以火御火，讓火無(wú)路可走

提到森林山火，你的腦海里最先浮現(xiàn)出的是什么？

是那場(chǎng)燒沒(méi)10個(gè)紐約，創(chuàng)造過(guò)火面積紀(jì)錄的加州山火？還是那場(chǎng)持續(xù)數(shù)月之久，毀滅無(wú)數(shù)動(dòng)物家園的澳洲山火？

從山火中救出的考拉

（圖片來(lái)源：環(huán)球網(wǎng)）

野火肆虐是近年來(lái)常常看到的新聞。今年8月，重慶多個(gè)地方連續(xù)發(fā)生森林火災(zāi)，2萬(wàn)余名消防官兵歷時(shí)半個(gè)月，終于將野火撲滅。“極端高溫天氣導(dǎo)致的森林自燃是近期重慶山火頻繁的重要因素?！敝袊?guó)消防救援學(xué)院林火研究中心副主任、教授白夜表示。

其實(shí)，廣袤綿延的山林發(fā)生野火是一個(gè)必然的現(xiàn)象，也是自然進(jìn)行自我調(diào)節(jié)的一種手段。隨著人類(lèi)社區(qū)不斷靠近山林，山林野火對(duì)人類(lèi)生命和財(cái)產(chǎn)的威脅越來(lái)越大，對(duì)人類(lèi)的滅火能力提出的要求也就越來(lái)越高。

從根本上弄懂諸多影響因素，包括風(fēng)、氣溫、植被、地形、人類(lèi)活動(dòng)等，對(duì)山火的影響，是一件非常困難的事情。從科學(xué)角度講，野火不可預(yù)測(cè)，野火如何蔓延依然是謎，比如最猛烈的野火燃料不是枯枝、敗葉和干草，而是綠油油的針葉，這背后的原理依然讓科學(xué)家不解。

為了避免這樣的慘劇再次發(fā)生，物理學(xué)家找到了一些看似不可思議的方法來(lái)預(yù)防和撲滅野火。

大風(fēng)助火，小風(fēng)阻火

眾所周知，風(fēng)助火勢(shì)，物理學(xué)對(duì)這個(gè)現(xiàn)象也有較好的研究。其實(shí)，二者之間的關(guān)系并不簡(jiǎn)單。風(fēng)隨火生，風(fēng)助火勢(shì)，火與風(fēng)之間有正反饋關(guān)系，這是物理研究的難題。

烈火熊熊燃燒時(shí)，釋放能量，加熱空氣，空氣上升，下方的空氣補(bǔ)充進(jìn)來(lái)，助推火勢(shì)；就像農(nóng)村的土灶，空氣受熱后從煙囪排出，吸引空氣進(jìn)入灶內(nèi)補(bǔ)充熱空氣，讓灶底的火更旺。上升的空氣和風(fēng)之間的相互作用決定著植被的升溫速率，只有超過(guò)某一臨界點(diǎn)，植被才能被點(diǎn)燃，這決定了火災(zāi)蔓延的速度。

野火的主要燃燒物是干草、樹(shù)葉、樹(shù)枝等。很多野火中，樹(shù)干甚至不燃燒。這是為什么呢？

原來(lái)，細(xì)小的燃料表面積大，便于從熱空氣中吸收能量，將溫度升高至燃點(diǎn)以上，達(dá)到燃點(diǎn)，快速燒起來(lái)。

不過(guò)，燃料細(xì)小有時(shí)候也不利于燃燒。如果周?chē)諝獗热剂蠝囟鹊?，空氣反而容易將燃料冷卻。換句話說(shuō)，火災(zāi)引起的氣流反而阻礙其蔓延。比如，篝火盆外的草長(zhǎng)時(shí)間暴露在火的熱輻射中，但涼爽的氣流有效地阻止了它們到達(dá)燃點(diǎn)。

火帶動(dòng)涼爽空氣補(bǔ)充，反讓周?chē)刹莶荒軣?/p>

（圖片來(lái)源：wiggly wisdom）

野火的蔓延常被看作一堵火墻在前進(jìn)，風(fēng)使火墻向前傾斜，將前面的可燃物點(diǎn)燃。這種模型雖然簡(jiǎn)單，但是并不正確，因?yàn)榭諝饬鲃?dòng)的冷卻效應(yīng)會(huì)阻礙火墻前進(jìn)。

這好像與生活經(jīng)驗(yàn)不符，只見(jiàn)過(guò)風(fēng)助火勢(shì)，哪里有風(fēng)減火勢(shì)的道理？

這是因?yàn)轱L(fēng)要助火勢(shì)必須是比較大的風(fēng)，能使火焰傾斜，觸及未燃燒的可燃物。風(fēng)比較小的時(shí)候，上升的熱氣流反而會(huì)使火焰直立，妨礙火墻前進(jìn)。

所以，大風(fēng)助火，小風(fēng)阻火。

如果你面向正在蔓延的野火，你看到的不是一堵火墻，而是一座座彼此分離的火塔，如下圖所示。這樣的火塔就是氣流上升造成的。火塔烈焰騰空，煞是壯觀，但推動(dòng)火勢(shì)蔓延的是火塔之間的間隙。

沒(méi)有連續(xù)的火墻，而是座座火塔

（圖片來(lái)源：Silva Junior）

風(fēng)從燃燒植被的間隙中吹過(guò)，變成熱空氣，既為火塔補(bǔ)充空氣，使其更旺，又跑到火的前面，使火無(wú)法吸引涼空氣冷卻前面的草和樹(shù)葉等可燃物，導(dǎo)致其被點(diǎn)燃。

火向前蔓延時(shí)火線的形狀會(huì)影響風(fēng)向，進(jìn)而影響蔓延的速度。火向前移動(dòng)最快的部分一般呈馬蹄形。馬蹄越窄，更多的風(fēng)引向馬蹄側(cè)翼，火最前方的風(fēng)會(huì)減弱，蔓延速度就變慢。

草木在地面上的分布也會(huì)影響野火蔓延的速度。如果樹(shù)木間距比較大，野火從一棵樹(shù)的樹(shù)冠蔓延到另一棵樹(shù)的可能性會(huì)降低，要快速蔓延就需要更大的風(fēng)助攻。所以，伐樹(shù)是降低森林火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的常規(guī)做法。但是，這種做法會(huì)增加地表火災(zāi)蔓延速度。真是針無(wú)兩頭利，有一失必有一得。

放火防火和以火攻火

一種降低野火爆發(fā)風(fēng)險(xiǎn)的方法是，主動(dòng)放火，燒掉地面上的枯枝敗葉，這種行為叫作策略燒除（Prescribed burn）或控管燒除（Controlled burn）。策略燒除不僅減少了野火的燃料，降低了野火爆發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)，還能促進(jìn)某些樹(shù)種的發(fā)芽，增加土壤養(yǎng)分，維持生態(tài)平衡。

正在進(jìn)行策略燒除作業(yè)

（圖片來(lái)源：維基百科）

聽(tīng)起來(lái)簡(jiǎn)單，但是在實(shí)際操作中火是很難被控制的，所以策略燒除還是很有難度的，需要進(jìn)行精心的設(shè)計(jì)和控制。

2000年，美國(guó)國(guó)家公園管理局在新墨西哥州美國(guó)國(guó)家公園管理局洛斯阿拉莫斯進(jìn)行策略燒除作業(yè)，結(jié)果放火失控，導(dǎo)致200座住房被燒毀，大火蔓延面積達(dá)到190平方千米，還燒毀了洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的一些建筑，甚至威脅到那里存放的核物質(zhì)。美國(guó)花了3個(gè)半月時(shí)間才將火撲滅。

策略燒除一般會(huì)點(diǎn)起火線，通常會(huì)有多條火線，一條火線引起的氣流會(huì)影響其他火線。比如，在中等風(fēng)速下，火線可能會(huì)失控，但在上風(fēng)口另點(diǎn)一條火線，可以減弱到達(dá)下風(fēng)口火線的風(fēng)力，減弱火線的強(qiáng)度，以便控制。上風(fēng)口的火線燒到下風(fēng)口已經(jīng)燒過(guò)的地方，燒無(wú)可燒，也就滅掉了。

策略燒除作業(yè)者還可以根據(jù)風(fēng)力、風(fēng)向、火線間距等因素來(lái)操縱火線之間的空氣流動(dòng)，讓多條火線迅速融合在一起而滅掉。

策略燒除的原理甚至可以用于滅火，達(dá)到以火攻火之效，這次撲滅重慶山火的行動(dòng)中就應(yīng)用了此法。消防員在野火下風(fēng)口點(diǎn)起新火線，野火對(duì)空氣的擾動(dòng)反而讓下風(fēng)口的火線逆風(fēng)而燒，清除掉野火前面的燃料，讓野火停下前進(jìn)的腳步。

不過(guò)，這種操作要萬(wàn)分小心，必須對(duì)野火吸引空氣的強(qiáng)度有準(zhǔn)確的測(cè)算才可以，否則反而會(huì)釀成新的野火災(zāi)難。

結(jié)語(yǔ)

目前，科學(xué)家們正試圖建立起關(guān)于野火與空氣的基礎(chǔ)原理，但是由于野火的研究，實(shí)驗(yàn)條件難以控制，也難以重復(fù)，達(dá)到這樣的目標(biāo)絕非易事。不過(guò)，令我們感到樂(lè)觀的是，野火科學(xué)的基礎(chǔ)問(wèn)題研究不斷取得突破，提升了我們對(duì)于野火在各種條件下的行為預(yù)測(cè)能力，也改善了我們的滅火策略。

當(dāng)然了，對(duì)于野火的具體研究是科學(xué)家該做的事，作為普通人，大家可以從在出行游玩時(shí)避免攜帶火種進(jìn)山等小事做起，為預(yù)防野火貢獻(xiàn)自己的力量！

出品：科普中國(guó)

作者：瞿立建（防災(zāi)科技學(xué)院）

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽