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引发雷暴的火积云出现的原因


森林野火 图片来源:pixabay
野火“Bootleg”在俄勒冈州中南部肆虐,加利福尼亚州北部也深受野火“Dixie”所扰,熊熊大火烧毁了成千上万公顷的森林,并向空中排出滚滚浓烟。当浓烟上升到几千米的高空后,通常会跟随高速流动的风吹向其他地区,因此纽约市以及美国东海岸都笼罩在烟雾之中,这种运动类似于锋面携带湿气移动,并最终形成降雨。
但野火“Bootleg”的烟羽极高,达到了惊人的16千米,甚至超过了普通云层,这种情况是由密集植被导致的超级大火、当地干燥的天气条件以及高海拔地区云层较低共同作用的结果。火积云的出现往往意味着云层之下出现了大麻烦。火积云密度极高,足以改变当地的天气系统,产生下击暴流以及能够产生更多野火的雷暴。

烟羽 图片来源:pixabay
近年来,超大野火以及浓烟的出现屡见不鲜,随之而来的还有在其上空形成的巨大雷雨云砧。然而我们对这些令人叹为观止的“野火云”的成因、组成以及其对天气与气候的影响知之甚少。洛斯阿拉莫斯国家实验室(Los Alamos National Laboratory)的研究人员们结合了实地观察数据、实验室实验结果以及覆盖当地乃至全球的计算机模型,终于对2017年发生在加拿大不列颠哥伦比亚省以及2019-2020年发生在澳大利亚的超大野火的形成机制以及其对气候的影响有了更深的理解。
这一成果带来了两方面的好处,一是我们对气候变化的原因有了更深的了解,二是我们能够借此研发出更有效的计算机工具来对抗野火,并降低它造成的危害。
地狱的炙热呼吸
火积云的故事十分有趣。它只出现在最大型的野火上空,形成于比珠穆朗玛峰还要高的平流层之中,由翻滚的浓烟、湿气以及气体组成,如同地狱的炙热呼吸。火积云十分具有“攻击性”,它会释放闪电、甚至火龙卷,还能提高风速、助长火势,让野火进一步蔓延到其他地方。今年,加拿大不列颠哥伦比亚野火形成的火积云就产生了总计70万次闪电,相当于该地区平时一年的闪电发生次数。2017年,不列颠哥伦比亚野火曾在短短5小时内向低平流层输送了22万多吨的浓烟,在1天之内形成了5片火积云。

平流层 图片来源:pixabay
至此,事情也并没有结束。由黑碳以及其他物质颗粒组成的气溶胶被输送到距地表几英里高的平流层形成火积云,而火积云能够改变远离野火发生地区域的气候。烟幕会阻挡阳光到达地表或低层大气从而降低温度;而黑碳则会吸收太阳光,加热空气并使温度进一步上升。这一现象于1985年由来自洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)的Robert Malone发现,并已经由观测数据证实。新研究发现2020年的澳大利亚野火使得全球温度下降了约0.1华氏度,在对抗全球变暖的背景下,这一数值显得尤为重要。
为了改进野火与气候的计算机模型,研究人员们从不同的方面来研究不列颠哥伦比亚和澳大利亚野火,其中包括野火产生的灼热气体的分子组成、野火在某一特殊地貌上的蔓延方式、烟雾在大气中的变化,以及烟雾向全球扩散的方式。研究人员结合实验室实验结果以及气溶胶-气体法医实验中心(Center of Aerosol-gas Forensic Experiments)搜集的实地观测数据,对黑碳的释放,以及它与野火产生的有机气体的混合进行了研究。除此以外,他们还借助数据对HIGRAD、FIRETEC计算机模型进行验证、改进。研究人员能够借助这些计算机工具研究野火是如何蔓延,以及如何和大气相互作用的,并将研究结果整合到全球气候模型之中。
借助该多维度、跨学科的方法,研究人员能够模拟野火将树木、森林垃圾以及其他燃料转换成固体或液体颗粒,并形成云向远方扩散的过程。了解这些颗粒的变化是了解火积云的形成、变化周期以及它对环境影响的关键。
虽然研究工作尚在进行,研究人员已经了解到2017年不列颠哥伦比亚野火事件中,除了野火释放出的浓烟、气体和颗粒的作用外,水蒸气冷凝附着在颗粒上也会放出热量,使得烟羽高度进一步增加约3英里从而穿过平流层。令人意外的是,烟雾的质量仅有不到一半是来源于野火本身释放的颗粒,剩下的都是水蒸气在上升过程遇冷冷凝的结果。
对气候的混合作用
全球气候模型让研究人员能够在更大的范围上研究大规模烟气释放事件的影响。计算机模型中,太阳会加热烟气中的黑碳,而在平流层中太阳的加热会增加大气温度,这与我们生活在的对流层不同,平流层的气温并不是随着海拔的升高而下降,而是由于日照的原因保持稳定,这使得对流层的气象活动更活跃,而平流层则更平静。因此在对流层内,一周内就可以随着雨水回落到地面上的烟气在平流层中却可能停留数月甚至数年之久。
不仅如此,烟气中的黑碳能够吸收阳光提高气温,使得烟气进一步上升。计算机模型显示不列颠哥伦比亚野火产生的烟气高度达12英里,卫星观测数据也证实了这一点。经过观察,研究人员确认了该烟气在消散前在大气中停留了近5个月,相比之下,这算是比较短的停留时间了,这也使不列颠哥伦比亚野火产生的烟气对气候造成的长期影响较小,但其对当地空气质量造成的短期影响是不可小觑的。除此以外,沉降在雪层上、海洋中以及地表其他区域的黑碳则会加剧全球变暖以及冰川融化。 
研究人员已经开始对2019-2020年发生在澳大利亚新南威尔士规模更大、持续时间更长的超大野火进行建模。这场野火排入平流层的烟气量是不列颠哥伦比亚野火的4倍。初步分析数据显示,烟气的上升是由相同的火积云机制、西太平洋大规模的上升流以及太阳光加热引起的,高度超过15英里,停留时间长达1年半。
计算机模型并不能对大量黑碳以及气溶胶进入平流层产生的全球降温效应或气体本身造成的长期气候变暖效应进行准确的预测,这方面仍有许多的工作尚待完成。然而可以肯定的是,大型野火已经无法和气候变化、频繁干旱以及森林茂盛生长分割开来了。火积云将继续影响地面的火情以及头顶甚至更高地方的天气。我们对它了解越深,就能越好应对它带来的挑战。
撰文:Jon Reisner, Manvendra Dubey
翻译:先雨
审校:殷姝雅
引进来源:科学美国人
本文来自:中国数字科技馆
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