北极可能是一颗甲烷定时炸弹——或者不是

我们已经只有​​很短的时间来抵御气候变化的最坏影响。如果之前稳定的碳储存突然释放到大气中，这个时间窗口可能会进一步缩短。许多气候科学家担心的一个大储存是永久冻土，即覆盖北半球约四分之一的冻土。政府间气候变化专门委员会在 2018 年的一份特别报告中警告说，永久冻土对我们未来的碳足迹带来了巨大的不确定性。

这种不确定性的根源在于永久冻土中储存的旧碳的命运。就像燃烧化石燃料一样，释放出储存在地球数千年的冻土中的碳可以迅速使我们的地球变暖。但科学家不确定这些碳主要是以二氧化碳的形式释放，还是以甲烷——一种更强大的温室气体的形式释放。

永久冻土是终年冻结的土壤。它包括富含有机物的沙子、岩石或黑土。从气候角度来看，这种富含有机物的土壤最为重要。数千年（在某些地方是数万年）以来，植物和动物死亡、腐烂，并作为有机物成为土壤的一部分。然后，当这种堆肥般的土壤冻结时，其中所含的所有碳都被锁在大气之外。

这使得永久冻土成为一个庞大的碳储存库。它横跨高纬度地区约七百万平方英里，含有约 1.5 万亿公吨的碳，大约是整个大气中碳含量的两倍。随着地球极地地区迅速变暖，这个储存库变得越来越脆弱。

当永久冻土融化时，微生物能够分解其中的有机物。在潮湿、通气的土壤中，这些有机物大部分会转化为二氧化碳。在潮湿、低氧的条件下，它会转化为甲烷，20 年间，甲烷使地球变暖的程度是二氧化碳的 86 倍。

研究估计，本世纪气候变暖可能会释放出冻土中储存的碳的 15%，因此了解这一风险非常重要。问题是，弄清楚这些冻土融化的速度有多快——以及它会释放哪些温室气体——是件棘手的事。

方程式的一部分是永久冻土融化的速度。大多数冻土融化得很慢——每年夏天，许多地方的永久冻土都会变得越来越薄。但有时，永久冻土的口袋会突然融化，这被称为“突然融化”。这个过程导致土地下沉，因为它不再被冰层支撑，侵蚀山坡并形成新的湿地和湖泊。由此产生的口袋状景观被称为热喀斯特。

上个月，气候科学家在《自然地球科学》杂志上报告称，这些突然融化的区域可能会大幅增加从永久冻土中的古老碳库中释放出的二氧化碳和甲烷的数量。在未来高排放的气候情景下，到 2100 年，突然融化的总面积将达到 160 万平方公里，到 2300 年将达到 250 万平方公里（分别为 60 万和 100 万平方英里）。虽然不到 5% 的永久冻土经历了这种突然融化，但它们产生的排放量几乎是逐渐融化区域的一半，而逐渐融化区域的面积要大得多。目前的气候模型不包括这种快速融化过程，但作者得出结论，将其计算在内可能会使之前估计的永久冻土融化碳排放量翻一番。

了解突然和逐渐解冻的相对量也可能揭示出产生了多少二氧化碳和甲烷。纽芬兰纪念大学的气候科学家 Marilena Geng 表示，当土壤逐渐解冻时，浸水的沉积物会位于仍处于冻结状态的层之上。由于水无处可去，该区域会失去氧气，从而促进产生甲烷的细菌的工作。在突然解冻的情况下，水会从土壤中流失，导致二氧化碳形成的比例增加。事实上， 《自然地球科学》的研究发现，在突然解冻的情况下，温室气体主要是二氧化碳，只有 20% 是甲烷（尽管这种气体贡献了 50% 的变暖）。

但另一项最新研究指出，我们对甲烷的了解还不够深入。在 2 月中旬发表在《科学》杂志上的一篇论文中，研究人员分析了 18,000 至 8,000 年前的南极冰芯，这一时期地球在上一个冰河时代之后正在回暖。利用冰中的气泡，他们可以量化那段时期大气中的气体。他们寻找不含放射性碳-14 同位素的甲烷，这种同位素天然存在于生物和最近腐烂的物质中，但会随着有机物质的老化而消失。由于永久冻土中含有非常古老的碳，因此由它形成的甲烷通常几乎不含碳-14。如果气泡中含有这种甲烷，那就表明冰川消融期经历了由永久冻土引起的甲烷繁荣。

但冰芯样本中的大部分甲烷确实含有碳-14，这意味着甲烷的来源并非永久冻土和其他古老的碳储存。在那段变暖时期，北极的温度比现在略高，研究人员得出结论，永久冻土中释放的甲烷非常少。

美国国家海洋和大气管理局地球系统研究实验室的碳循环研究员、这项研究的合著者艾萨克·维蒙特 (Isaac Vimont) 表示，研究结果表明，我们可能不会看到其他研究指出的全球变暖导致的甲烷爆发。“在某种程度上，我们可以说这些古老的碳库（如永久冻土）将保持稳定，”维蒙特说。“未来我们不知道。”如果温度继续上升到上次冰川消融期观测到的水平以上，我们可能仍会遇到甲烷的意外。

维蒙特和他的同事对他们的评估得出不同结论的原因提供了一种解释。虽然一些微生物在水浸环境中会呼出甲烷，但其他生物会吃甲烷并呼出二氧化碳。这样一来，并不是所有释放的甲烷都会进入大气。一些研究记录了北极海底甲烷渗漏的这一过程。利物浦大学生物地球化学家约书亚·迪恩在《科学》杂志的一篇随附文章中写道：“过去的甲烷释放速度比现代气候变化的速度要慢得多。”“这是因为甲烷是生态系统食物网中丰富的能量来源。”

当然，会有一些甲烷排放，目前确实有。但与天然气生产和燃烧等其他甲烷来源相比，这种排放可能并不显著。

不过，即使我们没有经历甲烷的突然激增，也并不意味着北极没有成为主要碳源的风险。永久冻土仍在因气候变化而消失。即使大部分都转化为二氧化碳，也有大量排放物从这些土地上飘出。耿说，二氧化碳相对较多并不一定更好。由于二氧化碳在大气中寿命长，因此它会比甲烷停留更长时间并使地球变暖。耿在谈到《科学》杂志的研究时说：“过去（冰川消融期间）的变暖表明，储存在永久冻土中的碳以二氧化碳而不是甲烷的形式释放出来。”“我们不希望永久冻土释放出碳或甲烷。”

无论是甲烷还是碳，北极额外碳污染的影响——令人惊讶的是！——也很难量化。这是因为，在某种程度上，随着冰的消失，更多的植物可以生根发芽，并开始自己储存碳。

但耿和阿拉斯加大学费尔班克斯分校的永久冻土研究员亚历山大·霍洛多夫仍然表示，我们正面临重大的气候反馈效应：永久冻土的碳排放将使地球变暖，从而导致更多的排放，进而融化更多的土地，等等。霍洛多夫研究阿拉斯加内陆的永久冻土，他说该地区与莫哈韦沙漠一样干燥。他说，永久的地下冰有助于在夏季保持该地区土壤湿润，促进植物生长。没有冰，这些景观可能会开始变得更像美国西南部。

耿和霍洛多夫表示，预测永久冻土未来的问题部分在于，永久冻土区位于偏远的苔原和北方森林之下，人类居住的地方很少，进入这片荒野很有挑战性。

但研究人员正在尽自己的一份力量来解决这个难题。基于她在格陵兰岛的实地研究，耿正在建立气温升高与冻土景观中甲烷生成量相应增加之间的相关性。这种关系可以纳入现有的气候模型中，她说这些模型通常缺乏有关这种气候反馈的信息。有了新的信息，也许我们可以更好地预算地球还能承受多少碳污染。

这很重要，因为等到维蒙特和美国国家海洋和大气管理局的研究人员开始在他们的大气监测站注意到旧碳的化学指纹时，已经太晚了。虽然我们可以通过停止燃烧化石燃料来停止甲烷排放，但一旦我们释放了强大的自然循环，我们就无法阻止它了。“如果有自然来源[释放甲烷]，就没有办法再封住它，”维蒙特说。“一旦它开始出来，就没有办法阻止它了。”