一场野火如何掀起 45,000 英尺高的火柱

2011 年 6 月 27 日，一位名叫马克·温克尔的房主站在门廊上，用望远镜观察着一场野火，这场大火正席卷距离他家几英里外的森林。这场大火始于 12 小时前，当时一阵强风将一棵白杨吹向了拉斯康查斯的一条电线。拉斯康查斯是一条徒步小径，位于一个 13 英里宽的火山口，名为大峡谷。大火已经烧毁了大约 7,000 英亩的土地，蔓延速度惊人，但考虑到强风和火灾季节的到来，这场大火也是可以预见的，火灾季节将持续到 7 月的季风最终将火势填满火堆。

在过去 20 年中，新墨西哥州这片干旱干旱地区曾遭遇过三次大火灾，当地人深知这次火灾十分危险。但现在是凌晨 1:30，大多数火灾在凉爽的空气中都能平静下来。当温克尔将望远镜对准火山口八条像辐条一样向外辐射的峡谷之一时，他看到了意想不到的东西：一堵黄橙色的墙沿着环绕大瓦莱斯火山口的杰梅兹山脉的南面延伸下来。

野火通常不会顺着山坡燃烧。它们会向上蔓延，火焰会烘干并点燃上方的新鲜植被。这团火焰在夜间顺着山坡直冲温克尔。他担心地爬上山坡，以便看得更清楚。在靠近山顶的地方，一股热风吹过他的胸口，他向西北方向望去，火焰的锋面像桶一样在 35 英尺高的火焰中滚动。他以前从未见过这种效果——很少有人见过。温克尔目睹了一场爆炸，这是一种强烈而突然的力量，其威力仅次于核爆炸，能够煮沸溪水、融化泥土、炸碎巨石。这场爆炸会产生一个可怕的 45,000 英尺高的烟雾和烟尘熔炉，旋转 400 英尺高的火龙卷，产生强大的上升气流和下降气流，在羽流中产生高处的闪电，并将余烬飞到近 25 英里外。

火灾专家曾预测，拉斯康查斯的火势将在一夜之间蔓延至 12,000 英亩。然而，等到太阳升起时，43,000 英亩的土地已化为白灰。现在，大火正向怀特罗克和洛斯阿拉莫斯两镇蔓延。由于担心会烧毁房屋，当局下令约 18,000 名居民撤离。一些专家在电视上表示，他们担心即将蔓延的火焰可能会蔓延到洛斯阿拉莫斯国家实验室，因为那里存放着数吨核废料。州、地方和联邦机构的消防员赶赴该地区，试图阻止或至少减缓火势蔓延。他们花了数周时间才阻止了火势的蔓延。

如今，东部火山口仍是一片焦土般的月球表面。距离洛斯阿拉莫斯实验室六英里，随着 4 号公路陡峭地攀升至火山口，古老的黄松林突然让位于一片广阔的枯树，这片土地如此贫瘠，以至于要想找到一根细于 4 英寸的树枝都得靠运气。即使是刚好在烈火范围之外的松树也被烤死了，针叶像窑一样干枯。最终，拉斯康查斯火山爆发成为近代历史上最猛烈的火山爆发之一。但是什么引发了这场爆发呢？

极端天气引发极端火灾。干燥地区的强风甚至可能将闷烧中的垃圾引燃成熊熊烈火。拉斯康查斯大火在数千年来最严重的干旱期间在茂密的森林中燃起，风速高达每小时 40 英里，离地面 20 英尺，推动火焰向前蔓延。

反过来，极端的野火也会形成自己的天气。当高温将烟雾升入空中时，它会形成一个对流柱，产生强大的上升气流。它携带着富含燃料的碳氢化合物，这是燃烧植被的副产品，可以像汽油蒸汽一样点燃。热量还会推动水分凝结成火积云。这些铁砧状的雷雨云位于烟柱之上，会产生极端湍流、下沉风，甚至冰雹，这些冰雹不是冷却火焰，而是通过产生更加不稳定的风来助长火焰。

22 年来，罗德·林恩一直在研究野火，并开发计算工具来揭开野火行为的奥秘。林恩负责洛斯阿拉莫斯国家实验室的火灾和大气研究。“有些领域的理解差距是如此之大，”林恩说着，用拇指捏着食指。这是四月中旬的一个下午，我们正坐在实验室宽敞的研究图书馆里。“对于火灾，”他伸出双手说道，“差距是如此之大。”

每年，美国有多达 10 万起野火烧毁 100 万至 1100 万英亩土地，其中大部分发生在干旱肆虐的西部和西南部（不过东部和东南部的火灾比例更高）。火灾夺走了数十人的生命（包括平民和消防员），并摧毁了价值数十亿美元的财产。联邦政府每年花费高达 22 亿美元用于扑灭火灾，大约是 25 年前的四倍。专家们列举了火灾加剧趋势的三个原因：气候变暖和干燥使森林成为易燃物；扑灭自然森林疏伐火灾的不明智做法，导致更多火灾日后再次燃起；以及现在生活在易燃地区的 1.4 亿美国人。大约 150 年前，这个数字接近于零，随着城镇进一步向荒野扩展，这个数字每年都在增长。“火灾可能一直都会爆发，”林恩说。 “但当火灾发生在人烟稀少的地区且消防员无需扑救时，后果并不严重。”

有时，人们似乎觉得山火越来越频繁。但事实并非如此。但它们的火势越来越猛烈，催生出一个超级大火时代，城镇被夷为平地，生命被夺，摄制组四处奔走。2013 年，加州 Rim 大火烧毁了 402 平方英里的土地。2013 年，亚利桑那州 Yarnell Hill 大火摧毁了一座城镇，19 名精英消防员被困在峡谷中身亡。这些火灾都是异常现象，是美国人对火焰恐惧的怪物。但它们的起因都是一样的，都是微小、微不足道的火焰，由于科学尚未描述的原因，在几个毁灭性的时刻转变为野蛮的爆炸。

拉斯康查斯大火发生大约四个月后，林恩和一些来自西南部各地的科学家参观了现场。他们所看到的景象完全符合一种极为罕见的现象，即柱状坍塌；专家们长期以来一直认为，这种现象发生在烟尘和煤烟堆积的塔变得非常重时，它会落回地面，形成一股强大的风，像风箱一样吹向周围的火。

林恩对此很感兴趣。无论爆炸的确切原因是什么，他现在有借口在自己的后院研究野火科学中最罕见的事件之一。而且他可以使用几乎没有其他科学家可以使用的东西：洛斯阿拉莫斯国家实验室提供的超级计算能力。他迅速组建了一个专家团队，并获得了实验室赞助的三年研究经费。这是二十多年前林恩开展研究时获得的同一种资助。当时，他的任务是危机预测。他使用超级计算机试图预测下一次大火将在何时何地燃烧。现在他将探索产生大火的力量。

四月的一个星期五，我见到了林恩在拉斯康查斯项目上的两位顶尖研究员：杰西·坎菲尔德，一位说话慢条斯理的芝加哥出生的流体动力学家，穿着破旧的卡哈特斯和登山靴；杰里米·索尔，一位说话快条斯理的地球物理学家，蒙大拿州人。我们围坐在图书馆的一张会议桌旁。穿过街对面的一排储物柜，实验室员工将手机存放在那里，以防被黑客入侵，消防站的无线电响起，播放着非紧急通话。

索尔站在白板前，在杰梅兹山脉的山峰上涂鸦，火焰从山峰上冲下来。他解释说，当火焰燃烧时，它会释放能量，将烟尘、烟雾和碳氢化合物气体推入大气。如果燃料被拿走——比如遇到水或岩石——它的能量就会突然消失。所有那些升起的东西，现在都比周围的空气重，现在可以回落到自身上，形成一股强大的风，引爆大火。

这种风的专业术语是密度气流，即重空气冲入轻空气。“在这种情况下，是一层稠密的空气在向下流动时产生了风，”索尔说。坎菲尔德仔细研究了野火科学文献，发现了其他爆炸事件，包括 1871 年的一次爆炸，几天内烧毁了 100 万英亩土地。密度气流很可能是造成这次爆炸的原因。但专家们只将一次火灾归咎于可能的柱子倒塌。那就是 1990 年亚利桑那州佩森市的杜德大火，造成六名消防员死亡。就像拉斯康查斯大火一样，大火沿着山坡向下蔓延。

为了验证塌陷引发拉斯康查斯大火的假设，研究人员动用了超级计算机。六个月来，坎菲尔德编写了火灾模拟程序，绘制了地形和烟柱。他们想从理论上知道塌陷烟柱产生的最高风力。在他的模拟中，你可以看到一朵墨紫色的云在拉斯康查斯地形上空升起，但由于云层下方没有火，所以云层会落下。当烟柱撞击陆地时，就像一座爆炸的建筑物卷起滚滚尘土，密度风的力量向四面八方涌出，产生高达每秒 131 英尺的地面风，足以引发爆炸。

坎菲尔德说：“这是概念验证。”

问题是，结果具有误导性。坎菲尔德知道这一点。他拿出一本写满数学符号的笔记本。他称这些符号为“书呆子的象形文字”。计算表明，在峰值强度下，Las Conchas 每秒向大气排放约 2.3 吨烟尘。“这相当于两个半小时内向空中发射了约 9,000 辆本田雅阁的重量，”索尔说，他对大火的威力之大感到惊叹。但那些本田车实际上推翻了这一假设。为了让所有重量同时落下，烟尘散失的热量必须快于减重速度。物理学表明，这个过程几乎是不可能的。因此，要使这根烟柱突然坍塌，大火必须像电灯开关一样突然熄灭。但 Las Conchas 并没有这样熄灭。爆炸前后都没有。事实上，它又燃烧了五个星期。

坎菲尔德的模拟不仅推翻了柱子倒塌引发拉斯康查斯爆炸的说法，而且这一教训可能也适用于 1990 年的杜德大火——以及任何其他归咎于柱子倒塌的爆炸。“消防员长期以来一直相信柱子倒塌是存在的，因为目击者的证词就是这么告诉他们的，”林恩说。“但目击者的证词是出了名的不可靠。科学无法证实人们在地面上看到的东西。”

因此，团队的主要（也是最令人信服的）怀疑对象竟然是一个恶魔。经过一年的工作，林恩的团队感到失望也是可以理解的。他们没有。“这就是科学，”坎菲尔德耸耸肩说。“你提出一个假设，然后着手推翻它。”随着消防界最顽固的神话之一被打破，他们继续前进。

到目前为止，团队已经确定了拉斯孔查斯火山的一些主要特征。其中之一就是索尔从他家门前台阶上发现的东西：一对反向旋转的涡流，沿着 45,000 英尺高的烟柱、灰烬和火焰的整个轴线向内翻腾。索尔说：“我被震撼了；看到那根柱子，我见证了我所有的理论科学在现实生活中的实现。”

这是星期六的早晨，我和他一起站在门廊上，他从小农舍向西望去，望向大山谷 (Valles Grande) 两旁被烧毁的树木，大山谷是距离约 12 英里的火山口，曾经是烟柱的所在地。他看到的漩涡形成了一个真空，很可能吸入了火焰，并产生了 400 英尺高的火龙卷。同样的“巨大垂直速度”，正如索尔所说，将松果从树枝上扯下，点燃它们，并将它们射向空中，风将它们吹到 2 英里外，在主火之前点燃了较小的火焰。较轻的碎片，比如松针，升到柱子的高度，并在几英里外下雨。一名目击者报告说，灰烬落在了 25 英里以西的地方。

在柱子的顶部，树木和灌木丛吸收的水分凝结成水和冰。当它们坠落到地面时，它们形成了巨大的下沉气流，将柱子推向地面。“这就是人们认为他们看到柱子倒塌的原因，”索尔说。“但实际上只是那些向下吹的强风。”

索尔滔滔不绝地谈论着反向旋转的涡旋，就像一个中年危机的人谈论古董劳力士手表一样。我们走进他的家庭办公室：一间漆黑的房间，里面有三个电脑显示器，飞盘和厚厚的物理书籍堆在一起。索尔知道涡旋可能不是爆炸的原因。他早些时候在白天也见过它们，大火发生在晚上 10 点到凌晨 3 点之间。“我们开始问自己，”他说，“什么样的气象现象会在夜间产生增强的风？”

在研究初期，该团队考虑了许多可疑因素，但最终将其搁置，转而研究柱状坍塌假说。现在他们又回到了天气研究和预报模型。该模型使用中尺度大气数据集——范围从 3 到 60 英里的天气系统，或大致相当于海风和海洋风暴的大小——并帮助气象学家创建每日预报。利用实验室的超级计算机，索尔和团队输入了 6 月 26 日和 27 日附近气象塔的风和当地温度测量值，以及山脉和峡谷等地形，并根据火灾规模调整预报。

计算机输出的结果类似于一张地形图，但对于大气来说，压力、风速和风向都标在了几个高度。6 月 26 日晚，索尔注意到了一个奇怪的模式。在距离大火 400 到 600 英尺的地方，在两个大气层的边界上，一个代表振荡压力的正弦波从杰梅兹峰顶开始，然后滚动并断裂，方向正是 Las Conchas 爆炸的方向：这是强风吹向峡谷的信号。

看着这张图，索尔意识到大山谷和弗里霍洛斯峡谷之间的通道是地形塑造山浪的典型例子。当低而稠密的空气挤在山峰和其上方的另一团气团之间时，山峰背风面就会形成这种风。随着压力的增加，空气会加速——就像卷曲软管中的水一样——并变成强风。众所周知，山上高度湍流的空气会导致飞机坠毁。但几乎没有人研究过山浪造成的表面气流。

能有人制造出炸毁 Las Conchas 火山的密度流吗？索尔认为这是可能的。于是他开始研究。他花了一年时间开发空气从火山口流向峡谷的模拟。他调出了最终的动画。它看起来像是用熔岩灯培育出来的彩虹。“看看这里，”他指着一条数字化的空气河挤过山口说道。

在他手指停留的地方，一股风从杰梅兹山坡上冲下来。在火场附近，空气翻腾，就像海浪拍打后泛起的泡沫。正如唯一已知的爆炸目击者马克·温克尔那天晚上报告的那样：空气像燃烧的桶一样翻滚。

最后，所有部件都完美地组装到位。除了一个部件。他们的模型测量的风速高达每秒 114.8 英尺。但在爆炸发生的那天晚上，当地气象塔测量的阵风最高只有每秒 26 英尺——远远低于山体波。“我们真的以为这就是原因，”索尔说。他关掉了动画。“但现在我们知道一定是别的原因。”

一天下午，我和坎菲尔德、索尔和林恩一起来到洛斯阿拉莫斯唯一像样的酒吧 Bathtub Row，这是一家小型酿酒厂，里面挤满了接受在拉斯康查斯大火留下的月球表面旁生活的科学家。啤酒很有帮助。

一股凉风从杰梅兹的某个地方吹来。“夏天的时候，每天晚上 9 点左右，我们都能听到风吹过树林的声音，”坎菲尔德说。“住在这里的人都会告诉你这件事。”

在确定爆炸不是由柱子倒塌、反向旋转涡旋或山体波引起的之后，团队再次回到第一步，这次他们向内看。他们调查了在这样的夜晚观察到的一种现象，当时他们在后门廊边谈论火，边喝啤酒。一天晚上，实验室的大气化学家 Keeley Costigan 无意中听到他们发泄沮丧。她一直在研究 Las Conchas 火灾中烟雾颗粒的分子组成。原来，她一直在从一座 150 英尺高的研究塔中提取数据，该塔位于爆炸点以北的一个未燃烧的峡谷中。该团队没有将其纳入他们的中尺度建模中。

好奇心驱使他们调出了塔台的数据。再一次，一个令人信服的模式出现了。在 6 月 26 日之前的五个晚上中，有三个晚上，恰好在晚上 10 点到凌晨 3 点之间，峡谷下方的微风以他们惊讶的速率吹来：大约每秒 26 英尺。“指纹匹配，”索尔说。

在火山爆发前的九个小时里，时速 40 英里的大风将拉斯康查斯大火的火势吹得又薄又窄，大约 6 英里长、1 英里宽。太阳落到火山口 11,000 英尺高的雷东多峰后，气温下降，风力减弱，大火正如预期的那样开始平息。

但随后，随着夜间空气冷却并变得更加稠密，它开始在火山口内聚集，就像水灌满 13 英里长的浴缸一样。晚上 10 点左右，这片稠密、富含氧气的空气溢出，产生了每秒 26 英尺的风，沿着峡谷飘荡。它们垂直于火势的路径吹向火焰。就这样，原本 6 英里长的沸腾的南部侧翼在龙息中醒来。

事实证明，罪魁祸首可能比任何人想象的都更狡猾、更安静。当团队弄清楚这一点时，他们的拨款几乎已经用完了。他们无法追查其他嫌疑人，但对他们来说，浴缸假说仍然是最合理的。它也可能是最有用的。索尔说：“大多数火灾爆发可能不是由罕见或不可预测的因素造成的，而是由相对常见的局部气象因素造成的。”

这意味着未来的火山喷发可能是可以预测的。这可以告诉我们如何扑灭野火。“我们无法准确预测火灾何时或何时爆发，甚至无法预测它是否会爆发，”林恩说。“但了解当地的天气模式可以告诉消防员，当火灾在某个时间在某个地方燃烧时，爆发是可能的。”

因此，消防员以及有时与他们一起工作的气象学家可以部署更复杂的模型来预测野火是否会演变成核火灾，危及生命和财产。

林恩喝着啤酒。在他身后，落日映照出无数被火烧毁的树木的轮廓。如果说拉斯康查斯有一线希望，那也是一线希望。洛斯阿拉莫斯再次发生爆炸的可能性很小。已经没有什么可烧的了。

凯尔·迪克曼 (Kyle Dickman) 曾是一名野外消防员，也是《在燃烧的边缘》一书的作者，该书讲述了 2013 年亚内尔山大火，那场大火导致 19 名精英消防员丧生。

本文最初发表于《大众科学》杂志2017年7/8月号极端天气期刊。