宗华

追逐野火烟雾 科学家试图揭示其如何影响气候
2018-06-13 10:26

 

2017年夏天,来自附近野火的烟雾连续数周笼罩着蒙大拿州西利湖。 图片来源:KURT WILSON/MISSOULIAN

Emily Fischer可能是暑期计划被最新预报——美国西部大部分地区将面临更加严重的野火季——鼓舞的为数不多的人之一。联邦官员日前宣布,异常温暖的天气和干旱加上足够的干草和灌木丛,将为这个夏季的野火肆虐创造最佳条件。

此次预报让地方官员作出最坏的打算。但对于科罗拉多州立大学大气科学家Fischer来说,它代表了一个机会。Fischer正准备利用整个暑假乘坐一架塞满科学设备的C-130运输飞机穿越野火烟雾。这是一项史无前例的努力的亮点所在。该项目耗资3000多万美元,涉及飞机、卫星、载有仪器的货车,甚至是徒步穿行的研究人员。在接下来的两年里,两个协作项目—— 一个由国家科学基金会(NSF)资助,另一个由美国宇航局(NASA)以及国家海洋和大气管理局(NOAA)资助,旨在更好地了解野火烟雾的化学及物理学特性,及其如何影响气候、污染空气和损害人类健康。

“毫无疑问,这是迄今规模最大的火灾试验。”项目首席科学家之一、NOAA地球系统研究实验室大气化学家Carsten Warneke表示,野火烟雾“是探寻空气质量和气候问题所面临的最大问题之一”。

在美国西部,随着野火的范围和强度不断增加,该问题正日益严重。一项2016年发表于《气候变化》杂志的研究表明,在超过联邦清洁空气标准的日子,野火产生的微粒物质占到该地区总量的2/3。同时,未来几年,全球变暖可能引发更多火灾,因为荒地会变得更加易燃。上述研究还显示,到本世纪中叶,生活在美国西部大部分地区的8000多万人经历的“烟浪”次数将增加57%。“烟浪”可能连续两天或者更多天将一个社区遮蔽,给公共健康带来的后果可能是惨痛的。烟雾包括大量可能导致呼吸困难并且引发疾病的有毒化合物和微小颗粒。美国林务局研究人员表示,美洲其他地区以及欧洲、非洲、亚洲和澳大利亚可能经历相同的由气候驱动的野火数量激增。

尽管造成了潜在威胁,但野火烟雾极少受到科学界持续关注。上述两个最新项目旨在改变这一点。今年,由NSF资助的包括Fischer在内的团队打算乘坐载满设备的C-130穿越15~20个野火烟雾流。明年,NASA和NOAA的研究人员将利用能在美国烟雾缭绕的天空进行搜寻的更大飞机——DC-8喷气式飞机。

其中一个目标是盘点野火释放的化学物质,包括氮氧化物和一氧化碳以及各种挥发性有机化合物。Warneke介绍说,预测烟雾化学构成的现有模型在很大程度上依赖于卫星观测,而这会产生很大误差,部分原因在于目前并不确定野火会毁灭多少植被。最新研究将来自卫星、飞行器和检查燃烧地点的地面研究人员的数据结合起来,应当能帮助调整这些估测结果。

研究人员还将利用C-130追逐升空24小时内的烟流,以便确定烟雾在大气中弥散时其化学性质发生何种变化。他们尤其希望获得被燃烧植被释放的氮发生了什么的更确切画面,包括多少氮被转变成对地面臭氧有贡献的氮氧化物。地面臭氧是一种受到监管的污染物,会令呼吸问题恶化。Fischer表示,此类数据或能帮助回答一些问题,比如“如果野火在西北太平洋地区燃烧,对科罗拉多州的空气质量意味着什么?”

研究人员还计划追踪气溶胶的进化。气溶胶是一种微粒物质,能散射或者吸收太阳光线,并且在形成气候方面扮演重要角色。他们想观察烟流同云层碰撞时的情况,以便更好地了解两者是如何相互影响的。烟雾颗粒通过充当冰粒的核改变云层形成,从而可能影响到天气。反过来,云层湿度也能影响烟雾化学性质。这些结果能帮助改善天气预测。

夜晚,温度下降会导致烟流向凹地沉降,从而使那里的空气质量恶化。NOAA和NASA的研究人员将利用飞机、货车和无人机追踪这些烟流。该项目还将涉及乘坐DC-8飞行到美国西部以外的地区——深入中西部和东南部追踪火灾烟雾。这些烟雾由故意放火以清理农田或者在森林中进行的计划火烧产生。Warneke介绍说,采集如此大范围数据的目的是“一次弄清整个画面并且理解整个事情是如何相互作用的”。(宗华编译)

《中国科学报》 (2018-06-13 第3版 国际)

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