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看不見的「僵屍火」,在北極凍原燃燒了8個月


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- 2022年1月15日05時35分
- 科學文摘 /

2021年11月02日 09:50

新浪科技綜合


  我們印象中的阿拉斯加州布滿了積雪,不易著火,但現在由於氣候變暖,野火在高緯度的阿拉斯加州可以蔓延5個月之久。這裏還意外出現了約70起「僵屍火」——看起來已經熄滅的火焰。它們可以藏在半腐層中悶燒8個月左右,再在溫暖的季節重新沖出地面。這些複燃的「僵屍火」很有可能引發更嚴重的氣候問題。

  在這篇節選自《環球科學》11月新刊的文章中,蘭迪·揚特和艾莉森·約克將帶領我們來到遠在北極圈內的阿拉斯加州。

  撰文|蘭迪·揚特(Randi Jandt) 艾莉森·約克(Alison York)

  翻譯|楊玉潔

  2019年6月5日,異常早春雷暴的閃電引發了阿拉斯加中南部基奈國家野生動物保護區(Kenai National Wildlife Refuge)深處的一場大火。5月末的高溫完全改變了潮濕的春天,使森林的地面迅速變幹。隨著異常溫暖天氣的持續,斯旺萊克大火(Swan Lake Fire)無情蔓延了一個月之久。

  截至2019年7月9日,超過400平方千米的土地被焚毀。8月17日,強風改變了大火蔓延的方向,導致大量人員被迫撤離。大風還吹倒了電線,引發了新的火災,其中包括德什卡蘭丁火災(Deshka Landing Fire)和迅速蔓延的麥金利火災(McKinley Fire),這些火災燒毀了130多所住宅、商業用樓和附屬建築。不過幸運的是,沒有人遇難。


  燃燒的阿拉斯加。

  斯旺萊克大火一直燒到了10月,在680平方千米左右的土地被燒毀後,姍姍來遲的雨水終於幫助消防員控制住了這場大火。在大火持續的5個月內,當地警官不得不多次關閉當地唯一的交通要道——斯特靈公路。當地旅遊業的季節性收入損失達到了20%。衛生官員也提醒公眾,在6~8月三分之一的時間內,該州中南部地區(約60%的人口居住於此)的空氣中都存在「不健康」甚至「危險」的煙霧,這些煙霧含有損害肺部的微小顆粒物。

  冬天的雪和低溫緩和了火災的形勢,但2020年1月,一位負責打掃雪地車車道的工作人員報告,在曾發生德什卡蘭丁大火的地方出現了煙霧。當消防人員到達時,他們發現大火從未完全熄滅。它在地下悶燒了4個月,然後又沖出了雪層。而且當6月來臨,該州再次變得溫暖和乾燥時,曾發生斯旺萊克大火的地方也出現了煙霧;經曆了冬季和春季共8個月悶燒後,火焰重新燃燒了起來。

  由於氣候變化,這些「僵屍火」(zombie fires)——被認為已經熄滅但又複燃的火焰——正在不斷出現。2005-2017年,阿拉斯加州和加拿大西北特區的消防管理人員已經報告了48起僵屍火,也就是那些挺過漫長冬季的火。研究團隊還通過衛星圖像發現了20處沒有被記錄的僵屍火。

  火焰會複燃,是因為在北方生態系統中,樹木不是唯一的——甚至也不是主要的——燃料。在沒有樹木的苔原及其南部的北方針葉林表面上,覆有一層厚厚的有機物。這層致密的泥炭層被稱作半腐層(duff),是每年夏季死去的表層苔蘚和枯枝落葉的堆積物。由於高緯度地區氣溫低,堆積物的分解速度變慢,因此,經過數百年的累積,半腐層會變得越來越緊實和致密。而且半腐層的表面主要由羽毛狀的苔蘚組成,它們沒有根部或維管系統,而是直接從空氣中吸收水分。

  除了作為燃料外,半腐層還是地下凍土的絕佳隔熱體——以至於自更新世以來,它將阿拉斯加州大部分的地下土壤保持在冰凍狀態。每1厘米左右厚度的半腐層就能使下面的多年凍土層——保持冰凍狀態兩年或更長時間的凍土——冷卻約0.6℃。

  但是,野火正在改變這裏的地貌和生態系統。如果半腐層燒得足夠多,下面的多年凍土層就會融化,阿拉斯加州的部分地面就會變得柔軟、塌陷。植根於這片融化土壤的樹木會向各個角度傾斜,變得就像比薩斜塔一樣。

  火災燒毀隔熱表面層後地面會形成汙水坑,並露出多年凍土和冰楔,它們在阿納克圖沃克河火災後就發生了融化和坍塌。

  在北部高地,氣候變化使野火的發生頻率和規模都在增加。氣候變化使北部高緯度地區的夏季更長、更熱、更乾燥,冬季更短,從而使大片的森林土地和樹木變成了火絨匣(tinderbox),閃電或者人類的疏忽都很容易將其點燃。

  大量的野火也加速了氣候變化。高緯度地區厚厚的半腐層儲存了地球上所有土壤碳含量的30%~40%。2015年阿拉斯加州內陸地區的嚴重野火燒毀了約2萬平方千米的土地,從地上植被裏釋放了約900萬噸碳,從半腐層中釋放了約1.54億噸碳。這些排放的二氧化碳總量相當於2017年加利福尼亞州所有汽車和卡車的排放量。

  隨著更多的土壤解凍,半腐層下層中的冰也會融化並流失,從而使其變得更乾燥,更容易劇烈燃燒。這種反饋循環很有可能會擴大被燒毀的土地面積,惡化數百萬人的健康狀況,使氣候變化的速度史無前例地加快。

  濕潤的表象

  人們常常認為阿拉斯加地區蓋滿了積雪,不容易著火,但事實上,該州的大部分地區,尤其是內陸地區,屬於大陸性氣候,冬季漫長、寒冷,夏季溫暖且相對乾燥。雖然緩慢而持續融化的積雪,以及位於半腐層下方緊挨著的「活動層」——每年冬季又會重新凍結——都會在春季為綠植提供水源,但如果溫暖的天氣持續一兩周,半腐層的表面就會變得像沙漠一樣乾燥。

  阿拉斯加州內陸的針葉林地區以黑雲杉為主,這些小而生長緩慢的樹木會密集地排列起來。它們的枝條一直向下伸到半腐層中,成為了火災的梯子。作為7000年來阿拉斯加地區的主要針葉樹,黑雲杉已經適應了火焰;它們的球果聚集在樹的最頂端,並在火災後打開從而播散種子,這有助於重建生態系統。

  阿拉斯加州森林中主要是黑雲杉,但如果它們燃燒得足夠徹底的話,樺樹、楊樹等落葉樹便會出現,從而改變這裏的棲息地和生態系統。

  幾十年來,阿拉斯加州的消防管理人員一直在監測偏遠地區的小火種,並讓它們繼續燃燒,來重建這裏的生態系統。阿拉斯加州的大部分地區幾乎沒有需要保護的定居點或基礎設施,因此這是一種高性價比的方法,可以在很大程度上避免樹木過度生長或枯木過多的問題。這種方法還意味著在阿拉斯加州,研究人員可以在沒有人為干預的情況下,觀察氣候如何改變野火。

  此前,野火通常會燒死樹木,但不會深入到半腐層中,因為下層的水分阻止了進一步的燃燒。但在特別炎熱和乾燥的條件下,會發生嚴重的深度燃燒。這會使草地、灌木叢和落葉樹如馬賽克般出現,取代原本的雲杉。

  整個北極地區的升溫速度是溫帶地區的1.5~4倍。阿拉斯加州在過去50年裏升溫約2.1℃。這在很大程度上是海冰和陸冰消失導致的,因為這會暴露出更大面積的深色海洋和陸地,而它們能夠比冰或雪吸收更多陽光。

  與20世紀90年代相比,現在積雪要晚一周才形成,並早兩周就會融化,這使得半腐層在一年內乾燥的時間更長,火災季節比30年前至少長了一個月。2016年,阿拉斯加州創造了火災季節長度的紀錄:4月17日,在接近帕默(Palmer)的偏遠地區,消防員執行了57年來最早的一次火災跳傘行動。10月初,阿拉斯加林業部仍在安克雷奇(Anchorage)附近滅火;寒風吹過時,上空直升機吊桶中濺出的水都凍住了。

  在世界範圍內,高緯度火災越來越常見。2020年,在西伯利亞,有18 000多場火災燒毀了約14萬平方千米土地——這是令人震驚的數字。與10年前相比,如今俄羅斯薩哈共和國的火災季節延長了兩周,而且在西伯利亞,2021年7月的火災季節比2020年同期更長。2021年5月,冰島就發布了該國第一個野火危險警報。

  暴增的閃電

  黑雲杉燃燒後留下的生物質多是半腐層。半腐層非常緊湊,不過空氣很流通,是下方多年凍土的極好隔熱體。阿拉斯加地區的多年凍土分布廣泛,已有數萬年的曆史。但到本世紀末,阿拉斯加州預計將因氣候變暖而失去25%的多年凍土,而火災會加速這一過程。當隔熱層被燒到不足13厘米時,下面的多年凍土就會融化並大幅解體。在阿拉斯加州的中緯度地區,火災可能會導致過多的多年凍土融化,而這種融化永遠都無法恢複,除非再經曆一次冰河時代。

  火災導致融化的一個極端例子是2007年發生的阿納克圖沃克河火災(ARF),它燒毀了阿拉斯加州最北端地區(北緯70度的阿拉斯加北坡)1000多平方千米的苔原。而事實上,北極圈(北緯67度)內的火災非常罕見,此前研究者還沒有在如此北的地方記錄到如此嚴重的火災。

  2007年7月,閃電引發了ARF,它看起來似乎在8月就熄滅了,但它其實一直在沒有樹木的地下半腐層裏悶燒,然後在溫暖的9月重出地面。火焰在大範圍的區域內噴出滾滾濃煙,使遠處村莊的居民喘不過氣來。當地獵人說,煙霧擾亂了馴鹿的秋季遷徙。極度乾燥的秋季天氣使ARF深度燃燒,直達乾燥半腐層的深處,從而繼續悶燒至10月,直到湖泊結冰,大雪再次覆蓋該地區。最終,大火燃燒了超過1000平方千米的整片多年凍土。

  這場火災如此不同尋常。2008年7月上旬,研究團隊抵達ARF發生的地方。往年這個時候,阿拉斯加北坡通常是寒冷、多風、細雨蒙蒙的。然而,這次直升機卻降落在湛藍天空下一片焦黑的土地上,溫度達到了驚人的27℃。天氣又熱又幹,常見的成群蚊子不見了,取而代之的是成群的黑蠅(blackfly,屬於蚋科)。


  調查小組發現因溫暖而上升的氣團所形成的積雲,可能是引起雷暴的來源。氣候變化正在增加美國各地的閃電活動,而高緯度地區的變化最大。其中,北極圈內的阿拉斯加州的氣溫變暖最劇烈,這會使該地區的閃電急劇增加。

  2014年的一項研究預測,在美國,一個地區的氣溫每升高1℃,其周邊地區的閃電就會增加12%。2019年的一項分析顯示,在過去30年裏,阿拉斯加州範圍內的閃電增加了17%;在某些地區,這個數值高達600%。還有模型預測,到2050年,阿拉斯加州的閃電將增加59%,由閃電引發的野火增加78%,燃燒面積增加50%。

  植被的改變

  2008-2018年間,調查小組在ARF發生的區域收集數據,指出這裏發生了「蛻變」。在燃燒發生的區域,研究團隊每次都會記錄下植被覆蓋情況,並將金屬探針沿著許多橫斷面插入地下,測量活動層的厚度。他們發現,燃燒區域的解凍土壤每年都在變深;火災發生一年後,這裏的解凍土壤比燃燒區域外深10厘米,而4年後,則深了約19厘米。

  覆蓋高緯度森林地面的半腐層厚度可達約50厘米。

  盡管如此,這些測量卻無法體現出ARF地區地表發生變化的幅度。隨著多年凍土融化和水流失,整個土壤表面都在下滑並破裂。在阿拉斯加北坡,融化現象使土地變得不再穩固,出現了約61米寬的大坑——這種現象也被稱為熱融坍陷(thermokarstmass wasting)。此時,6萬年未見天日的地下冰楔重出地面,聞起來都是老舊的味道。

  為了繪制不斷變化的土地狀況,調查團隊使用機載雷達證實,地表下沉的深度從10厘米到100厘米不等。而且在燃燒區域的東半部,大部分地區的表面粗糙度(衡量沉降的一種方法)增加了兩倍,這使得地面上的通道更深,小土包更加高聳,表面積也更大。

  調查團隊在燃燒和未燃燒的地區都留下了探針,用來繼續記錄溫度。測量結果表明,燃燒區域約15厘米深處的土壤溫度平均每年升高約1.5℃,夏季最高溫度比未燃燒區域高約5.6℃。顯然,這種變暖會危及多年凍土,它也會影響將要占領該地區的植物。

  此前,這裏罕見高大灌木、禾本科植物和其它維管植物,但是ARF火災過去10年後,這些植物的數量急劇增加。與生長緩慢的苔蘚相比,這些新來者每年都會添加更多可作為燃料的幹枯落葉。這或許可以解釋為什麼在2017年,也就是2007年的那場火災過去10年後,在當時發生過燃燒的區域又出現了2個新的火災痕跡,每一個蔓延約40萬平方米。

  「碳匯」還是「碳源」

  研究人員正在努力鑽研北部高地火災所引發的後果。溫室氣體排放、空氣質量變差和基礎設施損壞等直接影響是顯而易見的。但可能出現的次生影響則很難預測。其中有一些是意料之中的,比如燒黑的地表會使夏季土壤變暖,地貌變得起伏,以及植被群的更新。而且隨著冰的融化,低窪地區會暫時變得濕潤,這有助於禾本科植物、灌木和落葉樹的茁壯成長。

  不過隨著時間的推移,灌木的大量生長會使地面變得更加溫暖。一方面,它們可以保留更多的雪,但這也會將地面與冷空氣隔絕開,被燒毀的斜坡和山脊會變得更乾燥,並加劇地下水的流失。另一方面,在北方針葉林中,棲息地和樹冠的變化也改變了動物運動的模式。對於溫暖土壤中的微生物而言,它們會分解半腐層和融化後的多年凍土中所儲存的碳,將其轉化為溫室氣體(包括甲烷)。

  根據全球生態系統模型的預測,到本世紀末,高緯度地區的火災可能會增加1~3倍。該地區無處不在的半腐層也會隨之釋放出大量的碳。這種轉變可能會將這裏從「碳匯」轉變為「碳源」,從而加劇全球氣候變化。

  在科學家著手這些任務的同時,阿拉斯加州的居民和消防機構正在制定戰略措施,試圖在日益加劇的火災情況下保護人員、基礎設施和自然資源。他們也在利用新技術(例如衛星圖像)做火災的早期探測、測繪和監控。


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