森林大火與浴缸中的氧氣有何關系？

2011年6月26日，住在美國新墨西哥州洛斯阿拉莫斯的馬克·溫克爾站在自家的門口，用望遠鏡看著巴耶斯火山口方向的森林大火。這場大火開始于巴耶斯火山口以東19千米左右的圣達菲國家森林公園，之后大量的燃燒物隨風飄到巴耶斯火山口保護區的森林東北部，點燃了那里。

盡管此時已經是凌晨1點半，吹著習習的微風，相對涼爽，但是溫克爾還是很擔心火勢。為了看得更清楚，溫克爾爬上了附近的一個山坡上。突然一股熱風撲面而來，他看到西北方向巴耶斯火山口附近，火焰翻滾著，高約10米的火舌四竄。更嚇人的是，他還聽到大火的方向傳來兩聲巨響，火焰一下竄得更高，并快速向西部和南部的峽谷蔓延。溫克爾明顯感覺到一股強烈的沖擊和非常明顯的熱浪襲來。隨即一股濃煙夾雜著燃燒物直沖云霄，就像一個高大的柱子，連接著天地。一些炙熱的、仍在燃燒的物質被帶到空中之后，被吹到了其他地方。而高聳入云的煙柱中各種物質的相互摩擦還制造了閃電，在煙柱的旁邊，火龍卷從大火中漸漸升向空中。溫克爾從未見過如此震撼的場面。

而由于巴耶斯火山口不是火災的最初起火點，因此消防專家預測，這場森林大火的過火面積頂多49平方千米，在27日早晨基本上就會熄滅。然而，當太陽升起時，它的過火面積已經達到了174平方千米，并且火勢并未減弱，甚至還威脅著周邊的城鎮，以及著名的洛斯阿拉莫斯國家實驗室。洛斯阿拉莫斯國家實驗室因研制出第一枚原子彈而聞名于世，那里還存放著大量的核廢料。如果大火蔓延到那里，后果將不堪設想。

萬幸的是，經過幾個星期的努力，這場大火最終停止了肆虐的腳步。根據當時的情況，火災專家認為火勢會很快得到遏制。但事實卻是這場大火最終過火面積大約630平方千米，1.8萬當地居民被迫離開家園，15人在大火中受傷，洛斯阿拉莫斯國家實驗室關閉一個多星期，它也成為了美國近幾十年來破壞力最大的森林大火之一。不僅如此，由于大火燒毀了大片的森林，當地生態環境被嚴重破壞，因此在隨后到來的雨季中，這片地區山洪爆發，威脅當地民眾的生命財產安全。

那么，是什么原因將這場本該很快熄滅的大火變成如此損失巨大的火災呢？這個謎團一直困擾著科學家們。

煙柱崩塌吹旺大火？

為解決這個問題，洛斯阿拉莫斯國家實驗室的科學家借助超級計算機，模擬了這場大火。在模擬中可以看到，大火燃燒一段時間后，大量的炙熱的煙灰、煙霧和碳氫化合物氣體隨著上升氣流被釋放到空中，形成一個煙柱，而煙柱的頂端就是一團紫黑色的云。當煙柱中的物質越來越多，變得比空氣重時，它就會崩塌，所有物質落回地面。而當這些物質落到地面時，就像一處建筑物被引爆一樣，滾滾的灰塵把空氣快速擠向四面八方，這就像一個風箱，把周圍的大火吹得更旺，使小型火災變成大火災。

這看起來似乎合乎常理。

但是我們都知道，那些煙塵和燃燒的樹枝之所以會升到空中，是因為大火燒熱了近地面的空氣，由于空氣的對流，這些熱空氣會向高空流動，因此才能將炙熱的物質帶到了空中的。要讓所有被帶到空中的物質瞬間落下，那么就得讓這些物質快速降溫，使空氣沒有上升的動力。然而科學家在模擬中發現，大火每秒鐘大約向大氣中排放2.3噸煙塵，這相當于每秒鐘就有一輛小轎車就被推到空中，可以想象，大火燒了幾個小時之后，被送到空中的“小轎車”已經非常多。要讓這么多物質快速降溫幾乎不可能。即使可以，如此巨量且稠密的物質在落到地面的剎那，地面的火應該會像關掉開關的電燈一樣熄滅才對。而事實是，這場大火并沒有就此熄滅，而是燃燒了好幾周。

因此，煙柱的崩塌不是加速大火肆虐的原因。科學家不得不改變思路。

流淌在山間的強氣流

長期以來，消防員們都認為，煙柱崩塌現象肯定是存在的，因為這種現象曾被看到過。但是科學家認為，目擊者的描述可能是不可靠的，因為他們站在地勢較低的地面，很可能無法看清大火中到底發生了什么。科學家推測，煙柱確實會產生，但是它與大火快速蔓延可能無關，不過煙柱崩塌給科學家提供了一個線索——它可能是被一股自上而下的強風吹散的，而制造大火的元兇很可能就是這股風。但是這一切發生在晚上10點到次日凌晨。這個時段通常云淡風輕，那股強風是哪里來的呢？

為了更細致地了解火災時到底發生了什么，科學家們再次進行計算機模擬實驗，這一次他們在模型中加入當地大氣層4.8千米到97千米的中層大氣的風量、當地的氣溫、地形的數據。

我們都知道，由于受到山勢的影響，高山之上的空氣流動變得不穩定，會形成湍流。此外，由于山頂之上和山腳之間高度不同，溫度、空氣密度和壓力都有所差別，因此山頂和山腳之間的空氣會垂直運動，山腳溫暖的空氣流向山頂，在山頂冷卻之后再向下運動，形成下行風。而發生火災的區域，山峰的海拔高度在3千米以上，從地形上看，可以形成這種下行風。科學家懷疑，那股強風就是因山勢而形成下行風。這似乎是說得通的，因為火災發生時，著火區域的空氣被加熱，這種垂直運動的速度會更快，形成的風應該會比平常更大。然而，模擬結果讓人有些失落。模擬顯示，要將煙柱吹散，并為大火助燃，需要每小時126千米以上的風，這相當于12級臺風的風速。但是當晚，氣象塔測到當地垂直流動的氣流速度要比這個數值低得多。這意味著，煙柱不是被從山頂吹下來的風吹散的，大火也不是被這股風給吹旺的。

至此，科學家的研究又回到的原點。

從浴缸里溢出的空氣

正當科學家們愁眉不展的時候，突然有人想到，如果把模擬的范圍再擴大，得到的結果可能更全面、更準確。

于是他們重新調整了模型，擴大了模擬地點的面積和時間。結果他們發現，火災發生前的幾天里，太陽下山后，巴耶斯火山口附近空氣逐漸冷卻，密度逐漸變大，并像往浴缸里注水一樣，聚集在火山口中。到大約晚上10點之后，稠密、富氧的空氣注滿巨大的火山口“浴缸”，無處盛放的空氣開始溢出，制造習習微風并吹向四周的峽谷。火災發生時，這種情況也出現了。但是微風顯然不是使大火快速蔓延的原因，把火吹旺的到底是什么呢？

經過進一步研究，科學家們發現，當從火山口吹來的風從峽谷一端吹入峽谷時，由于空間突然變小，峽谷兩側有峭壁阻擋，擠入峽谷的風會因為壓力而加速，這與過堂風的原理是一樣。平常這股被加速的風會直接吹過峽谷。

而大火發生的第一天晚上，火還沒有蔓延到火山口、以及其西側、南側的峽谷，按照火勢的蔓延趨勢，這場火應該會逐漸減弱。但是當從火山口中溢出富氧空氣時，火山口周圍的火像是被注入新能量，變得越來越旺。而經過一下午的燃燒，一些燃燒的物質也已飄到了西側和南側的峽谷，并且那里因為靠近火場也已被加熱。微風攜著大量氧氣的流入，使隱藏在那里的火種像蘇醒的火龍，點燃周圍的樹木。峽谷中的空氣被進一步加熱，風則被加速得比平時更快，而且這些風也不再像平常那樣規規矩矩地穿過峽谷，而是穿過峽谷的同時，帶著燃燒的樹枝像巨浪一樣翻滾起數十米高，點燃峽谷之上的樹木。就這樣，那些被預計不會燃燒的峽谷被一個個點燃，火勢得以快速蔓延。

這意味著，一場大型森林火災的制造者可能不是壯觀的煙柱崩塌，也不是劇烈的爆炸，罪魁禍首或許只是四處流動的空氣以及合適的地形。當然，這還只是科學家們得到的初步結果，其中還有一些問題沒有解決，不過他們相信這個觀點還是很可信的。

也許有人會問：一場美國的森林火災與我們有什么關系？事實上，科學家花費時間、精力和金錢來研究這場大火的制造者，并不僅是為了給它一個結論，而是為人們提供了一種新的思路——森林大火可能是可以預測的。當然，這個“預測”并不是說可以預測森林火災什么時候發生，而是通過火災發生地的地形及周邊的風速、空氣密度等數據，來預測大火在某一時刻可能會燒到哪里，在哪里火勢會快速蔓延等等，這對于保護人們的生命、財產安全也是有很重要的作用的。

本文源自大科技<科學之謎> 2017年第10期雜志文章歡迎您關注大科技公眾號：hdkj1997