北冰洋是世界上最小、最浅且最寒冷的大洋。
北极变暖速度是地球其他任何地方的两到三倍，这意味着北冰洋将发生巨大变化。
变暖的海水正产生一些奇特的影响，从把部分物种推向更北的海域，到海带林在水下扩张。
它还让更多光线涌入，科学家发现极夜实际上对生态活动至关重要。
北冰洋面积略超1400万平方公里，是世界上最小、最浅的大洋，也是最寒冷的大洋。其中心附近漂浮着广阔的海冰，海冰在漫长、寒冷、黑暗的冬季扩张，并在太阳升得更高的夏季收缩。
每年通常在九月，海冰覆盖面积会缩减至最低水平。2020年的数值仅为374万平方公里，是42年来第二小的数值，约为1980年的一半。随着气候变暖，北极保留的海冰每年都在减少。
全球变暖的影响遍及世界各地，但没有哪里比北极更为显著。北极正在变暖两到三倍的速度，快于地球上任何其他地方，这将给北冰洋、其生态系统以及居住在北极的400万人带来深远变化。
其中一些变化出人意料。变暖的海水把部分物种推向更北的高纬度地区。变薄的冰层使更多人借助游轮、货船和科考船穿越北极。冰雪几乎可以完全遮蔽其下的海水，但气候变化正让更多光线涌入。
极夜中的人工光
光在北极非常重要。构成北冰洋食物网基础的藻类将阳光转化为糖和脂肪，养育鱼类，并最终养育鲸鱼、北极熊和人类。
在北极高纬度地区，隆冬时节太阳连续24小时位于地平线以下，这被称为极夜。在北极点，一年仅相当于一个为期六个月的白昼，之后是同样漫长的黑夜。
为研究海冰消融影响而开展工作的研究人员，于2006年秋季、峡湾封冻之前，在一处北极峡湾布设了系泊观测站，即带浮标的锚定仪器。2007年春季采样开始时，这些系泊装置已在原地工作近六个月，在漫长而严酷的极夜中持续收集数据。
他们的发现改变了一切。
黑暗中的生命
当时，科学家认为极夜完全无趣：这是一段生命蛰伏、生态系统陷入黑暗寒冷待机状态的死寂时期。人们对这些测量并不抱太大期望，因此当数据显示生命根本没有停歇时，研究人员颇感意外。
北极浮游动物（以藻类为食的微小动物）在冰下以及极夜最深沉的时段，参与一种被称为昼夜垂直迁移的活动。世界各大洋的海洋生物都会这样做：白天下沉至深处以躲避黑暗中的潜在捕食者，夜晚上浮觅食。
生物利用光线作为这一活动的信号，因此从逻辑上讲，它们在极夜期间本不应能够进行这种活动。现在我们认识到，极夜实际上是一片生态活动十分活跃的景象，生态活动。在昏暗中，日常生活的常规节奏依然持续。蛤蜊周期性地开合，海鸟几乎在全黑中捕食，幽灵虾和海螺聚集在海带林中繁殖，而像头盔水母这样的深水物种则会在天色暗到足以避开捕食者时浮出水面。
对于这一时期活跃的大多数生物而言，月亮、星星和极光很可能为其行为提供重要线索，尤其是在未被海冰覆盖的北极部分地区。但随着北极气候变暖以及该地区人类活动加剧，这些自然光源在许多地方将变得不可见，被强得多的人工光所淹没。
人工光
近四分之一的陆地面积在夜间暴露于散射的人工光之下，因为光线会从大气层反射回地面。真正的黑暗之地已所剩无几，来自城市、海岸线、道路和船舶的光线可远达外层空间。
即便在北极人口稀少的地区，光污染也十分明显。随着海冰退缩，航运路线、油气勘探和渔业活动延伸进入该地区，将人工光引入原本漆黑的极夜之中。
没有任何生物有机会真正适应这些变化，进化的时间尺度要长得多。与此同时，地球、月球和太阳的规律运动数千年来一直为北极动物提供可靠的信号。迁徙、觅食和繁殖等许多生物事件都高度依赖于这种温和而可预测的规律。
在一项近期研究中，研究人员在北极高纬群岛斯瓦尔巴（位于挪威大陆与北极点之间）开展调查，发现科考船的船上灯光至少能影响200米深处的鱼类和浮游动物。受突然侵入的光线惊扰，水下翻涌的生物反应剧烈：有的朝光束游去，有的则猛烈地向远处游开。
很难预测，新近穿越无冰北极的船舶所发出的人工光，会对那些已在黑暗中生活了比现代人类存在时间更长的极夜生态系统产生何种影响。快速增长的人类活动将如何影响该生态系统令人担忧，但研究人员也面临一些令人不安的问题。如果我们收集到的大量北极信息，来自停泊在灯火通明船只上的科学家，那么我们所报告的生态系统状态又有多少是“自然”的？
北极海洋科学即将迈入新时代，自主及远程操作平台能够在无任何光照的条件下运行，在完全黑暗中进行测量。
水下森林
随着海冰从格陵兰、挪威、北美和俄罗斯的海岸退缩，开阔水域的时段越来越长，更多光线抵达海底。过去被冰层覆盖了20万年的沿海生态系统，如今终于迎来阳光。这对海带等海洋植物而言可能是非常利好的消息。海带是大型褐藻，在冷水中、在有充足光照和养分的条件下茂盛生长。
海带固定于海底，并随潮汐和洋流漂浮，某些种类可生长至50米（175英尺），大约相当于伦敦特拉法加广场纳尔逊纪念柱的高度。但由于海冰的遮光作用及其对海底的刮擦效应，海带通常无法分布于最高纬度地区。
随着海冰缩减，这些茂密的水下森林将会生长并繁盛起来。不过，海带并非北极的新来者。它们曾是格陵兰传统饮食的一部分，而且极地研究人员和探险家在一个多世纪前就已在北部海岸观察到它们。
某些海带物种可能是在末次冰期之后定居北极海岸的，或从残存的小片避难所扩散开来。但与加利福尼亚等美国海岸那种绵延广阔的海藻带相比，北极的大多数海带林规模更小，且更局限于较深水域中的斑块状分布。
来自挪威和格陵兰的近期证据表明，海带林已在扩张，并正向极地方向拓展分布范围。随着北极变暖，这些海洋植物预计将变得更大、生长更快，并为物种创造更多栖息的隐蔽空间。北极海带林的全部范围在很大程度上仍不为人知且未经勘测，但建模分析有助于判断自1950年代以来它们在北极的分布变化与生长情况。
一个新的碳汇
尽管大型海藻形态各异，许多种类却与树木惊人地相似，它们具有长而似树干但柔韧的躯干，称为菌柄。海带林的冠层由扁平的叶状藻体构成，而固着器则像根一样，将海藻锚定在下方的岩石上。
某些北极海带种类可生长超过十米，并形成悬浮于水柱中的大型复杂冠层，冠层之下形成遮蔽而受保护的下层空间。与陆地森林十分相似，这些海洋森林为许多动物和鱼类提供栖息地、育幼区和觅食场所，包括鳕鱼、狭鳕、螃蟹、龙虾和海胆。
海带生长迅速，并像革质组织一样储存碳。那么，它们在北极的扩张对全球气候意味着什么？正如陆地森林的恢复一样，发展水下海带林可以通过将碳从大气中导出，帮助减缓气候变化。
更好的是，部分海带碎片会脱落，并被冲出浅海沿岸水域，进入深海，在那里它们实际上被移出了地球碳循环。沿着地球广阔的北极海岸扩展海带林，可能成为一个不断增长的碳汇，捕获人类排放的二氧化碳，并将其锁存于深海之中。
北极海带的情况相当独特，这些海洋森林在世界其他大部分地区正面临困境。总体而言，全球海带林的范围正处于下降趋势，原因包括海洋热浪、污染、气温上升，以及像海胆之类食草动物的爆发。
不出所料，并非全是好消息。扩张中的海带林可能会挤压高北极地区独特的野生动物。生活在冰下的藻类将无处容身，甚至可能彻底消失。更多温带海带物种可能会取代北极特有的海带，例如Laminaria solidungula。
但海带只是众多物种中的一类，随着冰层融化，这些物种正越来越深入地向该地区推进。
北极入侵
加拿大努纳武特北巴芬岛上的米尔恩湾，船舶通行量超过加拿大北极地区的任何其他港口。在开阔水域期间的大多数日子里，长达300米的船舶从港口装载附近玛丽河矿场的铁矿石驶离。每年有71至82艘船只途经该区域，其中大多数驶往或来自北欧港口。
游轮、海岸警卫队船只、游艇、科考破冰船、货运补给船，以及满载游客的硬质充气艇也穿行于该区域。前所未有的变暖和海冰减少吸引了新的产业及其他活动进入北极。庞德因莱特等社区的船舶通行量在过去二十年间已增至三倍。
这些船只从世界各地驶入北极，携带着在鹿特丹、汉堡、敦刻尔克及其他港口搭载的大量水生“搭便车者”。这些物种有些小到肉眼难以看见，藏身于为稳定船身而泵入船舱的压舱水中。它们还会附着在船体及其他外表面上，即所谓的“生物污损”。
部分物种能熬过航程抵达北极，并在压舱水排出及装货时被释放到环境中。那些仍牢牢附着在外表面上的物种，可能会释放卵、精子或幼虫。
这些生物大多无害，但有些可能是会造成危害的入侵新来者。加拿大的研究和挪威的研究已表明，海湾藤壶和橡子藤壶等非本地入侵物种能够在船舶驶往北极的途中存活。这对北极生态系统构成了风险，因为入侵物种是全球灭绝的主要原因之一。
航线扩展
对入侵物种的担忧远远超出了庞德因莱特社区。北极约有400万人口，其中许多人居住在沿海地区，这些地区为从北极红点鲑、环斑海豹到北极熊、弓头鲸以及数以百万计的迁徙鸟类在内的各类动物提供养分和关键栖息地。
随着水温升高，航运季节不断延长，西北航道和北方海航线（沿俄罗斯北极海岸）等新航线正陆续开通。一些研究人员预计，穿越北极点的跨北极航线可能在本世纪中叶前后变得可以通航。船舶通行量的增加加剧了被运入北极水域的生物数量和种类，而日益适宜的条件则提高了它们的存活几率。
预防是阻止入侵物种进入北极的首要途径。大多数船舶必须处理压舱水，采用化学或其他工艺处理和/或进行换水，以限制有害生物向新地点迁移。指导方针还建议船舶在船体上使用特殊涂层，并定期清洁船体以防止生物污损。但这些预防措施并不总是可靠，其在寒冷环境中的有效性知之甚少。
次优的方法是一旦入侵物种抵达，尽快将其检测出来，以提高根除或抑制的机会。但早期检测需要广泛的监测，而这在北极地区可能颇具挑战。留意新物种的到来，就如同大海捞针，不过北方社区或许能提供解决方案。
挪威、阿拉斯加和加拿大的研究人员找到了一种更容易的搜寻方法，即筛选出已在其他地方造成危害且能够承受北极环境条件的物种。其中近二十种潜在入侵物种在加拿大北极地区站稳脚跟的可能性很高。在加拿大北极地区站稳脚跟。
其中包括耐寒的红王蟹，原产于日本海、白令海和北太平洋。它于20世纪60年代被有意引入巴伦支海，以发展渔业，如今正向南扩散，沿挪威海岸和白海蔓延。它是一种体型庞大、贪食的掠食者，被认为与收获贝类、海胆及其他体型较大、移动缓慢的底栖物种数量大幅下降有关，并且极有可能在压载水运输过程中存活。
另一种是常见的玎螺（滨螺），它肆意啃食茂密的水生植物，使滨岸栖息地只剩下裸露或附着硬壳的岩石。它还在北美东海岸引入了一种寄生虫，导致鱼类黑斑病。该病会使成年鱼类体力衰弱、肉质变差而无法食用，还会导致幼鱼死亡，并使食用病鱼的鸟类和哺乳动物肠道受损。
追踪遗传痕迹
若这些新物种抵达蓬德因莱特，可能会影响当地人狩猎和食用的鱼类与哺乳动物。仅经过几年的航运，就已有少数可能为非本地的物种被发现，其中包括入侵性的红鳃泥虫（Marenzellaria viridis），以及一种具有潜在入侵性的管居端足类动物。这两者都已知会达到很高的密度，改变海底沉积物的特性，并与本土物种争夺资源。
运营玛丽河矿场的公司Baffinland正寻求将其年产量翻倍的铁矿石。若扩建计划推进，在无冰水域季节期间，将有多达176艘矿砂运输船经过米尔恩入海口。
尽管北极航运的未来仍不确定，但其上升趋势值得关注。在加拿大，研究人员正与航运活动频繁社区中的原住民合作伙伴开展工作，这些社区包括曼尼托巴省丘吉尔、努纳武特地区的蓬德因莱特和伊qaluit、魁北克省的萨卢伊特以及纽芬兰的奈恩，旨在建立入侵物种监测网络。其中一种方法是采集水样并检测其中遗传痕迹，这些痕迹来自鳞片、粪便、精液及其他生物材料脱落物。
这种环境DNA（eDNA）易于采集，有助于检测那些可能难以捕获或数量稀少的生物。该技术还增进了对沿海生物多样性的基线认识，在其他航运繁忙地区也是如此，这是探测未来变化的重要基础步骤。
利用环境DNA监测及其他采样方法，已在丘吉尔港检测到一些非本地物种，包括水母、彩虹胡瓜鱼以及一种入侵性桡足类物种。
作为北极理事会《北极入侵外来物种战略》的一部分，各方正努力在整个北极地区扩大该监测网络，北极入侵外来物种战略，以减少入侵物种的扩散。
北极常被称为气候危机的前线。由于其变暖速度迅速，该地区正遭受各种入侵，从新物种到新的航运路线无所不包。这些力量可能在当今在世之人的一生之内，彻底重塑这一海洋盆地：从冰封、星光照耀的壮丽景象，以及由高度适应环境的独特生物群落构成的生态系统，转变为截然不同的面貌。
北极的变化速度超过了科学家的记录能力。然而，也将出现一些机遇，例如不断增长的碳汇，这可能使生活在那里的野生动物和人类受益。并非我们变暖世界中的所有变化都完全是负面的。在北极，如同其他地区一样，既有赢家，也有输家。
