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森林大火与浴缸中的氧气

2011年6月26日,住在美国新墨西哥州洛斯阿拉莫斯的马克·温克尔站在自家的门口,用望远镜看着巴耶斯火山口方向的森林大火。这场大火开始于巴耶斯火山口以东19千米左右的圣达菲国家森林公园,之后大量的燃烧物随风飘到巴耶斯火山口保护区的森林东北部,点燃了那里。

尽管此时已经是凌晨1点半,吹着习习的微风,相对凉爽,但是温克尔还是很担心火势。为了看得更清楚,温克尔爬上了附近的一个山坡上。突然一股热风扑面而来,他看到西北方向巴耶斯火山口附近,火焰翻滚着,高约10米的火舌四窜。更吓人的是,他还听到大火的方向传来两声巨响,火焰一下窜得更高,并快速向西部和南部的峡谷蔓延。温克尔明显感觉到一股强烈的冲击和非常明显的热浪袭来。随即一股浓烟夹杂着燃烧物直冲云霄,就像一个高大的柱子,连接着天地。一些炙热的、仍在燃烧的物质被带到空中之后,被吹到了其他地方。而高耸入云的烟柱中各种物质的相互摩擦还制造了闪电,在烟柱的旁边,火龙卷从大火中渐渐升向空中。温克尔从未见过如此震撼的场面。

而由于巴耶斯火山口不是火灾的最初起火点,因此消防专家预测,这场森林大火的过火面积顶多49平方千米,在27日早晨基本上就会熄灭。然而,当太阳升起时,它的过火面积已经达到了174平方千米,并且火势并未减弱,甚至还威胁着周边的城镇,以及著名的洛斯阿拉莫斯国家实验室。洛斯阿拉莫斯国家实验室因研制出第一枚原子弹而闻名于世,那里还存放着大量的核废料。如果大火蔓延到那里,后果将不堪设想。

万幸的是,经过几个星期的努力,这场大火最终停止了肆虐的脚步。根据当时的情况,火灾专家认为火势会很快得到遏制。但事实却是这场大火最终过火面积大约630平方千米,1.8万当地居民被迫离开家园,15人在大火中受伤,洛斯阿拉莫斯国家实验室关闭一个多星期,它也成为了美国近几十年来破坏力最大的森林大火之一。不仅如此,由于大火烧毁了大片的森林,当地生态环境被严重破坏,因此在随后到来的雨季中,这片地区山洪爆发,威胁当地民众的生命财产安全。

那么,是什么原因将这场本该很快熄灭的大火变成如此损失巨大的火灾呢?这个谜团一直困扰着科学家们。

烟柱崩塌吹旺大火?

为解决这个问题,洛斯阿拉莫斯国家实验室的科学家借助超级计算机,模拟了这场大火。在模拟中可以看到,大火燃烧一段时间后,大量的炙热的烟灰、烟雾和碳氢化合物气体随着上升气流被释放到空中,形成一个烟柱,而烟柱的顶端就是一团紫黑色的云。当烟柱中的物质越来越多,变得比空气重时,它就会崩塌,所有物质落回地面。而当这些物质落到地面时,就像一处建筑物被引爆一样,滚滚的灰尘把空气快速挤向四面八方,这就像一个风箱,把周围的大火吹得更旺,使小型火灾变成大火灾。

这看起来似乎合乎常理。

但是我们都知道,那些烟尘和燃烧的树枝之所以会升到空中,是因为大火烧热了近地面的空气,由于空气的对流,这些热空气会向高空流动,因此才能将炙热的物质带到了空中的。要让所有被带到空中的物质瞬间落下,那么就得让这些物质快速降温,使空气没有上升的动力。然而科学家在模拟中发现,大火每秒钟大约向大气中排放2.3吨烟尘,这相当于每秒钟就有一辆小轿车就被推到空中,可以想象,大火烧了几个小时之后,被送到空中的“小轿车”已经非常多。要让这么多物质快速降温几乎不可能。即使可以,如此巨量且稠密的物质在落到地面的刹那,地面的火应该会像关掉开关的电灯一样熄灭才对。而事实是,这场大火并没有就此熄灭,而是燃烧了好几周。

因此,烟柱的崩塌不是加速大火肆虐的原因。科学家不得不改变思路。

流淌在山间的强气流

长期以来,消防员们都认为,烟柱崩塌现象肯定是存在的,因为这种现象曾被看到过。但是科学家认为,目击者的描述可能是不可靠的,因为他们站在地势较低的地面,很可能无法看清大火中到底发生了什么。科学家推测,烟柱确实会产生,但是它与大火快速蔓延可能无关,不过烟柱崩塌给科学家提供了一个线索——它可能是被一股自上而下的强风吹散的,而制造大火的元凶很可能就是这股风。但是这一切发生在晚上10点到次日凌晨。这个时段通常云淡风轻,那股强风是哪里来的呢?

为了更细致地了解火灾时到底发生了什么,科学家们再次进行计算机模拟实验,这一次他们在模型中加入当地大气层4.8千米到97千米的中层大气的风量、当地的气温、地形的数据。

我们都知道,由于受到山势的影响,高山之上的空气流动变得不稳定,会形成湍流。此外,由于山顶之上和山脚之间高度不同,温度、空气密度和压力都有所差别,因此山顶和山脚之间的空气会垂直运动,山脚温暖的空气流向山顶,在山顶冷却之后再向下运动,形成下行风。而发生火灾的区域,山峰的海拔高度在3千米以上,从地形上看,可以形成这种下行风。科学家怀疑,那股强风就是因山势而形成下行风。这似乎是说得通的,因为火灾发生时,着火区域的空气被加热,这种垂直运动的速度会更快,形成的风应该会比平常更大。然而,模拟结果让人有些失落。模拟显示,要将烟柱吹散,并为大火助燃,需要每小时126千米以上的风,这相当于12级台风的风速。但是当晚,气象塔测到当地垂直流动的气流速度要比这个数值低得多。这意味着,烟柱不是被从山顶吹下来的风吹散的,大火也不是被这股风给吹旺的。

至此,科学家的研究又回到的原点。

从浴缸里溢出的空气

正当科学家们愁眉不展的时候,突然有人想到,如果把模拟的范围再扩大,得到的结果可能更全面、更准确。

于是他们重新调整了模型,扩大了模拟地点的面积和时间。结果他们发现,火灾发生前的几天里,太阳下山后,巴耶斯火山口附近空气逐渐冷却,密度逐渐变大,并像往浴缸里注水一样,聚集在火山口中。到大约晚上10点之后,稠密、富氧的空气注满巨大的火山口“浴缸”,无处盛放的空气开始溢出,制造习习微风并吹向四周的峡谷。火灾发生时,这种情况也出现了。但是微风显然不是使大火快速蔓延的原因,把火吹旺的到底是什么呢?

经过进一步研究,科学家们发现,当从火山口吹来的风从峡谷一端吹入峡谷时,由于空间突然变小,峡谷两侧有峭壁阻挡,挤入峡谷的风会因为压力而加速,这与过堂风的原理是一样。平常这股被加速的风会直接吹过峡谷。

而大火发生的第一天晚上,火还没有蔓延到火山口、以及其西侧、南侧的峡谷,按照火势的蔓延趋势,这场火应该会逐渐减弱。但是当从火山口中溢出富氧空气时,火山口周围的火像是被注入新能量,变得越来越旺。而经过一下午的燃烧,一些燃烧的物质也已飘到了西侧和南侧的峡谷,并且那里因为靠近火场也已被加热。微风携着大量氧气的流入,使隐藏在那里的火种像苏醒的火龙,点燃周围的树木。峡谷中的空气被进一步加热,风则被加速得比平时更快,而且这些风也不再像平常那样规规矩矩地穿过峡谷,而是穿过峡谷的同时,带着燃烧的树枝像巨浪一样翻滚起数十米高,点燃峡谷之上的树木。就这样,那些被预计不会燃烧的峡谷被一个个点燃,火势得以快速蔓延。

这意味着,一场大型森林火灾的制造者可能不是壮观的烟柱崩塌,也不是剧烈的爆炸,罪魁祸首或许只是四处流动的空气以及合适的地形。当然,这还只是科学家们得到的初步结果,其中还有一些问题没有解决,不过他们相信这个观点还是很可信的。

也许有人会问:一场美国的森林火灾与我们有什么关系?事实上,科学家花费时间、精力和金钱来研究这场大火的制造者,并不仅是为了给它一个结论,而是为人们提供了一种新的思路——森林大火可能是可以预测的。当然,这个“预测”并不是说可以预测森林火灾什么时候发生,而是通过火灾发生地的地形及周边的风速、空气密度等数据,来预测大火在某一时刻可能会烧到哪里,在哪里火势会快速蔓延等等,这对于保护人们的生命、财产安全也是有很重要的作用的。

本文源自大科技<科学之谜> 2017年第10期杂志文章 欢迎您关注大科技公众号:hdkj1997

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