追逐野火煙霧科學家試圖揭示其如何影響氣候

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2017年夏天，來自附近野火的煙霧連續數周籠罩著蒙大拿州西利湖。 圖片來源：KURT WILSON/MISSOULIAN

Emily Fischer可能是暑期計劃被最新預報——美國西部大部分地區將面臨更加嚴重的野火季——鼓舞的為數不多的人之一。聯邦官員日前宣布，異常溫暖的天氣和干旱加上足夠的干草和灌木叢，將為這個夏季的野火肆虐創造最佳條件。

此次預報讓地方官員作出最壞的打算。但對于科羅拉多州立大學大氣科學家Fischer來說，它代表了一個機會。Fischer正準備利用整個暑假乘坐一架塞滿科學設備的C-130運輸飛機穿越野火煙霧。這是一項史無前例的努力的亮點所在。該項目耗資3000多萬美元，涉及飛機、衛星、載有儀器的貨車，甚至是徒步穿行的研究人員。在接下來的兩年里，兩個協作項目—— 一個由國家科學基金會（NSF）資助，另一個由美國宇航局（NASA）以及國家海洋和大氣管理局（NOAA）資助，旨在更好地了解野火煙霧的化學及物理學特性，及其如何影響氣候、污染空氣和損害人類健康。

“毫無疑問，這是迄今規模最大的火災試驗。”項目首席科學家之一、NOAA地球系統研究實驗室大氣化學家Carsten Warneke表示，野火煙霧“是探尋空氣質量和氣候問題所面臨的最大問題之一”。

在美國西部，隨著野火的范圍和強度不斷增加，該問題正日益嚴重。一項2016年發表于《氣候變化》雜志的研究表明，在超過聯邦清潔空氣標準的日子，野火產生的微粒物質占到該地區總量的2/3。同時，未來幾年，全球變暖可能引發更多火災，因為荒地會變得更加易燃。上述研究還顯示，到本世紀中葉，生活在美國西部大部分地區的8000多萬人經歷的“煙浪”次數將增加57%。“煙浪”可能連續兩天或者更多天將一個社區遮蔽，給公共健康帶來的后果可能是慘痛的。煙霧包括大量可能導致呼吸困難并且引發疾病的有毒化合物和微小顆粒。美國林務局研究人員表示，美洲其他地區以及歐洲、非洲、亞洲和澳大利亞可能經歷相同的由氣候驅動的野火數量激增。

盡管造成了潛在威脅，但野火煙霧極少受到科學界持續關注。上述兩個最新項目旨在改變這一點。今年，由NSF資助的包括Fischer在內的團隊打算乘坐載滿設備的C-130穿越15~20個野火煙霧流。明年，NASA和NOAA的研究人員將利用能在美國煙霧繚繞的天空進行搜尋的更大飛機——DC-8噴氣式飛機。

其中一個目標是盤點野火釋放的化學物質，包括氮氧化物和一氧化碳以及各種揮發性有機化合物。Warneke介紹說，預測煙霧化學構成的現有模型在很大程度上依賴于衛星觀測，而這會產生很大誤差，部分原因在于目前并不確定野火會毀滅多少植被。最新研究將來自衛星、飛行器和檢查燃燒地點的地面研究人員的數據結合起來，應當能幫助調整這些估測結果。

研究人員還將利用C-130追逐升空24小時內的煙流，以便確定煙霧在大氣中彌散時其化學性質發生何種變化。他們尤其希望獲得被燃燒植被釋放的氮發生了什么的更確切畫面，包括多少氮被轉變成對地面臭氧有貢獻的氮氧化物。地面臭氧是一種受到監管的污染物，會令呼吸問題惡化。Fischer表示，此類數據或能幫助回答一些問題，比如“如果野火在西北太平洋地區燃燒，對科羅拉多州的空氣質量意味著什么？”

研究人員還計劃追蹤氣溶膠的進化。氣溶膠是一種微粒物質，能散射或者吸收太陽光線，并且在形成氣候方面扮演重要角色。他們想觀察煙流同云層碰撞時的情況，以便更好地了解兩者是如何相互影響的。煙霧顆粒通過充當冰粒的核改變云層形成，從而可能影響到天氣。反過來，云層濕度也能影響煙霧化學性質。這些結果能幫助改善天氣預測。

夜晚，溫度下降會導致煙流向凹地沉降，從而使那里的空氣質量惡化。NOAA和NASA的研究人員將利用飛機、貨車和無人機追蹤這些煙流。該項目還將涉及乘坐DC-8飛行到美國西部以外的地區——深入中西部和東南部追蹤火災煙霧。這些煙霧由故意放火以清理農田或者在森林中進行的計劃火燒產生。Warneke介紹說，采集如此大范圍數據的目的是“一次弄清整個畫面并且理解整個事情是如何相互作用的”。