气候危机下的格陵兰岛。2016年夏季，格陵兰冰盖的总量达到了自2002年有卫星观测记录以来的历史最低值。（东方IC/Barbara Dombrowski/图）
（本文首发于2018年4月26日《南方周末》,Scientific American 中文版《环球科学》授权南方周末发表，作者：珍妮弗·A·弗朗西斯（Jennifer A. Francis）陈阳 翻译）
北极正在发生剧烈变化，仅仅在过去三年，很多关于北极的记录已经被打破了，其中一些异常令人震惊。观测数据揭示了比预测更严峻的现实，我们模拟的结果似乎远远低估了北极正在发生的变化。
2003年，包括我在内的25位科学家似乎对北极的变化产生了某种顿悟。当时美国自然科学基金委员会邀请我们到蒙大拿州的长空之乡（Big Sky）参加一次讨论会。在这次会议之前，我们每个人都在开展关于北极的研究，但侧重点仅仅局限在各自研究的几个问题上。当共同分享了自己的研究进展后，大家惊讶地意识到：我们分别从不同的方向研究北极，但是这些不同的方向和内容所带来的进展存在着内在联系，方方面面的变化都能完美地契合在一起。北极的整个气象环境系统正在朝岌岌可危的方向演变，并且，阻止这种变化趋势的可能性已经微乎其微了。
在此前发表的一篇论文中，我们得到了令人震惊的结论，当然这个观点也极具争议性：以目前的变化速率推算，在一个世纪以内，北冰洋就有可能在某个夏季出现海冰全部消失的情况，这种情景在过去几千年来从未发生过。现在，我再次感到震惊，因为北极在夏季出现零冰层的现象很有可能在2040年前就会发生，这比我们十多年前的预测足足提前了60年。
北极正在向着科学家预想的情况演变，但是变化的速度将比最激进的预测还要快。而近期在北极发生的一些现象也是前所未有的，很多保持了几十年的纪录被打破，其中包括夏季海冰的消失程度、冬季海冰的减少量、北极气温升高的速率和北极地表的融化等等。
这样的趋势会给世界带来严重后果。在12.5万年前，北极的气候曾经出现过比现在稍微偏暖的情况，当时的海平面已经比现在的状态高4到6米了。一旦海平面达到这个高度，将会彻底淹没迈阿密、新奥尔良、弗吉尼亚海军基地、纽约的大部分地区，像硅谷、威尼斯、伦敦等世界上非常重要的城市和区域也会惨遭水淹。新的研究表明，北极快速增暖也可能使高空西风急流偏离原本正常的轨迹。这会导致灾害性的天气持续更长的时间。北美、欧洲中部和亚洲地区都会受到影响，几百万人口也会受到热浪、干旱或者风暴的持续侵袭。在气候变暖的大背景下，北冰洋南部的浮游生物正在大规模增长，这可能会导致维持当地商业渔业所需的食物链遭受破坏。当海冰大量融化以后，也会让体量巨大的淡水涌入格陵兰南部。这可能减缓墨西哥湾暖流的流速，进而导致大西洋东西两岸大陆上的天气趋势发生显著变化。
可是，是什么导致了北极出现如此严峻的变化？
北极地区对气候变化极为敏感。对于整个地球气候系统而言，北极就像是“煤矿中的金丝雀”（多年前，煤矿工人把金丝雀放入井下，检验矿井中有无有害气体和污染物）。过去几年中，一连串被打破的纪录成了坚实的证据，验证了过去几十年间令人紧张的气候模拟结果，而这也刚好切中了北极变化的要害。麻烦的是，观测数据揭示了比预测更严峻的事实，我们模拟的结果似乎远远低估了北极正在发生的变化。
仅仅在过去的40年中，北冰洋夏季的海冰面积就已经萎缩了一半。全年的海冰体量也在逐步下降。目前的体量仅为20世纪80年代早期的四分之一。科学家原本推测，至少要到本世纪中叶，北极海冰的体量才会减小到如此低的程度。
夏季海冰之所以快速消失，可以归咎于反馈效应（一种可以将原来比较小的变化迅速放大的恶性循环）。例如，当少量额外的热量融化了大洋表面洁白光亮的海冰后，更多颜色较深的海洋水体就会暴露在外，这会导致被冰面反射回太空的太阳辐射明显减少，换句话说，海表将会吸收更多的热量。被海表吸收的热量会继续加热该区域，融化更多的海冰，导致变暖进一步加剧。
在北极地区，冬季没有光照，但另一种反馈机制却会发挥作用。通常，漂浮在北冰洋海面上的海冰就像一块巨大的隔热板，阻挡了海洋中的水汽和热量向大气中输送。海冰减少后，更多的热量和水汽就会逸散到大气中，加热大气，延缓海冰的生成。在计算系统作推测时，整个模拟的过程往往会大幅低估海冰消失的速度，从而导致对未来变暖速率的估值偏向保守。
除了正在消失的北极海冰之外，另外两种“永久性极冰”的快速减少，也让我们和其他研究极地环境的科学家彻夜难眠。
其中一种是多年冻土，这种冻土本来应该全年都维持着冰冻状态，但现在它们开始消融了。建在多年冻土上的建筑物逐渐垮塌，生长在冻土上的树木在倒下，道路也开始弯曲变形了。当冻土封冻了几千年的有机质被释放出来后，细菌就会把它们分解成为二氧化碳（在有氧环境下）或甲烷（无氧环境下）。北极地区的多年冻土中，碳储量大约是目前大气中的2倍，因此多年冻土的大规模消融会给全球变暖的进程带来极大的影响，反过来，这个过程又会进一步加速冻土消融。很遗憾，目前计算机模拟并不能准确地还原冻土消融带来的影响，因此，科学家对全球变暖的预估严重低于真实进程。
第三种永久性极冰是在陆地表面结冻的水体，包括冰川和格陵兰地区庞大的冰盖，它们厚度可以在千米以上。与海冰融化产生的间接效应不同，这类极冰融化形成的径流在进入海洋后，会直接抬升海平面的高度，给全球所有沿海区域带来可怕后果。
2016年夏季，格陵兰冰盖的总量（通过卫星观测其对地球重力的影响来测算）达到了自2002年有卫星观测纪录以来的历史最低值。同时，这一年的冰盖总量也低于20世纪50年代末期以来用其他观测手段观测到的冰盖量。一份最新的研究表明，格陵兰地表冰盖加速融化与海冰减少导致的变暖也有紧密的联系。
海冰的减少和北极地区快速升温还产生了其他深远的影响。这两种变化会共同改变大气上层的风，从而将额外的热量和水汽从低纬度地区输送到北极。2012年，格陵兰地表冰层融化就是由于大气中一直维持着异常强盛的高压脊，也就是所谓的阻塞高压。阻塞高压不仅从南方带来了热量和水汽，还带来了北半球山火燃烧后的灰烬和颗粒。这些灰烬颗粒会令冰和雪的表面变暗（会降低冰层和雪面的反射率），导致冰雪表面吸收更多的太阳辐射，加速融化。这又会形成我们之前提到的恶性循环。
近几十年来，阻塞高压在格陵兰地区附近的发生频率越来越高了，夏季时尤为明显。从另一个侧面来讲，阻塞高压活动的增加，或许可以解释冰盖加速消融的现象。在当地，2016年夏季冰量的减少幅度可以排到有记录以来的第三位，仅次于2010年和2012年的海冰减少。我和同事们的最新研究表明，阻塞高压的频繁发生极有可能与全球变暖紧密相关。然而，计算机模拟还是很难比较真实地再现阻塞高压形成和崩溃的过程，因此也很难预测阻塞高压未来的变化趋势和特征。
北极的其他变化同样非常奇特。在过去两年的冬季里，北极点附近连续发生了破纪录的热浪事件，并且一次比一次偏暖。海冰的减少和变薄是部分原因，二者会导致海洋的热量更容易进入大气。高空西风急流的南北摆动也会将大量暖湿空气输送到高纬度地区，这些暖湿空气的量也一次次地突破了记录。科学家往往很容易忽略额外的水汽产生的影响。首先，水汽是一种温室气体，在北极干冷的大气环境中，即便额外增加微量的水汽都可以阻止大量的热量向外散逸。而且这些水汽在凝结成云的过程中还会释放凝结潜热，进一步加热大气。最后，云量增多会使更多的热量被困在云层下方的低层大气中，从而成为导致北极加速融化的另一种诱因。
从历史上看，目前北极的变化是人类经历过的最剧烈的一次。鉴于事实已十分明显，大气学家正在试图弄清北极的变化对人类社会和生态系统会产生什么样的影响。通过这些研究，我们可以做出合理的决策，有针对性地应对未来可能发生的现象。
在所有问题中，最明显的影响是沿海地区可能遭遇洪灾。根据“忧思科学家联盟”最近发表的一份报告显示，在20年内，美国大约有170多个沿海地区会定期受到洪水的侵扰。到本世纪末，如果各个国家依旧我行我素地排放二氧化碳，多数沿海大城市将经常遭受洪水的袭击。这份特别具有前瞻性意义的报告刚好是在哈维飓风、厄玛飓风和玛利亚飓风到来之前的几周发表的。相继到来的三场飓风也让当季成为美国历史上受灾最重、经济损失最大的一次飓风季。
现在，越来越多的证据表明，北极地区低层大气变暖可以影响对流层高层的西风急流，这种影响甚至可以到达平流层，那里恰好是形成环绕北极的涡旋风的地方。在蜿蜒的急流中，急流北侧的脊和南侧的槽会产生高压和低压中心，也就是我们在天气图上看到标记着字母“H”和“L”的地方。
急流的蜿蜒运动控制着北半球天气的形成和发展。不过，如果蜿蜒运动的幅度太大，频率太高，我们将会在数以十亿人生存的地区见到更频繁的极端天气。因为蜿蜒幅度较大的急流从西至东移动时，速度会减慢，这会使急流触发的天气现象在对应地区停留的时间变长。比如，连续不断的热浪、持续性的强降水等等，就像在2017年8月袭击了休斯敦的哈维飓风一样，它就是移动缓慢的飓风。此前，加利福尼亚州曾经历了异常强烈的山火季，这也跟蜿蜒运动有关。
急流的大幅度波动和北极的强烈变暖可以使极涡（在极地高空，为了保障在空气收缩下沉后质量依然连续，空气会向下沉区汇合，并在高空形成一个低压性质的涡旋，这个涡旋称为极地涡旋，也就是极涡）活动异常，这会造成封冻时间延长或者暴风雪时间延长。2018年1月初袭击美国北部地区的持续性严寒就是此类影响的一次实例。极涡的崩溃同样可以造成急流在南北方向上的大幅度摆动，这会将大量的暖空气输送到阿拉斯加甚至比这里更偏北的地区。因此，又会让相关地区出现不可思议的冬季热浪，并通过之前提到过的反馈机制加速北极变暖。一些研究表明，北极变暖与急流蜿蜒的形态密切相关。当然，其他研究则认为将二者联系起来的证据并不充分。
北极快速变暖很可能显著地改变陆地和海洋生物的栖息环境。事实上，这种影响已经开始显现。当海冰缩减后，浮游生物开始出现在一些高纬度区域，它们在原本过于寒冷的地区和季节里逐渐繁盛起来。这会吸引低纬度的鱼类向北极水域聚集，低纬度地区的鱼类资源则会大大减少甚至消失。
春天时，高纬度地区融雪时间提前已经导致当地的苔原提前变绿，虫卵早熟。迁徙的鸟类原本会通过白昼的长短变化、植被变绿的时间以及昆虫的活跃期来判断季节的变化，但是，提前变绿的苔原和提前孵化的昆虫会令在高纬地区觅食的鸟类面临障碍，因为它们抵达的时间很有可能晚于最合适觅食的时段。
与此同时，北极地区的居民也感受到了北极变化的影响。海冰的融化使他们无法在传统的打猎地区狩猎。原本受到沿岸海冰保护而免受海浪侵蚀的居住地也出现了问题，这些地区在海冰消融后都受到了大浪侵蚀的威胁。更麻烦的是，一些大国和大型商业公司开始涌入北极，试图获取海冰融化后带来的自然资源，他们会抢夺宽阔富饶的海床，进而造成国际关系紧张。
每当持久的极端天气在部分地区肆虐，或者关于北极的一些纪录再次被打破时，各位科研人员在长空之乡会议上展示的进展就会在的我脑海中重现。现在，就连我的邻居们都开始关注和谈论北极的变化了。调查显示，大多数美国人认为，北极冰的消失和急流突变等问题可以相互作用，共同引发变化无常的天气现象。
或许，曾经的北极可能会显得无情，但总体来说是稳定的。现在，北极变得更加阴晴不定，甚至已经在全球范围内引发了一系列连锁反应，而它所经历的这些变化很有可能是不可逆的。进一步需要追问的是，这些影响是否可以避免？
这个问题的答案或许不是简单地“是”或“不是”。因为气候系统的响应滞后于大气中二氧化碳含量攀升的速度，并且二氧化碳在大气中的生命周期很长，所以现在大气中的二氧化碳含量已经可以对未来的气候系统造成影响。但是，如果人类很快做出响应，迅速降低二氧化碳的排放，甚至研发能够从大气中提取碳的方法，那么未来北极变化的幅度和速度还是有望降低。
虽然目前两种减缓温室气体的方法都取得了不错的进展，但是对于降低大气中的二氧化碳含量来说，我们的贡献还是太小，甚至可以说有些为时已晚。现在，我们正航行在未知的海域里，我们能做的或许只有随时准备好应对极端异常情况。
