燃燒的龍卷風

杰森·M·佛瑟夫（Jason M. Forthofer）

除了火本身，火龍卷的形成還需要大氣中的旋轉(zhuǎn)源。火可以把渦量集中到旋轉(zhuǎn)的空氣流中，使其“站”起來。環(huán)球科學供圖

龍卷風的破壞力已經(jīng)十分驚人，燃著熊熊大火的火龍卷更讓人懼怕，它的最高溫度可以達到1482攝氏度，持續(xù)時長也經(jīng)常在一個小時左右。

隨著飛機緩緩降落在美國西部的梅德福地區(qū)，我們被一團煙霧包圍了，這片煙霧覆蓋了俄勒岡州西南部和加利福尼亞州北部。當時是2018年7月下旬，整個地區(qū)發(fā)生了多起重大火災。我正要加入加利福尼亞州林業(yè)和消防局的一個小組，調(diào)查兩天前的一起致命事故。組長在電話里提起的那件事，讓我倒吸了一口涼氣：“一名消防員在火龍卷中喪生，他的消防車被甩到了上百米外?！?/p>

或許我比任何人都清楚，這一天總會來臨。10年前，我第一次見識到了火龍卷的威力。這個直徑約300米的龐然大物從加利福尼亞印第安區(qū)的一場大火中躥了出來，掠過了一群前去滅火的消防人員。一位幸存者告訴我：風大得好像在齊胸深的水中奔跑。幸運的是，這些隊員站在一條雙車道公路上，這讓他們幸免于難。假如他們在3米外的樹林和草地之間，可能當時就已經(jīng)遇難了。當我抵達現(xiàn)場時，四周鋪滿了大量橡樹的殘枝，碎石子也滿地都是。

這一幕讓我印象深刻，同時也讓我憂心忡忡。顯然，即便消防員在通常認為是安全的地區(qū)避難，火龍卷也會傷害到他們，這次他們只是幸運地逃過了一劫。在美國，有很多消防員都見過火旋風，那是一種像塵卷風一般大的旋轉(zhuǎn)火柱，大家一般不會認為它有多危險。但是，火焰與龍卷風結(jié)合在一起的火龍卷則十分少見，這種破壞力驚人的現(xiàn)象幾乎是一種傳說。即使像我這樣從1996年起就加入消防隊伍，研究火災行為長達8年的人，也只是在之前聽說過一次，還是一位消防老手告訴我的。

一回到蒙大拿州的密蘇拉火科學實驗室（Missoula Fire Scienc-es Laboratory），我就趕緊做了一次文獻檢索。結(jié)果我只發(fā)現(xiàn)了一些粗略的報告，記錄了全世界范圍內(nèi)為數(shù)不多的幾次火龍卷。關(guān)于這個主題的信息太少了，以至于科學家還沒有對“火龍卷”的定義達成一致。大型森林火災會在高海拔地區(qū)產(chǎn)生所謂的高溫積雨云（py-roCb）。這些電閃雷鳴的云層是由植物在大火中燃燒時釋放的水分、大氣中的水汽以及燃燒本身的副產(chǎn)物凝結(jié)而成的。有研究人員提出，只有那些向上連接到高溫云層的火焰漩渦才是火龍卷。如果根據(jù)這個定義，就只有一次火龍卷記錄在案。2003年，澳大利亞堪培拉附近曾發(fā)生過這樣一起火龍卷，它的破壞路徑長達24千米。

然而，這條定義限制太多，對消防員沒什么用。我和同事布雷特·巴特勒（Bret Butler）把火龍卷定義為具有龍卷風般風速的火旋風。隨后，我們用這條定義整理了能夠找到的所有記錄，并將其納入了消防員培訓手冊和課程?，F(xiàn)在，我正驅(qū)車南下，前往加利福尼亞州的火災現(xiàn)場，調(diào)查一名消防員在火龍卷中遇難的事件——這也是我一直試圖阻止發(fā)生的悲劇。

卡爾火龍卷

現(xiàn)場看起來就像戰(zhàn)區(qū)。不管是著名的龍卷風專家喬什·沃爾曼（Josh Wurman，受我聘請，前來參與調(diào)查的）還是我，都沒有見過這么慘烈的現(xiàn)場。整棟房屋都被掀起或者被夷為平地，只剩下地基；屋頂和其他碎片散落各地，車輛在地面上不知道翻滾過多少次；樹木被折斷或者連根拔起，飛揚的沙石剝落了它們的樹皮；三座高約30米的金屬電線塔都被吹倒了，其中一座甚至被抬離基座，飛出三百多米遠；12米高的一座集裝箱被吹開；一根鋼管纏繞著已經(jīng)倒塌的電線桿……

我們估計，當時的風速可能已經(jīng)達到每小時260千米。這一速度屬于增強藤田級別（Enhanced Fuji-ta scale，將龍卷風分為0到5級，其中5表示速度最快和破壞性最強的龍卷風）中的3級龍卷風。在加利福利亞州，只有2次記錄在案的常規(guī)龍卷風達到了這一強度。根據(jù)雷達成像，這次的火龍卷底部寬約300米，高約4800米。在火龍卷內(nèi)，燃燒的最高溫度可以達到1482℃龍卷風至少持續(xù)了40分鐘，在這段時間里，它在地面上緩慢移動，留下一條近1600米長的毀滅之路。

我們的團隊不僅采訪了目擊者，還收集了視頻證據(jù)，希望能從事件中吸取教訓?；瘕埦硎窃?018年7月26日的晚上發(fā)生的，誕生于雷丁西北部數(shù)平方千米的森林火災中。此前，大火范圍如此之廣，強度如此之大，以至于在5千米以上的高空產(chǎn)生了高溫云團。下午5點30分左右，大火突然向東蔓延，殺死了消防推土機司機唐·史密斯（Don Smith），以及一位被迫在家躲避的平民。

當野火接近雷丁市郊時，它產(chǎn)生了許多火旋風，并將余燼拋撒到了薩克拉門托河對岸2千米左右的地方。這些小火苗在兩條死胡同的盡頭引發(fā)了幾起小型或者說孤立的火災。當消防員試圖疏散附近的居民并拯救房屋時，他們自己的逃生路線卻被切斷了。當時場面一片混亂，人們真的是在逃命。

大約晚上7點30分，前往現(xiàn)場幫忙的消防員杰瑞米·斯托克（Jere-my Stoke）剛到現(xiàn)場。很明顯，火龍卷已經(jīng)在路上形成了，而斯托克剛好撞上了這個把居民和消防員都困在各個小區(qū)的龐然大物。在強風把他的卡車卷起之前，他用無線電發(fā)送了求救信號。然而，他的車被甩到了近百米外的一棵樹上。救援人員在幾小時后發(fā)現(xiàn)了斯托克，但他已經(jīng)死于嚴重的外傷。

有兩輛加利福尼亞消防局的消防車在公路上行駛時，被飛來的碎石片砸中了，車窗大部分被砸碎。奇怪的是，盡管兩輛車相距僅50米，朝著同一個方向行駛，但其中一輛卡車主要是駕駛員側(cè)受損，而另一輛則是乘客一側(cè)受損。這暗示了氣流正在不斷旋轉(zhuǎn)。當時，居民們擠在地板上，以防被碎片擊中。附近三臺推土機的車窗也被砸碎，一位操作員眼里扎了好多玻璃碎片，另一名操作員的手已經(jīng)被嚴重燒傷。那時，還有一位已經(jīng)退休的警官正在開車，當他意識到底盤著火后，就把車停了下來。他幸免于難，但呼吸道被燒傷了。最讓人心痛的，是在旋轉(zhuǎn)烈焰的邊緣有一座房子被燒毀了，里面有兩位孩子和他們的曾祖母。

重建現(xiàn)場

從這些悲慘的案例中，我們能學到什么？　我們能否預測火龍卷發(fā)生的時間和地點，以便及時疏散居民和消防員？　到底是什么引發(fā)了火龍卷？

要回答這些問題，首先需要回顧歷史。1871年，美國威斯康星州的一個城鎮(zhèn)被毀，從散落各地的碎片（包括房屋）來看，很有可能就是毀于火龍卷。在1964年時，加利福尼亞州的波羅大火引發(fā)了一場火龍卷，造成4人受傷，2棟房屋、1座谷倉、3輛汽車和1個牛油果園被毀。最可怕的一次發(fā)生在二戰(zhàn)期間，當時德國漢堡的燃燒彈爆炸事件引發(fā)了火龍卷：根據(jù)美國地理學家查爾斯·艾伯特（Charles Ebert）的說法，由此產(chǎn)生的火龍卷達3千米寬，5千米高，4萬多平民在大火中喪生。

1923年，日本東京發(fā)生了一場大地震，破壞了城市電網(wǎng)線路，同時引發(fā)了一場火災。隨著火勢從一棟建筑蔓延向另一棟建筑，居民們被迫疏散到建筑物之間的空地上。恰恰就在這個地方，形成了一場火龍卷。短短15分鐘內(nèi)，38000人失去了生命。半個世紀以來，人們只能接受這樣一種解釋：一場普通的龍卷風恰好與大火發(fā)生在相同的時間和地點。但是，20世紀80年代和90年代，美國肯塔基大學的工程師S·相馬（S.Soma）和K·齋藤（K. Saito）利用歷史記錄構(gòu)建了火災現(xiàn)場的小型模型，再現(xiàn)了當時火災所處的立體環(huán)境和周圍的風勢。在實驗中，他們確實重現(xiàn)了火災現(xiàn)場的漩渦。實驗證明，當初的火龍卷并不是一個巧合，而是由火災本身引起的。

20年前，美國林務局南方研究站的喬治·拜倫（George Byram）和羅伯特·馬?。≧obert Martin）在位于佐治亞州梅肯的實驗室中制造了小型的火旋風。相馬和齋藤的工作就建立在這項開創(chuàng)性的工作的基礎(chǔ)上。當時拜倫和馬丁的設(shè)備非常簡易，由一個小圓形酒精池組成，墻壁都是圓柱形的，上面有豎直的裂縫強迫氣流以旋轉(zhuǎn)的方式進入酒精池中。結(jié)果十分明顯，與不旋轉(zhuǎn)的火焰相比，由此產(chǎn)生的火旋風使燃料燃燒和能量釋放的速度快了3倍。旋轉(zhuǎn)的氣流通過將火焰推向酒精的表面，使整體升溫，從而加快了燃燒速度。隨后的研究發(fā)現(xiàn)，在這樣的火災中，能量釋放率可以提高7倍。

野火中的漩渦和火龍卷也表現(xiàn)出了一些相似的特征。一塊加熱的木頭會產(chǎn)生數(shù)百種不同的可燃氣體，氣體燃燒又會產(chǎn)生火焰?；瘕埦碇袕娏业乃叫D(zhuǎn)氣流會迫使火焰向周圍的植被蔓延，使火勢更加迅猛。

1967年，哈佛大學的霍華德·埃蒙斯（Howard Emmons）和英舒靜（Shuh-Jing Ying，音譯）設(shè)計了一種實驗，用一個以不同速度旋轉(zhuǎn)的圓柱形金屬網(wǎng)包住了一個固定的火源。旋轉(zhuǎn)金屬網(wǎng)就可以使火源上的火焰也跟著旋轉(zhuǎn)，使得內(nèi)部的氣流旋轉(zhuǎn)起來。研究人員測量了火旋風的速度和溫度分布，了解內(nèi)部的運行機制。他們發(fā)現(xiàn)，除了火焰本身，要形成這種漩渦，還需要一個旋轉(zhuǎn)源和一種強化機制。

火龍卷的流體力學性質(zhì)應該與這項實驗表現(xiàn)出的一樣。無論是繞山旋轉(zhuǎn)還是沿著地面拖拽的氣流，或是由密度和壓力變化引起的氣流，常常會在大氣中引起強烈的漩渦。而火焰本身還有另外兩個重要的功能：它會將旋轉(zhuǎn)效應集中在一處，使自身向上豎直起來，因此形成緊密的空氣柱，圍繞豎直的軸不斷旋轉(zhuǎn)。

首先，火焰上方的熱空氣不斷向上升騰，這需要在底部吸入周圍旋轉(zhuǎn)的空氣填補空缺。原本周圍的部分漩渦可能是以水平軸方向旋轉(zhuǎn)運動的，一旦被吸入火流，上升的熱流就會快速將旋轉(zhuǎn)軸扭轉(zhuǎn)到豎直方向。第二，雖然上升的空氣在地面附近啟動旋轉(zhuǎn)時速度相對緩慢，但隨著其中的氣體不斷燃燒，整個節(jié)奏也會快起來。漩渦附近的氣壓迫使核心內(nèi)更熱更輕的空氣向上流動。不斷加速的旋轉(zhuǎn)過程會豎直拉伸火旋風（或者說已經(jīng)是火龍卷），讓火旋風的直徑變得越來越小。整個過程就像將面團拉開，形成了一道細長的柱狀體。在角動量保持不變的情況下，直徑減小了，因此空氣柱的旋轉(zhuǎn)速度就會越來越快。這就像滑冰場上正在旋轉(zhuǎn)的選手，當選手將手臂收回來時，旋轉(zhuǎn)就會加速。

看起來，當火旋風（或者火龍卷）在燃燒區(qū)域上方移動時，它會延伸到相當高的高度，并變得更緊致，旋轉(zhuǎn)速度也更快；如果它在已經(jīng)燃燒殆盡的區(qū)域上方移動時，就會擴散并且減速，成為彌漫的煙柱。有時，旋轉(zhuǎn)體又寬又慢，消防員可能都無法察覺內(nèi)部的情況?；瘕埦碓诘孛嫔系倪\動方向可能取決于周圍的風勢和地形變化，但具體是怎么影響的，我們還不太清楚。

埃蒙斯和英舒靜還發(fā)現(xiàn)，火旋風非常擅于保存旋轉(zhuǎn)能量，使它們可以持續(xù)得更久（這對人類而言，非常不幸）。例如，印第安火龍卷持續(xù)了大約1小時。當火龍卷旋轉(zhuǎn)起來時，徑向的兩個相反方向的作用力加強了：離心力將旋轉(zhuǎn)的空氣往外扯，但內(nèi)核的低壓卻將空氣往里拉。由此產(chǎn)生的平衡限制了空氣在徑向上的運動，從而避免了渦流能量的損失。與此相反，如果火焰沒有旋轉(zhuǎn)起來，它與周圍大氣的能量交換就會達到旋轉(zhuǎn)火焰的10倍左右。這一機制也使火旋風比不旋轉(zhuǎn)的火焰更細長更高，因為除了底部，火焰接觸不到空氣，所以必須躥得更高，才能接觸到足夠燃燒的氧氣。

同樣危險的，是高聳的低密度熱氣體會使火旋風的底部的氣壓降低?？拷孛娴淖枇p緩了旋轉(zhuǎn)，減少了向外推動空氣的離心力。然而，在低壓環(huán)境下，向內(nèi)擠壓的壓力依然保持不變，因此靠近地面的空氣會被吸入火龍卷。最終，火龍卷就變成了一個巨大的“真空吸塵器”，不斷吸入空氣，燃燒各種碎片，促使燃燒著的碎片迅速上升，然后在高處向四周噴射火苗——顯然，這可能會引發(fā)難以預測的起火點。

實地勘探

盡管我們已經(jīng)知道了與火龍卷相關(guān)的很多物理機制，但我們?nèi)匀粺o法預測它會在何時何地發(fā)生。當然，有一件事是明確的：盡管一個體積巨大、燃燒劇烈的火焰可以聚集和旋轉(zhuǎn)，但火龍卷依舊十分罕見，因為它能夠出現(xiàn)的關(guān)鍵因素還是取決于一個強大的旋轉(zhuǎn)源。

從我們研究的案例中可以發(fā)現(xiàn)，最有可能形成火龍卷的地點之一是山的背風坡。從山上吹來的風會在背風坡引發(fā)旋轉(zhuǎn)運動，就像河流中的一塊大石頭會在周圍引發(fā)漩渦一樣。在那里，燃燒的火焰最有可能聚集，拉伸成火龍卷。但事實卻復雜得多：炙熱的漩渦也會出現(xiàn)在平坦的地面和平靜的風中。比如，美國堪薩斯州曾發(fā)生過一場火龍卷，當時的大火遭遇了一場過境的冷鋒，而冷鋒與周圍的暖空氣碰撞時，恰好產(chǎn)生了火龍卷。2007年，清華大學的周睿和吳子牛的一項研究表明，多個火焰呈特定形態(tài)時，會在火焰狹縫中誘發(fā)平行于地面的切向氣流，從而引發(fā)旋轉(zhuǎn)。這種多火焰形態(tài)還可以在大火中將余燼拋撒到前方，產(chǎn)生新的火種。

那么，卡爾（Karr）火龍卷的旋轉(zhuǎn)是如何形成的？　鑒于火龍卷之前發(fā)生過幾場火旋風，因此該地區(qū)明顯存在異常高的旋轉(zhuǎn)氣流。出于直覺，我讓密蘇拉火科學實驗室的同事娜塔莉·瓦格布倫納（Natalie Wagen-brenner）對當?shù)氐臍庀髼l件做了幾次計算機模擬。她的研究結(jié)果表明，來自太平洋的空氣會越過雷丁以西一座山脈的頂部。這股空氣涼爽而稠密，比薩克拉門托山谷的熱空氣要重得多。我們調(diào)取了雷丁機場當天的最高氣溫，當時已經(jīng)達到了創(chuàng)紀錄的45℃。因此，重力會使冷空氣向山下加速流動，就像水流下山一樣。奇怪的是，這些強烈的地面風突然停在了火龍卷形成的地方。

發(fā)生了什么？最后，我意識到大氣中發(fā)生了水躍（hydraulic jump），就是水從大壩下面的溢洪道流下時發(fā)生的情況。當快速流動的水沖到下方的低速水池時，表層水會向上跳躍，形成一個破碎波（break-ing wave），破碎波會停留在原地并成為兩個水流之間的邊界。這個區(qū)域內(nèi)含有強烈的旋轉(zhuǎn)運動。與之相似，寒冷而稠密的空氣從山坡上飛馳而下時，會撞擊薩克拉門托山谷內(nèi)緩慢移動的空氣團，從而產(chǎn)生強烈的旋轉(zhuǎn)，形成卡爾火龍卷。內(nèi)華達大學的N·P·拉魯（N.P. Lareau）和同事在2018年的一份報告中推測，即便火龍卷已經(jīng)形成，10千米上空的高溫云層還是有助于將漩渦拉伸到更高的地方，從而使漩渦拉伸得更細長，旋轉(zhuǎn)也更劇烈。

如果加利福尼亞州的野火愈發(fā)頻繁，我們很有可能在未來更頻繁地經(jīng)歷這種致命的氣象現(xiàn)象。好消息是，從研究中吸取的教訓或許有助于在未來預防悲劇再次發(fā)生。我希望，在進一步研究火龍卷的同時，天氣預報和計算機模擬的技術(shù)也在不斷進步，這讓我們有機會在不遠的未來提前發(fā)布火龍卷預警，從而拯救更多的生命。

（Scientific American中文版環(huán)球科學授權(quán)南方周末發(fā)表，楊玉潔翻譯，吳子牛審校）