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熊熊大火何时休

今年，森林野火又一次在美国西部兴风作浪，科学家正在试图弄清楚大火的起因，以解决令人头痛的火灾问题。

撰文/Douglas Gantenbein

2002年7月，美国西部热浪滚滚。一场来势凶猛的森林大火把162万公顷的森林和灌木丛烧了起来着火面积是过去10年中平均值的2倍。美国负责野火协调的中心——地处爱达荷州首府博伊西市的国家跨部门消防中心一直处于高度警备状态，而2001年8月之前，防火警备线从没有达到最高级。美国农业部森林服务局早就料到，一旦发生火灾，将可能大大超过每年l0亿美元的防火预算，而其他一些土地征用机构也面临着巨大的经济损失。2002年似乎是火灾损失最惨重的一年。最糟糕的是，15人死于与火灾相关的事故中，其中5人因飞机机翼在半空中不慎失火脱离机体而死于空难。

火灾因何而起

森林火灾已经成为美国西部的一个典型特征。每年5月到9月，离地面1．2万米高的浓浓黑烟在新墨西哥州、亚利桑那州、华盛顿州、爱达荷州和蒙大拿州的上空弥漫着，黑烟之下有好几万公顷的森林被无情的大火吞噬。今年，其中几个州的森林大火已经使4万多公顷的土地受到了损害。例如，在科罗拉多州，毁灭性的Hayman大火将4万多公顷森林吞噬，经济损失高达4000万美元；在亚利桑那州，Rodeo大火和Chediski大火，共烧毁12万多公顷的森林。令人震惊的是，俄勒冈州发生的Biscuit大火使20多万公顷的森林化为灰烬，烧毁的面积比纽约市5个行政区的总面积还要大，而且这次火灾使1．7万人背井离乡。Biscuit大火造成的经济损失高达1．13亿美元，在火灾史上是损失最惨重的一次。

在这些令人震惊的火灾背后，隐藏着许多问题，如：森林管理方法不当，不能及时控制火情、严重的旱灾和人为的蓄意纵火等，这些都是导致火灾的原因。自20世纪60年代早期开始，森林火灾就一直持续升温，规模越来越大。当时蒙大拿州发生的Sleeping Child大火烧毁了1．13万公顷的森林，来势汹汹的大火让消防员倍感吃惊。而这种程度的火灾与现在的火灾相比却小得不值一提。

2000年的火情也十分严重，有324万多公顷的森林被烧毁，这使联邦政府如坐针毡，不仅仅是考虑l0月份支付上年夏季的消防费用，还有更多的事情需要作出计划。克林顿政府时期，每年拨款l8亿美元资助“国家防火计划”(NFP)。这笔钱都用于每年的消防设备购买和消防员雇佣上，同时还包括专门用于火灾调研的费用。该计划为从事火灾研究的科学家提供了很多帮助。

Kevin C. Ryan是蒙大拿市密苏拉县防火科学实验室的森林火灾问题专家，他的研究范围涉及了大火如何造成森林破坏以及火势蔓延等问题，其研究重点是找出方法来判断一棵树被大火烧毁后是否有存活机会，这不是单凭观察针叶烧焦的程度就能判断的。谈到媒体记者到现场抢新闻的事情时，Ryan说：“到目前为止，大部分关于火灾的报道都得到了好评。然而现在记者们的真正兴趣是，关注如何用科学方法来解释火灾之后将会发生的事情。”科学家正在研究大火的起因和造成的影响，甚至在火灾发生前预测火灾的规模和破坏程度。

另一个值得关注的领域是，研究大火如何燃烧以及蔓延的规模。2002年俄勒冈州、科罗拉多州、亚利桑那州以及其他州发生的火灾都是树冠火(crown fire)，这种大火来势凶猛，破坏力很强。火焰从树冠之间快速蔓延，根本就无法扑灭。树冠火不但可以轻松地穿越1．5米宽的防火道(70多年来，消防员一直使用斧头和鹤嘴锄组合的锹背单刃手斧挖掘防火道)，而且还能跨越几十米宽的河流。

树冠火是很少见的。在1910年到1920年期间，刚成立不久的森林管理服务局一发现火灾，就立刻派消防员步行到火灾现场，直接用毛毯将火扑灭。如今，大火一烧起来，火苗就可蹿到120多米高，温度高达l千多摄氏度，短短1个小时就可以使0．4公顷森林中的35吨可燃物化为灰烬。大火蔓延所形成的风速高达每小时160公里。更糟糕的是，大火可以彻底毁坏美国黄松，而这种黄松是美国西部的优良品种，一棵枝繁叶茂的大树可以逐渐形成资源丰富的森林，为各种各样的鸟儿、哺乳动物和昆虫创造美丽家园。虽然美国黄松是一种耐火的珍贵品种，但是遇到罕见的大火时，也难以抵抗。

Dyan解释说：“一旦发生了树冠火灾，美国黄松就没有复活的希望。而且火灾结束后，黄松的自然王国也就不复存在，取而代之的是容易燃烧的繁茂杂草和外来树种。

然而，研究毁灭性大火形成的原因，仍然是很难冒险的事情。防火科学实验室负责研究大火行为特性的专家就说过：”如果你在着火的树林之前种一些东西来作为实验标本是一种非常危险的行动，所有的数据必须采用遥控的方式来搜集。如飞机或人造卫星。”他指出，这些工具可以大概确定火灾的具体的位置，但在搜集详细资料的时候就作用不大。因此科学家需要其他的途径来获取详细资料。

从20世纪60年代早期开始，密苏拉实验室火势燃烧研究组就对多种森林火灾法行为特性进行了研究。在实验室里，有一个高26米的燃烧室，由一个很大的中央燃烧屋和两个小通风道组成。1960年到1970年，火灾研究院制作了一个精确的计算机模型，对风速和地形变化时的大火蔓延情况作出了解释。多年来，研究员一直想知道年轻力壮的空降灭火员如何能够采取有效行动。Rothermel的研究表明，消防员不可能逃离大火，因为大火沿山坡的爬升速度可达到每小时约11公里，远高于人在崎岖山路上拼命奔跑的速度。

科学家经常在密苏拉实验室的燃烧室研究大量的阻火剂，该试验室与保险商联合研究了一种新的水凝胶，将这种水凝胶涂在屋子的房顶和墙面上，可以保护房子免受即将接近的火灾毁坏。然而，燃烧室和计算机模型都有一定的局限性。燃烧室只能测试易燃的松树针叶和细刨花(用于包装的细长而弯曲的薄木屑)，模拟的火势太小，无法显示出大火的内部力学特点。而现在的计算机模型只能在非燃烧状态下改变风速和方向，换句话来说，这个模型无法测出大火自身造成的风速和风向。但是要想设计出更好的模型，就需要更准确的数据。然而，森林野火不可能等到研究结果出来之后才会燃烧起来。

喷火器的测试

最简单的测试方案是在一片空地上放置装有燃料的喷火器，并保证地势和天气情况能够使燃料在任何时间点燃井喷出火苗。1997年，Latham和同事在加拿大西北地区普洛维登斯城附近的一个偏僻地方，成功地完成了自己设计的树冠火测试。在国际树冠火模拟试验中，加拿大和美国的研究员建立了9个实验点，每个占地2公顷，栽种的是黑云杉和松树，松树的种类和黑松(易燃树木，美国多次严重火灾的罪魁祸首)非常接近。从事火灾研究的加拿大科学家赶在蒙大拿州工作人员到来之前进入了试验区，他们仔细地将易燃物进行了测量和秤重，以确定试验区里存在大量的可燃物质。如Latham所形容的那样"研究员跪在地上将尺子放进半腐烂的落叶堆中进行测量"。科学家将传感器、高速电影摄像机、视频相机、红外镜像仪和烟雾采样机等多种设备用金属线固定在试验区的周围。

接下来，轮到了演示的时间。研究人员开着一辆装有喷火器的敞蓬卡车沿着试验区的周围绕了一圈，对试验区进行喷火。试验的结果令人吃惊，大片树林在数分钟之内化为灰烬。摄像机将燃烧过程全部拍摄了下来，来自大火内部的图像显示出火焰骤然增强时发出的奇异光亮。从熊熊燃烧的树木上掉落下来的灼热灰烬还在不停地忽闪，看起来像是若隐若现的蚱蜢从镜头前跃过一样。反过来，这些细小的余烬被风一吹，又助长了附近火苗的蔓延。科学家在大火蔓延的路径上都备有诺梅克斯消防衣和银色防火器，但由于温度过高，这些设备都被融化蒸发了。

Lantham和同事于l998年和999年重返西北部的试验区，继续整理编辑试验中的数据，目的是为了让消防管理员更好地了解大火内部的火势强度以及蔓延的潜在可能性。例如，这个试验结果将要求类似Farsite模型的其他计算机模型(火势面积模型)提高性能。火势面积模拟程序是由防火科学实验室的计算机专家Mark A. Finney编写的，该程序根据区域的地势、易燃物和天气等数据，显示出火势的蔓延情况。Lantham和同事可以利用这些数据来研制更详细的火势模型，从而精确地显示大火中的细微变化如何影响大火的整体燃烧，这样将可以有效地指导消防管理员制定应对措施。

在加拿大进行的燃烧试验也可以帮助消防员在救火中降低危险系数。Bret Butler是防火科学实验室的机械工程师，他应用这些数据对“安全地带”必备的条件做了深入研究，以帮助消防员在火势凶猛时能够逃生。目前，安全地带的参数都是通过主观判断而定的，主要是消防员尽力寻找面积大、岩石多、潮湿或已被大火烧过的荒地，来阻止火势的蔓延。然而Butler发现，消防员与火之间的距离发生的任何细微变化都有可能影响逃生的机会。若消防员与身后高过人的火苗相距330米远，那他逃生的可能性就很大；若离火的距离为300米远，就有可能被烧死。Bulter说：“这是一个典型的非线性过程，距离的细微变化将会导致大火辐射的热量在向外传递的过程中增加4到5倍。”

随着时间的推移，电子技术给科学家研究森林防火问题带来了新的曙光。在今年5月雾蒙蒙的一天，防火科学实验室的研究员Colin C. HardY和蒙大拿州大学林学教授Lloyd P. Queen在实验室外进行研究。实验室外是一个像韩国饭店里流行的大型平底烤盘状装置，旁边还有一个浅水池，烤盘状装置被加热到22℃，水池被冷却到38．5℃，并用电线连接，以记录精确的温度。一架配有红外线传感器的Cessna式飞机在试验区上空盘旋，这样研究员可以把飞机上测到的温度与烤盘及水池的温度进行对比。

整个夏天，Quensl Hardy通过这种空中红外线传感器建立了一个精确的大火热辐射图像，以确定大火的灼热程度和燃烧持续的时间，并将这些数据与已知的火灾现场采集到的有关燃料和森林的数据进行比较。Hardy还希望通过从空气中搜集的数据来确定，一把火可以直接把树木烧死也可以仅仅烤焦树叶，而森林管理员也可以通过这些信息来决定是否抢救损坏的树木，或者任其自行恢复。

火焰的预测

遥控传感器——用红外线扫描仪或激光雷达(光探测仪)等类似的装置远距离研究大火的燃烧强度和热量辐射程度——很快就得到了推广使用。这些装置并不是最新的仪器，早在几年前，红外线成像技术就可以帮助森林管理员观察大火中的烟雾，来确定大火的具体位置和波及范围。卫星传输的图片也可以帮助分析这些因素。但Quen指出：“我们只能通过这些方法得到图片，而无法取得实际的数据我们需要做的不止是探测出‘这里着大火了’，而是希望能了解大火中的热学特点，这可能才是大火的威力所在。”火灾研究专家长期以来梦寐以求在大火燃烧之前掌握大火的规模和类型，因而朝这个目标更进一步是非常关键的。今年年初，研究员在实验室上建了一个白色的圆屋顶，内置有圆盘式卫星电视天线，用来跟踪美国航空航天局(NASA)于1999年发射的Terra卫星，“Terra卫星计划”属于一个长达l5年的研究项目，专门用来收集地球的数据。【参见2000年《科学》第7期】

Terra卫星每天在北美上空巡视三圈，每绕行一次，它的中分辨率成像光谱仪(MODIS)都要对地球表面进行扫描，观测地面的天气情况，如下雪、融雪或云层，还能测出每年春天青草的覆盖面积。MODIS通过l0米的分辨率还可以显示出着火地点，并将这些信息传送给地面实验室白色圆屋顶内的卫星接收天线，然后再传输到实验室二楼一间屋子里的一排服务器电脑中。这样，经过几分钟的卫星传输，研究人员就可以进一步更新卫星前一次传输的着火地点位置。

科学家利用MODIS传输的数据不但可以了解到火情消息，而且能够掌握大火中的燃料及火灾现场附近的数据、起火地点的地势和天气状况等信息。根据这些情况，科学家就能够在数小时之内通知森林管理员，即将发生什么样的火灾、毁坏情况如何以及灭火的最佳位置。科学家还可以确定，一把大火对需要用火烧又怕酿成火灾的地区造成的实际效应有多大。至少这些都是令人翘首期盼的前景。不论对消防管理员还是政治家来说，他们对将来使用计算机模型指挥现场的方式都感到非常满意。

然而，我们无法确定是否能够通过人工干涉的方式解决美国西部的火灾问题。如果任其自燃，不加干涉，造成的后果将不堪设想：首先是生态环境遭到严重破坏、珍贵的墨西哥花斑鹗、大角羊及美国黄松等动植物濒临危机。接下来就是无数人在大火中丧生，社会财产也损失严重。然而，大火一旦蔓延开来，投入多少人力和财力都无法阻止，今年夏天，众人关注的救火行动就是一个例子。目前可行的一个方案是让时间倒退，重返欧洲殖民者第一次将绵羊带到美洲大陆之前的年代，使森林恢复原状，然后部署森林防火系统，培养杰出的消防人员。

无论如何，在未来几年中，火灾都会对美国西部地区造成威胁，而且随着气候的变化，或许还会出现未曾预见的危害。但是，科学家正致力于研究火灾形成的原因，从而减轻火灾造成的影响。

【肖跞／译；赵辉／校】

两个森林的故事

大火散发的热量会导致天气变化，比如形成积云，积云产生的闪电将会点燃新的火源。

如果老树和新树之间的空隙很大，即使闪电引起的野火没有及时扑救，也不会发展成毁灭性的树冠火

大风将余烬吹向四方，又形成新的火源，树冠火不但能够跨越火道，甚至可以跨越几十米宽的河流。

如果森林底层散落的余烬、小树幼苗和灌木丛没有及时清理。这些所谓的“梯式燃料”就会使火苗窜到树梢。从而形成树冠火。并喷射出面达120多米的火焰。树冠火的温度高达1000多摄氏度。将消耗掉整片土壤的养分。使森林恢复原状的时间延长

两英寸厚的树皮可以保护美国黄松(西部主要的树种)免遭中小型火灾的破坏(左图)。树桩上的年轮(上图)记载着历史上大约每隔10年发生的火灾情况。