我们应对气候变化最严重影响的时间窗口已经很窄了。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小。许多气候科学家担心的巨大碳储存就是永久冻土，即覆盖北半球约四分之一的冻土。在2018年的一份特别报告中，政府间气候变化专门委员会警告说，永久冻土的存在给我们的未来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古老碳的最终去向。释放数千年来储存在地下的冻土中的碳，就像燃烧化石燃料一样，会迅速加剧地球变暖。但科学家们不确定这些碳是主要以二氧化碳的形式释放，还是以甲烷（一种更强的温室气体）的形式释放。
永久冻土是常年冻结的土壤。它可以包含沙子、岩石或富含有机质的黑色土壤。从气候角度来看，这种富含有机质的土壤最为重要。数千年来——甚至数万年来——动植物死亡、分解，成为土壤中有机质的一部分。然后，当这种类似堆肥的土壤冻结时，它所含的碳就被锁在地下，与大气隔绝了。
这使得永久冻土成为一个巨大的碳储存库。它分布在高纬度地区约700万平方英里，储存约1.5万亿吨碳，大约是整个大气中碳含量的两倍。随着地球两极地区迅速变暖，这个碳储存库的脆弱性越来越高。
当永久冻土融化时，微生物就能分解其中的有机质。在湿润、有氧的土壤中，这些有机质大部分会转化为二氧化碳。而在潮湿、缺氧的条件下，它则会转化为甲烷，甲烷在20年内对地球变暖的影响是二氧化碳的86倍。
研究估计，本世纪气候变暖可能导致永久冻土中高达15%的储存碳被释放，因此理解这种风险至关重要。问题是，要弄清楚这种冻土融化的速度有多快——以及它会释放出哪种温室气体——是很难的。
影响因素之一是永久冻土融化的速度。大多数冻土融化都很慢——在许多地方，永久冻土每年夏天都在变薄。但是，有时，永久冻土的某些区域会一次性融化，这被称为“突发性融化”。这个过程会导致地表下沉，因为地表不再被冰层支撑，还会侵蚀山坡，形成新的湿地和湖泊。由此形成的凹凸不平的地貌被称为热喀斯特。
上个月，气候科学家们在《自然地球科学》杂志上报道称，这些突发性融化区域可能会大大增加永久冻土中古老碳储存释放的二氧化碳和甲烷的量。在高排放的未来气候情景下，到2100年，突发性融化总面积将达到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）。虽然只有不到5%的永久冻土地区会发生这种突发性融化，但它们产生的碳排放量却相当于渐进式融化区域的两倍，而渐进式融化区域的面积要大得多。目前的气候模型并未包含这种快速融化过程，但研究人员认为，将其纳入模型可能会使之前对永久冻土融化造成的碳排放量的估计翻倍。
理解突发性融化和渐进式融化的相对比例，可能还能揭示二氧化碳和甲烷的产生量。纽芬兰纪念大学的气候科学家 Marilena Geng 表示，当土壤逐渐融化时，积水的沉积物会堆积在仍然冻结的层之上。由于水分无处可去，该区域会失去氧气，从而促进产生甲烷的细菌的活动。而在突发性融化中，水分可以从土壤中排出，导致产生更多的二氧化碳。事实上，《自然地球科学》的研究发现，在突发性融化情景下，温室气体主要是二氧化碳，甲烷只占20%（尽管甲烷贡献了50%的变暖效应）。
但甲烷的理解还有更多内容，正如另一项近期研究指出的那样。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18000至8000年前的南极冰芯——地球在最后一个冰河时代后重新变暖的时期。利用冰层中的空气样本，他们能够量化该时期大气中存在的气体。他们寻找不含放射性碳-14同位素的甲烷，碳-14天然存在于生物和近期腐烂的物质中，但在有机质老化时会消失。由于永久冻土含有非常古老的碳，由它产生的甲烷通常几乎不含碳-14。如果气泡中含有这种类型的甲烷，就表明这个解冻期经历了由永久冻土引起的甲烷爆炸。
但是，冰芯样本中的大部分甲烷确实含有C-14，这意味着它来自永久冻土和其他古老碳储存以外的来源。从那个变暖时期来看，当时北极比今天稍微温暖一些，研究人员得出结论，从永久冻土释放出的甲烷非常少。
NOAA地球系统研究实验室的碳循环研究员、该研究的合著者 Isaac Vimont 表示，结果表明，我们可能不会看到其他研究所指出的全球变暖引起的甲烷爆炸。“在某种程度上，我们可以说这些古老的碳储库（如永久冻土）将保持稳定，”Vimont说。“向前看，我们不知道。”如果气温持续上升到超过最后一次解冻时期所观察到的水平，我们仍然可能会遇到甲烷方面的意外。
Vimont及其同事对他们的评估得出了不同结论提供了一种解释。虽然一些微生物在水涝环境中会“呼出”甲烷，但其他生物会“吃掉”甲烷并“呼出”二氧化碳。这样一来，并非所有释放出的甲烷最终都会进入大气。一些研究记录了北极海底甲烷渗漏中的这一过程。利物浦大学的生物地球化学家 Joshua Dean 在伴随《科学》研究的一篇文章中写道：“古老甲烷的释放速度远慢于现代气候变化的步伐。这是因为甲烷是生态系统食物网中丰富的能量来源。”
当然，未来会——并且现在也正在——发生一些甲烷释放。但与天然气生产和燃烧等其他甲烷来源相比，这可能并不显著。
然而，即使我们没有经历甲烷的突然激增，这并不意味着北极不会成为一个主要的碳来源。永久冻土仍在因气候变化而流失。即使它主要转化为二氧化碳，这些陆地仍然会释放大量的排放物。Geng说，相对而言，更多的二氧化碳不一定更好。由于二氧化碳在大气中停留的时间长，它比甲烷更持久地留存下来并加剧地球变暖。“过去的变暖（解冻时期）表明，储存在永久冻土中的碳是以二氧化碳而不是甲烷的形式释放的，”Geng在谈到《科学》研究时说。“无论是碳还是甲烷，都不是我们乐于见到从永久冻土中释放出来的东西。”
无论是甲烷还是碳，北极地区额外碳污染的影响——不出所料！——也很难量化。这是因为，在某种程度上，随着冰的融化，更多的植物可以生根，并开始自己储存碳。
但Geng和阿拉斯加大学费尔班克斯分校的永久冻土研究员 Alexander Kholodov 仍然认为，我们正面临一个重大的气候反馈效应：永久冻土的碳排放会使地球变暖，导致更多的排放，从而融化更多的土地，如此循环往复。Kholodov研究阿拉斯加内陆地区的永久冻土，他称该地区和莫哈韦沙漠一样干燥。他说，永久性地冻土层有助于夏季保持该地区土壤湿润，促进植物生长。没有了冰，这些景观可能会变得更像美国西南部。
Geng和Kholodov说，预测永久冻土未来状况的部分问题在于，永久冻土地区位于人烟稀少的苔原和北方森林之下，人类住所很少，而且进入这些荒野地区可能很困难。
但研究人员正在努力解决这个难题。Geng根据她在格陵兰的实地研究，正在开发一种将气温升高与永久冻土地区甲烷产量增加之间的相关性。这种关系可以纳入现有的气候模型，她认为这些模型通常缺乏关于这种气候反馈的信息。有了新信息，我们或许就能更好地估算地球还能承受多少碳污染。
这一点很重要，因为一旦Vimont和NOAA的研究人员在他们的大气监测站发现古老碳的化学指纹，就为时已晚了。虽然我们可以通过停止燃烧化石燃料来停止我们的甲烷排放，但一旦我们释放出强大的自然循环，就无法阻止它。“如果你有自然来源（释放甲烷），你就无法再将其封堵住，”Vimont说。“一旦开始释放，你就无法阻止它。”
