珍妮弗·A·弗朗西斯

北極正在發(fā)生劇烈變化，僅僅在過(guò)去三年，很多關(guān)于北極的記錄已經(jīng)被打破了，其中一些異常令人震驚。觀測(cè)數(shù)據(jù)揭示了比預(yù)測(cè)更嚴(yán)峻的現(xiàn)實(shí)，我們模擬的結(jié)果似乎遠(yuǎn)遠(yuǎn)低估了北極正在發(fā)生的變化。

珍妮弗·A·弗朗西斯

（Jennifer A. Francis）

2003年，包括我在內(nèi)的25位科學(xué)家似乎對(duì)北極的變化產(chǎn)生了某種頓悟。當(dāng)時(shí)美國(guó)自然科學(xué)基金委員會(huì)邀請(qǐng)我們到蒙大拿州的長(zhǎng)空之鄉(xiāng)（Big Sky）參加一次討論會(huì)。在這次會(huì)議之前，我們每個(gè)人都在開(kāi)展關(guān)于北極的研究，但側(cè)重點(diǎn)僅僅局限在各自研究的幾個(gè)問(wèn)題上。當(dāng)共同分享了自己的研究進(jìn)展后，大家驚訝地意識(shí)到：我們分別從不同的方向研究北極，但是這些不同的方向和內(nèi)容所帶來(lái)的進(jìn)展存在著內(nèi)在聯(lián)系，方方面面的變化都能完美地契合在一起。北極的整個(gè)氣象環(huán)境系統(tǒng)正在朝岌岌可危的方向演變，并且，阻止這種變化趨勢(shì)的可能性已經(jīng)微乎其微了。

在此前發(fā)表的一篇論文中，我們得到了令人震驚的結(jié)論，當(dāng)然這個(gè)觀點(diǎn)也極具爭(zhēng)議性：以目前的變化速率推算，在一個(gè)世紀(jì)以內(nèi)，北冰洋就有可能在某個(gè)夏季出現(xiàn)海冰全部消失的情況，這種情景在過(guò)去幾千年來(lái)從未發(fā)生過(guò)?，F(xiàn)在，我再次感到震驚，因?yàn)楸睒O在夏季出現(xiàn)零冰層的現(xiàn)象很有可能在2040年前就會(huì)發(fā)生，這比我們十多年前的預(yù)測(cè)足足提前了60年。

北極正在向著科學(xué)家預(yù)想的情況演變，但是變化的速度將比最激進(jìn)的預(yù)測(cè)還要快。而近期在北極發(fā)生的一些現(xiàn)象也是前所未有的，很多保持了幾十年的紀(jì)錄被打破，其中包括夏季海冰的消失程度、冬季海冰的減少量、北極氣溫升高的速率和北極地表的融化等等。

這樣的趨勢(shì)會(huì)給世界帶來(lái)嚴(yán)重后果。在12.5萬(wàn)年前，北極的氣候曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)比現(xiàn)在稍微偏暖的情況，當(dāng)時(shí)的海平面已經(jīng)比現(xiàn)在的狀態(tài)高4到6米了。一旦海平面達(dá)到這個(gè)高度，將會(huì)徹底淹沒(méi)邁阿密、新奧爾良、弗吉尼亞海軍基地、紐約的大部分地區(qū)，像硅谷、威尼斯、倫敦等世界上非常重要的城市和區(qū)域也會(huì)慘遭水淹。新的研究表明，北極快速增暖也可能使高空西風(fēng)急流偏離原本正常的軌跡。這會(huì)導(dǎo)致災(zāi)害性的天氣持續(xù)更長(zhǎng)的時(shí)間。北美、歐洲中部和亞洲地區(qū)都會(huì)受到影響，幾百萬(wàn)人口也會(huì)受到熱浪、干旱或者風(fēng)暴的持續(xù)侵襲。在氣候變暖的大背景下，北冰洋南部的浮游生物正在大規(guī)模增長(zhǎng)，這可能會(huì)導(dǎo)致維持當(dāng)?shù)厣虡I(yè)漁業(yè)所需的食物鏈遭受破壞。當(dāng)海冰大量融化以后，也會(huì)讓體量巨大的淡水涌入格陵蘭南部。這可能減緩墨西哥灣暖流的流速，進(jìn)而導(dǎo)致大西洋東西兩岸大陸上的天氣趨勢(shì)發(fā)生顯著變化。

可是，是什么導(dǎo)致了北極出現(xiàn)如此嚴(yán)峻的變化？

“永久性” 極冰消亡？

北極地區(qū)對(duì)氣候變化極為敏感。對(duì)于整個(gè)地球氣候系統(tǒng)而言，北極就像是“煤礦中的金絲雀”（多年前，煤礦工人把金絲雀放入井下，檢驗(yàn)礦井中有無(wú)有害氣體和污染物）。過(guò)去幾年中，一連串被打破的紀(jì)錄成了堅(jiān)實(shí)的證據(jù)，驗(yàn)證了過(guò)去幾十年間令人緊張的氣候模擬結(jié)果，而這也剛好切中了北極變化的要害。麻煩的是，觀測(cè)數(shù)據(jù)揭示了比預(yù)測(cè)更嚴(yán)峻的事實(shí)，我們模擬的結(jié)果似乎遠(yuǎn)遠(yuǎn)低估了北極正在發(fā)生的變化。

僅僅在過(guò)去的40年中，北冰洋夏季的海冰面積就已經(jīng)萎縮了一半。全年的海冰體量也在逐步下降。目前的體量?jī)H為20世紀(jì)80年代早期的四分之一?？茖W(xué)家原本推測(cè)，至少要到本世紀(jì)中葉，北極海冰的體量才會(huì)減小到如此低的程度。

夏季海冰之所以快速消失，可以歸咎于反饋效應(yīng)（一種可以將原來(lái)比較小的變化迅速放大的惡性循環(huán)）。例如，當(dāng)少量額外的熱量融化了大洋表面潔白光亮的海冰后，更多顏色較深的海洋水體就會(huì)暴露在外，這會(huì)導(dǎo)致被冰面反射回太空的太陽(yáng)輻射明顯減少，換句話說(shuō)，海表將會(huì)吸收更多的熱量。被海表吸收的熱量會(huì)繼續(xù)加熱該區(qū)域，融化更多的海冰，導(dǎo)致變暖進(jìn)一步加劇。

在北極地區(qū)，冬季沒(méi)有光照，但另一種反饋機(jī)制卻會(huì)發(fā)揮作用。通常，漂浮在北冰洋海面上的海冰就像一塊巨大的隔熱板，阻擋了海洋中的水汽和熱量向大氣中輸送。海冰減少后，更多的熱量和水汽就會(huì)逸散到大氣中，加熱大氣，延緩海冰的生成。在計(jì)算系統(tǒng)作推測(cè)時(shí)，整個(gè)模擬的過(guò)程往往會(huì)大幅低估海冰消失的速度，從而導(dǎo)致對(duì)未來(lái)變暖速率的估值偏向保守。

除了正在消失的北極海冰之外，另外兩種“永久性極冰”的快速減少，也讓我們和其他研究極地環(huán)境的科學(xué)家徹夜難眠。

其中一種是多年凍土，這種凍土本來(lái)應(yīng)該全年都維持著冰凍狀態(tài)，但現(xiàn)在它們開(kāi)始消融了。建在多年凍土上的建筑物逐漸垮塌，生長(zhǎng)在凍土上的樹(shù)木在倒下，道路也開(kāi)始彎曲變形了。當(dāng)凍土封凍了幾千年的有機(jī)質(zhì)被釋放出來(lái)后，細(xì)菌就會(huì)把它們分解成為二氧化碳（在有氧環(huán)境下）或甲烷（無(wú)氧環(huán)境下）。北極地區(qū)的多年凍土中，碳儲(chǔ)量大約是目前大氣中的2倍，因此多年凍土的大規(guī)模消融會(huì)給全球變暖的進(jìn)程帶來(lái)極大的影響，反過(guò)來(lái)，這個(gè)過(guò)程又會(huì)進(jìn)一步加速凍土消融。很遺憾，目前計(jì)算機(jī)模擬并不能準(zhǔn)確地還原凍土消融帶來(lái)的影響，因此，科學(xué)家對(duì)全球變暖的預(yù)估嚴(yán)重低于真實(shí)進(jìn)程。

第三種永久性極冰是在陸地表面結(jié)凍的水體，包括冰川和格陵蘭地區(qū)龐大的冰蓋，它們厚度可以在千米以上。與海冰融化產(chǎn)生的間接效應(yīng)不同，這類極冰融化形成的徑流在進(jìn)入海洋后，會(huì)直接抬升海平面的高度，給全球所有沿海區(qū)域帶來(lái)可怕后果。

2016年夏季，格陵蘭冰蓋的總量（通過(guò)衛(wèi)星觀測(cè)其對(duì)地球重力的影響來(lái)測(cè)算）達(dá)到了自2002年有衛(wèi)星觀測(cè)紀(jì)錄以來(lái)的歷史最低值。同時(shí)，這一年的冰蓋總量也低于20世紀(jì)50年代末期以來(lái)用其他觀測(cè)手段觀測(cè)到的冰蓋量。一份最新的研究表明，格陵蘭地表冰蓋加速融化與海冰減少導(dǎo)致的變暖也有緊密的聯(lián)系。

暖濕的大氣

海冰的減少和北極地區(qū)快速升溫還產(chǎn)生了其他深遠(yuǎn)的影響。這兩種變化會(huì)共同改變大氣上層的風(fēng)，從而將額外的熱量和水汽從低緯度地區(qū)輸送到北極。2012年，格陵蘭地表冰層融化就是由于大氣中一直維持著異常強(qiáng)盛的高壓脊，也就是所謂的阻塞高壓。阻塞高壓不僅從南方帶來(lái)了熱量和水汽，還帶來(lái)了北半球山火燃燒后的灰燼和顆粒。這些灰燼顆粒會(huì)令冰和雪的表面變暗（會(huì)降低冰層和雪面的反射率），導(dǎo)致冰雪表面吸收更多的太陽(yáng)輻射，加速融化。這又會(huì)形成我們之前提到的惡性循環(huán)。

近幾十年來(lái)，阻塞高壓在格陵蘭地區(qū)附近的發(fā)生頻率越來(lái)越高了，夏季時(shí)尤為明顯。從另一個(gè)側(cè)面來(lái)講，阻塞高壓活動(dòng)的增加，或許可以解釋冰蓋加速消融的現(xiàn)象。在當(dāng)?shù)兀?016年夏季冰量的減少幅度可以排到有記錄以來(lái)的第三位，僅次于2010年和2012年的海冰減少。我和同事們的最新研究表明，阻塞高壓的頻繁發(fā)生極有可能與全球變暖緊密相關(guān)。然而，計(jì)算機(jī)模擬還是很難比較真實(shí)地再現(xiàn)阻塞高壓形成和崩潰的過(guò)程，因此也很難預(yù)測(cè)阻塞高壓未來(lái)的變化趨勢(shì)和特征。

北極的其他變化同樣非常奇特。在過(guò)去兩年的冬季里，北極點(diǎn)附近連續(xù)發(fā)生了破紀(jì)錄的熱浪事件，并且一次比一次偏暖。海冰的減少和變薄是部分原因，二者會(huì)導(dǎo)致海洋的熱量更容易進(jìn)入大氣。高空西風(fēng)急流的南北擺動(dòng)也會(huì)將大量暖濕空氣輸送到高緯度地區(qū)，這些暖濕空氣的量也一次次地突破了記錄?？茖W(xué)家往往很容易忽略額外的水汽產(chǎn)生的影響。首先，水汽是一種溫室氣體，在北極干冷的大氣環(huán)境中，即便額外增加微量的水汽都可以阻止大量的熱量向外散逸。而且這些水汽在凝結(jié)成云的過(guò)程中還會(huì)釋放凝結(jié)潛熱，進(jìn)一步加熱大氣。最后，云量增多會(huì)使更多的熱量被困在云層下方的低層大氣中，從而成為導(dǎo)致北極加速融化的另一種誘因。

更多的極端事件

從歷史上看，目前北極的變化是人類經(jīng)歷過(guò)的最劇烈的一次。鑒于事實(shí)已十分明顯，大氣學(xué)家正在試圖弄清北極的變化對(duì)人類社會(huì)和生態(tài)系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生什么樣的影響。通過(guò)這些研究，我們可以做出合理的決策，有針對(duì)性地應(yīng)對(duì)未來(lái)可能發(fā)生的現(xiàn)象。

在所有問(wèn)題中，最明顯的影響是沿海地區(qū)可能遭遇洪災(zāi)。根據(jù)“憂思科學(xué)家聯(lián)盟”最近發(fā)表的一份報(bào)告顯示，在20年內(nèi)，美國(guó)大約有170多個(gè)沿海地區(qū)會(huì)定期受到洪水的侵?jǐn)_。到本世紀(jì)末，如果各個(gè)國(guó)家依舊我行我素地排放二氧化碳，多數(shù)沿海大城市將經(jīng)常遭受洪水的襲擊。這份特別具有前瞻性意義的報(bào)告剛好是在哈維颶風(fēng)、厄瑪颶風(fēng)和瑪利亞颶風(fēng)到來(lái)之前的幾周發(fā)表的。相繼到來(lái)的三場(chǎng)颶風(fēng)也讓當(dāng)季成為美國(guó)歷史上受災(zāi)最重、經(jīng)濟(jì)損失最大的一次颶風(fēng)季。

現(xiàn)在，越來(lái)越多的證據(jù)表明，北極地區(qū)低層大氣變暖可以影響對(duì)流層高層的西風(fēng)急流，這種影響甚至可以到達(dá)平流層，那里恰好是形成環(huán)繞北極的渦旋風(fēng)的地方。在蜿蜒的急流中，急流北側(cè)的脊和南側(cè)的槽會(huì)產(chǎn)生高壓和低壓中心，也就是我們?cè)谔鞖鈭D上看到標(biāo)記著字母“H”和“L”的地方。

急流的蜿蜒運(yùn)動(dòng)控制著北半球天氣的形成和發(fā)展。不過(guò)，如果蜿蜒運(yùn)動(dòng)的幅度太大，頻率太高，我們將會(huì)在數(shù)以十億人生存的地區(qū)見(jiàn)到更頻繁的極端天氣。因?yàn)轵暄逊容^大的急流從西至東移動(dòng)時(shí)，速度會(huì)減慢，這會(huì)使急流觸發(fā)的天氣現(xiàn)象在對(duì)應(yīng)地區(qū)停留的時(shí)間變長(zhǎng)。比如，連續(xù)不斷的熱浪、持續(xù)性的強(qiáng)降水等等，就像在2017年8月襲擊了休斯敦的哈維颶風(fēng)一樣，它就是移動(dòng)緩慢的颶風(fēng)。此前，加利福尼亞州曾經(jīng)歷了異常強(qiáng)烈的山火季，這也跟蜿蜒運(yùn)動(dòng)有關(guān)。

急流的大幅度波動(dòng)和北極的強(qiáng)烈變暖可以使極渦（在極地高空，為了保障在空氣收縮下沉后質(zhì)量依然連續(xù)，空氣會(huì)向下沉區(qū)匯合，并在高空形成一個(gè)低壓性質(zhì)的渦旋，這個(gè)渦旋稱為極地渦旋，也就是極渦）活動(dòng)異常，這會(huì)造成封凍時(shí)間延長(zhǎng)或者暴風(fēng)雪時(shí)間延長(zhǎng)。2018年1月初襲擊美國(guó)北部地區(qū)的持續(xù)性嚴(yán)寒就是此類影響的一次實(shí)例。極渦的崩潰同樣可以造成急流在南北方向上的大幅度擺動(dòng)，這會(huì)將大量的暖空氣輸送到阿拉斯加甚至比這里更偏北的地區(qū)。因此，又會(huì)讓相關(guān)地區(qū)出現(xiàn)不可思議的冬季熱浪，并通過(guò)之前提到過(guò)的反饋機(jī)制加速北極變暖。一些研究表明，北極變暖與急流蜿蜒的形態(tài)密切相關(guān)。當(dāng)然，其他研究則認(rèn)為將二者聯(lián)系起來(lái)的證據(jù)并不充分。

北極快速變暖很可能顯著地改變陸地和海洋生物的棲息環(huán)境。事實(shí)上，這種影響已經(jīng)開(kāi)始顯現(xiàn)。當(dāng)海冰縮減后，浮游生物開(kāi)始出現(xiàn)在一些高緯度區(qū)域，它們?cè)谠具^(guò)于寒冷的地區(qū)和季節(jié)里逐漸繁盛起來(lái)。這會(huì)吸引低緯度的魚(yú)類向北極水域聚集，低緯度地區(qū)的魚(yú)類資源則會(huì)大大減少甚至消失。

春天時(shí)，高緯度地區(qū)融雪時(shí)間提前已經(jīng)導(dǎo)致當(dāng)?shù)氐奶υ崆白兙G，蟲(chóng)卵早熟。遷徙的鳥(niǎo)類原本會(huì)通過(guò)白晝的長(zhǎng)短變化、植被變綠的時(shí)間以及昆蟲(chóng)的活躍期來(lái)判斷季節(jié)的變化，但是，提前變綠的苔原和提前孵化的昆蟲(chóng)會(huì)令在高緯地區(qū)覓食的鳥(niǎo)類面臨障礙，因?yàn)樗鼈兊诌_(dá)的時(shí)間很有可能晚于最合適覓食的時(shí)段。

與此同時(shí)，北極地區(qū)的居民也感受到了北極變化的影響。海冰的融化使他們無(wú)法在傳統(tǒng)的打獵地區(qū)狩獵。原本受到沿岸海冰保護(hù)而免受海浪侵蝕的居住地也出現(xiàn)了問(wèn)題，這些地區(qū)在海冰消融后都受到了大浪侵蝕的威脅。更麻煩的是，一些大國(guó)和大型商業(yè)公司開(kāi)始涌入北極，試圖獲取海冰融化后帶來(lái)的自然資源，他們會(huì)搶奪寬闊富饒的海床，進(jìn)而造成國(guó)際關(guān)系緊張。

每當(dāng)持久的極端天氣在部分地區(qū)肆虐，或者關(guān)于北極的一些紀(jì)錄再次被打破時(shí)，各位科研人員在長(zhǎng)空之鄉(xiāng)會(huì)議上展示的進(jìn)展就會(huì)在的我腦海中重現(xiàn)?，F(xiàn)在，就連我的鄰居們都開(kāi)始關(guān)注和談?wù)摫睒O的變化了。調(diào)查顯示，大多數(shù)美國(guó)人認(rèn)為，北極冰的消失和急流突變等問(wèn)題可以相互作用，共同引發(fā)變化無(wú)常的天氣現(xiàn)象。

或許，曾經(jīng)的北極可能會(huì)顯得無(wú)情，但總體來(lái)說(shuō)是穩(wěn)定的。現(xiàn)在，北極變得更加陰晴不定，甚至已經(jīng)在全球范圍內(nèi)引發(fā)了一系列連鎖反應(yīng)，而它所經(jīng)歷的這些變化很有可能是不可逆的。進(jìn)一步需要追問(wèn)的是，這些影響是否可以避免？

這個(gè)問(wèn)題的答案或許不是簡(jiǎn)單地“是”或“不是”。因?yàn)闅夂蛳到y(tǒng)的響應(yīng)滯后于大氣中二氧化碳含量攀升的速度，并且二氧化碳在大氣中的生命周期很長(zhǎng)，所以現(xiàn)在大氣中的二氧化碳含量已經(jīng)可以對(duì)未來(lái)的氣候系統(tǒng)造成影響。但是，如果人類很快做出響應(yīng)，迅速降低二氧化碳的排放，甚至研發(fā)能夠從大氣中提取碳的方法，那么未來(lái)北極變化的幅度和速度還是有望降低。

雖然目前兩種減緩溫室氣體的方法都取得了不錯(cuò)的進(jìn)展，但是對(duì)于降低大氣中的二氧化碳含量來(lái)說(shuō)，我們的貢獻(xiàn)還是太小，甚至可以說(shuō)有些為時(shí)已晚?，F(xiàn)在，我們正航行在未知的海域里，我們能做的或許只有隨時(shí)準(zhǔn)備好應(yīng)對(duì)極端異常情況。

（Scientific American 中文版《環(huán)球科學(xué)》授權(quán)南方周末發(fā)表，陳陽(yáng)翻譯）