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看不见的“僵尸火”,在北极冻原燃烧了8个月

来源:新鲜事521❤   浏览量:2   发布日期:2021-11-06

我们印象中的阿拉斯加州布满了积雪,不易着火,但现在由于气候变暖,野火在高纬度的阿拉斯加州可以蔓延5个月之久。这里还意外出现了约70起“僵尸火”——看起来已经熄灭的火焰。它们可以藏在半腐层中闷烧8个月左右,再在温暖的季节重新冲出地面。这些复燃的“僵尸火”很有可能引发更严重的气候问题。

2019年6月5日,异常早春雷暴的闪电引发了阿拉斯加中南部基奈国家野生动物保护区(Kenai National Wildlife Refuge)深处的一场大火。5月末的高温完全改变了潮湿的春天,使森林的地面迅速变干。随着异常温暖天气的持续,斯旺莱克大火(Swan Lake Fire)无情蔓延了一个月之久。

截至2019年7月9日,超过400平方千米的土地被焚毁。8月17日,强风改变了大火蔓延的方向,导致大量人员被迫撤离。大风还吹倒了电线,引发了新的火灾,其中包括德什卡兰丁火灾(Deshka Landing Fire)和迅速蔓延的麦金利火灾(McKinley Fire),这些火灾烧毁了130多所住宅、商业用楼和附属建筑。不过幸运的是,没有人遇难。


看不见的“僵尸火”,在北极冻原燃烧了8个月

燃烧的阿拉斯加

斯旺莱克大火一直烧到了10月,在680平方千米左右的土地被烧毁后,姗姗来迟的雨水终于帮助消防员控制住了这场大火。在大火持续的5个月内,当地警官不得不多次关闭当地唯一的交通要道——斯特灵公路。当地旅游业的季节性收入损失达到了20%。卫生官员也提醒公众,在6~8月三分之一的时间内,该州中南部地区(约60%的人口居住于此)的空气中都存在“不健康”甚至“危险”的烟雾,这些烟雾含有损害肺部的微小颗粒物。

冬天的雪和低温缓和了火灾的形势,但2020年1月,一位负责打扫雪地车车道的工作人员报告,在曾发生德什卡兰丁大火的地方出现了烟雾。当消防人员到达时,他们发现大火从未完全熄灭。它在地下闷烧了4个月,然后又冲出了雪层。而且当6月来临,该州再次变得温暖和干燥时,曾发生斯旺莱克大火的地方也出现了烟雾;经历了冬季和春季共8个月闷烧后,火焰重新燃烧了起来。

由于气候变化,这些“僵尸火”(zombie fires)——被认为已经熄灭但又复燃的火焰——正在不断出现。2005-2017年,阿拉斯加州和加拿大西北特区的消防管理人员已经报告了48起僵尸火,也就是那些挺过漫长冬季的火。研究团队还通过卫星图像发现了20处没有被记录的僵尸火。

火焰会复燃,是因为在北方生态系统中,树木不是唯一的——甚至也不是主要的——燃料。在没有树木的苔原及其南部的北方针叶林表面上,覆有一层厚厚的有机物。这层致密的泥炭层被称作半腐层(duff),是每年夏季死去的表层苔藓和枯枝落叶的堆积物。由于高纬度地区气温低,堆积物的分解速度变慢,因此,经过数百年的累积,半腐层会变得越来越紧实和致密。而且半腐层的表面主要由羽毛状的苔藓组成,它们没有根部或维管系统,而是直接从空气中吸收水分。

除了作为燃料外,半腐层还是地下冻土的绝佳隔热体——以至于自更新世以来,它将阿拉斯加州大部分的地下土壤保持在冰冻状态。每1厘米左右厚度的半腐层就能使下面的多年冻土层——保持冰冻状态两年或更长时间的冻土——冷却约0.6℃。

但是,野火正在改变这里的地貌和生态系统。如果半腐层烧得足够多,下面的多年冻土层就会融化,阿拉斯加州的部分地面就会变得柔软、塌陷。植根于这片融化土壤的树木会向各个角度倾斜,变得就像比萨斜塔一样。


火灾烧毁隔热表面层后地面会形成污水坑,并露出多年冻土和冰楔,它们在阿纳克图沃克河火灾后就发生了融化和坍塌。

在北部高地,气候变化使野火的发生频率和规模都在增加。气候变化使北部高纬度地区的夏季更长、更热、更干燥,冬季更短,从而使大片的森林土地和树木变成了火绒匣(tinderbox),闪电或者人类的疏忽都很容易将其点燃。

大量的野火也加速了气候变化。高纬度地区厚厚的半腐层储存了地球上所有土壤碳含量的30%~40%。2015年阿拉斯加州内陆地区的严重野火烧毁了约2万平方千米的土地,从地上植被里释放了约900万吨碳,从半腐层中释放了约1.54亿吨碳。这些排放的二氧化碳总量相当于2017年加利福尼亚州所有汽车和卡车的排放量。

随着更多的土壤解冻,半腐层下层中的冰也会融化并流失,从而使其变得更干燥,更容易剧烈燃烧。这种反馈循环很有可能会扩大被烧毁的土地面积,恶化数百万人的健康状况,使气候变化的速度史无前例地加快。

湿润的表象

人们常常认为阿拉斯加地区盖满了积雪,不容易着火,但事实上,该州的大部分地区,尤其是内陆地区,属于大陆性气候,冬季漫长、寒冷,夏季温暖且相对干燥。虽然缓慢而持续融化的积雪,以及位于半腐层下方紧挨着的“活动层”——每年冬季又会重新冻结——都会在春季为绿植提供水源,但如果温暖的天气持续一两周,半腐层的表面就会变得像沙漠一样干燥。

阿拉斯加州内陆的针叶林地区以黑云杉为主,这些小而生长缓慢的树木会密集地排列起来。它们的枝条一直向下伸到半腐层中,成为了火灾的梯子。作为7000年来阿拉斯加地区的主要针叶树,黑云杉已经适应了火焰;它们的球果聚集在树的最顶端,并在火灾后打开从而播散种子,这有助于重建生态系统。


阿拉斯加州森林中主要是黑云杉,但如果它们燃烧得足够彻底的话,桦树、杨树等落叶树便会出现,从而改变这里的栖息地和生态系统。

几十年来,阿拉斯加州的消防管理人员一直在监测偏远地区的小火种,并让它们继续燃烧,来重建这里的生态系统。阿拉斯加州的大部分地区几乎没有需要保护的定居点或基础设施,因此这是一种高性价比的方法,可以在很大程度上避免树木过度生长或枯木过多的问题。这种方法还意味着在阿拉斯加州,研究人员可以在没有人为干预的情况下,观察气候如何改变野火。

此前,野火通常会烧死树木,但不会深入到半腐层中,因为下层的水分阻止了进一步的燃烧。但在特别炎热和干燥的条件下,会发生严重的深度燃烧。这会使草地、灌木丛和落叶树如马赛克般出现,取代原本的云杉。

整个北极地区的升温速度是温带地区的1.5~4倍。阿拉斯加州在过去50年里升温约2.1℃。这在很大程度上是海冰和陆冰消失导致的,因为这会暴露出更大面积的深色海洋和陆地,而它们能够比冰或雪吸收更多阳光。

与20世纪90年代相比,现在积雪要晚一周才形成,并早两周就会融化,这使得半腐层在一年内干燥的时间更长,火灾季节比30年前至少长了一个月。2016年,阿拉斯加州创造了火灾季节长度的纪录:4月17日,在接近帕默(Palmer)的偏远地区,消防员执行了57年来最早的一次火灾跳伞行动。10月初,阿拉斯加林业部仍在安克雷奇(Anchorage)附近灭火;寒风吹过时,上空直升机吊桶中溅出的水都冻住了。

在世界范围内,高纬度火灾越来越常见。2020年,在西伯利亚,有18 000多场火灾烧毁了约14万平方千米土地——这是令人震惊的数字。与10年前相比,如今俄罗斯萨哈共和国的火灾季节延长了两周,而且在西伯利亚,2021年7月的火灾季节比2020年同期更长。2021年5月,冰岛就发布了该国第一个野火危险警报。

暴增的闪电

黑云杉燃烧后留下的生物质多是半腐层。半腐层非常紧凑,不过空气很流通,是下方多年冻土的极好隔热体。阿拉斯加地区的多年冻土分布广泛,已有数万年的历史。但到本世纪末,阿拉斯加州预计将因气候变暖而失去25%的多年冻土,而火灾会加速这一过程。当隔热层被烧到不足13厘米时,下面的多年冻土就会融化并大幅解体。在阿拉斯加州的中纬度地区,火灾可能会导致过多的多年冻土融化,而这种融化永远都无法恢复,除非再经历一次冰河时代。

火灾导致融化的一个极端例子是2007年发生的阿纳克图沃克河火灾(ARF),它烧毁了阿拉斯加州最北端地区(北纬70度的阿拉斯加北坡)1000多平方千米的苔原。而事实上,北极圈(北纬67度)内的火灾非常罕见,此前研究者还没有在如此北的地方记录到如此严重的火灾。

2007年7月,闪电引发了ARF,它看起来似乎在8月就熄灭了,但它其实一直在没有树木的地下半腐层里闷烧,然后在温暖的9月重出地面。火焰在大范围的区域内喷出滚滚浓烟,使远处村庄的居民喘不过气来。当地猎人说,烟雾扰乱了驯鹿的秋季迁徙。极度干燥的秋季天气使ARF深度燃烧,直达干燥半腐层的深处,从而继续闷烧至10月,直到湖泊结冰,大雪再次覆盖该地区。最终,大火燃烧了超过1000平方千米的整片多年冻土。

这场火灾如此不同寻常。2008年7月上旬,研究团队抵达ARF发生的地方。往年这个时候,阿拉斯加北坡通常是寒冷、多风、细雨蒙蒙的。然而,这次直升机却降落在湛蓝天空下一片焦黑的土地上,温度达到了惊人的27℃。天气又热又干,常见的成群蚊子不见了,取而代之的是成群的黑蝇(blackfly,属于蚋科)。

调查小组发现因温暖而上升的气团所形成的积云,可能是引起雷暴的来源。气候变化正在增加美国各地的闪电活动,而高纬度地区的变化最大。其中,北极圈内的阿拉斯加州的气温变暖最剧烈,这会使该地区的闪电急剧增加。

2014年的一项研究预测,在美国,一个地区的气温每升高1℃,其周边地区的闪电就会增加12%。2019年的一项分析显示,在过去30年里,阿拉斯加州范围内的闪电增加了17%;在某些地区,这个数值高达600%。还有模型预测,到2050年,阿拉斯加州的闪电将增加59%,由闪电引发的野火增加78%,燃烧面积增加50%。

植被的改变

2008-2018年间,调查小组在ARF发生的区域收集数据,指出这里发生了“蜕变”。在燃烧发生的区域,研究团队每次都会记录下植被覆盖情况,并将金属探针沿着许多横断面插入地下,测量活动层的厚度。他们发现,燃烧区域的解冻土壤每年都在变深;火灾发生一年后,这里的解冻土壤比燃烧区域外深10厘米,而4年后,则深了约19厘米。


覆盖高纬度森林地面的半腐层厚度可达约50厘米。

尽管如此,这些测量却无法体现出ARF地区地表发生变化的幅度。随着多年冻土融化和水流失,整个土壤表面都在下滑并破裂。在阿拉斯加北坡,融化现象使土地变得不再稳固,出现了约61米宽的大坑——这种现象也被称为热融坍陷(thermokarst mass wasting)。此时,6万年未见天日的地下冰楔重出地面,闻起来都是老旧的味道。

为了绘制不断变化的土地状况,调查团队使用机载雷达证实,地表下沉的深度从10厘米到100厘米不等。而且在燃烧区域的东半部,大部分地区的表面粗糙度(衡量沉降的一种方法)增加了两倍,这使得地面上的通道更深,小土包更加高耸,表面积也更大。

调查团队在燃烧和未燃烧的地区都留下了探针,用来继续记录温度。测量结果表明,燃烧区域约15厘米深处的土壤温度平均每年升高约1.5℃,夏季最高温度比未燃烧区域高约5.6℃。显然,这种变暖会危及多年冻土,它也会影响将要占领该地区的植物。

此前,这里罕见高大灌木、禾本科植物和其它维管植物,但是ARF火灾过去10年后,这些植物的数量急剧增加。与生长缓慢的苔藓相比,这些新来者每年都会添加更多可作为燃料的干枯落叶。这或许可以解释为什么在2017年,也就是2007年的那场火灾过去10年后,在当时发生过燃烧的区域又出现了2个新的火灾痕迹,每一个蔓延约40万平方米。

“碳汇”还是“碳源”

研究人员正在努力钻研北部高地火灾所引发的后果。温室气体排放、空气质量变差和基础设施损坏等直接影响是显而易见的。但可能出现的次生影响则很难预测。其中有一些是意料之中的,比如烧黑的地表会使夏季土壤变暖,地貌变得起伏,以及植被群的更新。而且随着冰的融化,低洼地区会暂时变得湿润,这有助于禾本科植物、灌木和落叶树的茁壮成长。

不过随着时间的推移,灌木的大量生长会使地面变得更加温暖。一方面,它们可以保留更多的雪,但这也会将地面与冷空气隔绝开,被烧毁的斜坡和山脊会变得更干燥,并加剧地下水的流失。另一方面,在北方针叶林中,栖息地和树冠的变化也改变了动物运动的模式。对于温暖土壤中的微生物而言,它们会分解半腐层和融化后的多年冻土中所储存的碳,将其转化为温室气体(包括甲烷)。

根据全球生态系统模型的预测,到本世纪末,高纬度地区的火灾可能会增加1~3倍。该地区无处不在的半腐层也会随之释放出大量的碳。这种转变可能会将这里从“碳汇”转变化。

在科学家着手这些任务的同时,阿拉斯加州的居民和消防机构正在制定战略措施,试图在日益加剧的火灾情况下保护人员、基础设施和自然资源。他们也在利用新技术(例如卫星图像)做火灾的早期探测、测绘和监控。