远高于今天1,400万到3,500万的排放量。现在，世界范围内所有来源排放总量是5.5亿吨，所以如果排放依然不受限制，永久冻土带的解冻将带来另外20%~40%的温室气体排放，引发全球年平均气温在现在所预测的上升幅度上更进一步上升0.32℃。这种气候变化程度是这个世界所不能承受的，为了减少大气中的二氧化碳从而减缓永冻土的解冻速度，我们必须减少化石燃料的燃烧，这虽然显而易见，却是被刻意回避的解决方式。