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火风暴

一场大火,如果吞噬房屋、夺人性命,便成了新闻;但如果它制造天气,那就是科学。

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消防员痛恨风。风可以让火苗熄灭成一缕青烟,也能让它咆哮成熊熊烈焰;风可以任意地让火向左或向右移动,甚至让它停下来打转。大自然的风变幻莫测,难以预测,它们是消防员最大的敌人。更何况,当条件合适时,火焰会吞噬氧气,从四面八方吸入,从而产生它们自己的风。这些风反过来又会产生一种奇特的自然现象:由火产生的微气候。存在于大气候系统中的奇特小气候系统,可以产生充满火焰和有毒气体的龙卷风。它们可以在晴朗无云的天空中形成巨大的雷雨云;它们可以降雨和闪电。

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所有这些奇观都始于从火中升起的热空气形成的柱状羽流。通常,强烈的盛行风会在这种羽流长大之前将其压制。但当火势特别猛烈而风力较弱时,羽流就能占据主导。“风是火灾最关键的天气因素,”美国国家气象局驻加州河滨市的气象学家 Margaret Gross 说。“它比任何因素都更能决定火势蔓延的速度。但当火势的能量大于风力时,这些巨大的羽流就能升入高层大气。这些就是通常会产生天气的火灾。”

Gross 说,要形成羽流,燃料载荷——树叶、树枝和灌木——必须很高,且水分含量要低。并且在 10,000 到 18,000 英尺之间的大气中必须存在一些不稳定性。在稳定条件下,缓慢下沉的冷空气会阻止羽流的形成,但不稳定大气中温暖的上升气流是羽流的主要滋生地。在这些条件下,充满热空气、烟雾、灰烬和有毒气体的羽流可以增长并产生巨大的热量。

随着热的、烟雾弥漫的空气上升,大气中的水分开始凝结在灰烬和烟雾颗粒上,为云的发展创造了合适的条件。通常形成的云是积雨云——雷雨云。这种云可以大得惊人。右边显示的云,来自 1993 年加州圣巴巴拉的一次火灾,其顶部达到了 38,000 英尺。

随着云层增长,水滴开始碰撞并合并,直到它们变得足够重,开始作为雨落下;圣巴巴拉的云在其他方面晴朗的天空中产生了 0.4 英寸的雨和数次闪电。不幸的是,这种云的降雨很少能扑灭火焰,因为雷雨云通常会随着风向下漂移,远离火源。

羽流也可以产生类似龙卷风的火旋风。就像在沙漠沙地上形成的尘卷风一样,火旋风是由热源产生的,例如刚刚烧毁、仍在闷烧的植被或燃烧的原木。同样需要一点不稳定性——温暖的上升气流来支撑旋风的上升。当轻微的盛行风弯曲时,可能是由于撞到悬崖或其他障碍物,圆形运动就开始了。地面的轻微坡度也可以增强这种环流。

这种旋风可以长到 300 到 400 英尺高,20 到 50 英尺宽。它们的速度为每小时五到七英里或更快,通常会在未燃烧的区域点燃新的火灾,并沿着曲折的路线移动。好消息是,火旋风的持续时间比普通龙卷风短得多,通常不会超过一分钟,直到它们扭离热源而消散。

夜晚的凉爽可以让羽流火再耍一个花招。由于地面比空气冷却得更快,地表附近的空气通常比高处空气冷却得更快。在横向环流受阻的峡谷或山谷中,这种冷却会产生夜间逆温层,在这种情况下,地表附近的冷空气被上方的暖空气困住。因此,在峡谷中燃烧的火可能会被部分窒息,因为冷夜空气形成的保护层会下降。

由于缺乏持续的氧气供应,火势会慢得像爬行一样,并在夜间消耗掉被困在逆温层下的氧气。但火并没有真正熄灭;相反,它正在积蓄力量,为早晨的爆发做准备。

Gross 说:“随着氧气的消耗,火势也在预热周围未燃烧的燃料。”火产生的热量会分解植物,释放出同样被逆温层困住的可燃气体。

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早晨,太阳开始加热空气;随着温暖的空气开始上升,逆温层破裂,火势得到大量新鲜氧气的补充。预热的燃料、氧气和可燃气体的结合,会让火势爆发。

正是这种多变性,让消防员痛恨“火灾天气”,尽管它对科学爱好者来说可能很迷人。事实上,在其培训课程中,加州林业和消防局会使用一段 1989 年在加州北部拉森县发生的一场大型野火期间的特别恶劣的火旋风的录像。一位内华达州里诺的电视记者正在准备他的报道时,一个巨大的火旋风在他身后约 100 码处形成。记者惊呼的声音可以听到,这个高大、咆哮的漩涡,抛洒着余烬和灰烬,冲过一条公路,撞上了三辆停着的消防车。录像的下一段展示了一群消防员正在争分夺秒地营救一位同事。他没有机会逃跑,被这股异常的旋风严重烧伤。

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