龙卷风的破坏力已经十分惊人,燃着熊熊大火的火龙卷更让人惧怕,它的最高温度可以达到 1482 摄氏度

除了火本身,火龙卷的形成还需要大气中的旋转源。火可以把涡量集中到旋转的空气流中,使其「站」起来。

Photo: Scientific American

随着飞机缓缓降落在美国西部的梅德福地区,我们被一团烟雾包围了,这片烟雾覆盖了俄勒冈州西南部和加利福尼亚州北部。当时是 2018 年 7 月下旬,整个地区发生了多起重大火灾。我正要加入加利福尼亚州林业和消防局的一个小组,调查两天前的一起致命事故。组长在电话里提起的那件事,让我倒吸了一口凉气:「一名消防员在火龙卷中丧生,他的消防车被甩到了上百米外。」

或许我比任何人都清楚,这一天总会来临。10 年前,我第一次见识到了火龙卷的威力。这个直径约 300 米的庞然大物从加利福尼亚印第安区的一场大火中蹿了出来,掠过了一群前去灭火的消防人员。一位幸存者告诉我:风大得好像在齐胸深的水中奔跑。幸运的是,这些队员站在一条双车道公路上,这让他们幸免于难。假如他们在 3 米外的树林和草地之间,可能当时就已经遇难了。当我抵达现场时,四周铺满了大量橡树的残枝,碎石子也满地都是。

这一幕让我印象深刻,同时也让我忧心忡忡。显然,即便消防员在通常认为是安全的地区避难,火龙卷也会伤害到他们,这次他们只是幸运地逃过了一劫。在美国,有很多消防员都见过火旋风,那是一种像尘卷风一般大的旋转火柱,大家一般不会认为它有多危险。但是,火焰与龙卷风结合在一起的火龙卷则十分少见,这种破坏力惊人的现象几乎是一种传说。即使像我这样从 1996 年起就加入消防队伍,研究火灾行为长达 8 年的人,也只是在之前听说过一次,还是一位消防老手告诉我的。

一回到蒙大拿州的密苏拉火科学实验室 (Missoula Fire Sciences Laboratory),我就赶紧做了一次文献检索。结果我只发现了一些粗略的报告,记录了全世界范围内为数不多的几次火龙卷。关于这个主题的信息太少了,以至于科学家还没有对「火龙卷」的定义达成一致。大型森林火灾会在高海拔地区产生所谓的高温积雨云 (pyroCb)。这些电闪雷鸣的云层是由植物在大火中燃烧时释放的水分、大气中的水汽以及燃烧本身的副产物凝结而成的。有研究人员提出,只有那些向上连接到高温云层的火焰漩涡才是火龙卷。如果根据这个定义,就只有一次火龙卷记录在案。2003 年,澳大利亚堪培拉附近曾发生过这样一起火龙卷,它的破坏路径长达 24 千米。

然而,这条定义限制太多,对消防员没什么用。我和同事布雷特·巴特勒 (Bret Butler) 把火龙卷定义为具有龙卷风般风速的火旋风。随后,我们用这条定义整理了能够找到的所有记录,并将其纳入了消防员培训手册和课程。现在,我正驱车南下,前往加利福尼亚州的火灾现场,调查一名消防员在火龙卷中遇难的事件——这也是我一直试图阻止发生的悲剧。

卡尔火龙卷

现场看起来就像战区。不管是著名的龙卷风专家乔什·沃尔曼 (Josh Wurman,受我聘请,前来参与调查的) 还是我,都没有见过这么惨烈的现场。整栋房屋都被掀起或者被夷为平地,只剩下地基;屋顶和其他碎片散落各地,车辆在地面上不知道翻滚过多少次;树木被折断或者连根拔起,飞扬的沙石剥落了它们的树皮;三座高约 30 米的金属电线塔都被吹倒了,其中一座甚至被抬离基座,飞出三百多米远;12 米高的一座集装箱被吹开;一根钢管缠绕着已经倒塌的电线杆……

我们估计,当时的风速可能已经达到每小时 260 千米。这一速度属于增强藤田级别 (Enhanced Fujita scale,将龙卷风分为 0 到 5 级,其中 5 表示速度最快和破坏性最强的龙卷风) 中的 3 级龙卷风。在加利福利亚州,只有 2 次记录在案的常规龙卷风达到了这一强度。根据雷达成像,这次的火龙卷底部宽约 300 米,高约 4800 米。在火龙卷内,燃烧的最高温度可以达到 1482℃龙卷风至少持续了 40 分钟,在这段时间里,它在地面上缓慢移动,留下一条近 1600 米长的毁灭之路。

我们的团队不仅采访了目击者,还收集了视频证据,希望能从事件中吸取教训。火龙卷是在 2018 年 7 月 26 日的晚上发生的,诞生于雷丁西北部数平方千米的森林火灾中。此前,大火范围如此之广,强度如此之大,以至于在 5 千米以上的高空产生了高温云团。下午 5 点 30 分左右,大火突然向东蔓延,杀死了消防推土机司机唐·史密斯 (Don Smith),以及一位被迫在家躲避的平民。

当野火接近雷丁市郊时,它产生了许多火旋风,并将余烬抛撒到了萨克拉门托河对岸 2 千米左右的地方。这些小火苗在两条死胡同的尽头引发了几起小型或者说孤立的火灾。当消防员试图疏散附近的居民并拯救房屋时,他们自己的逃生路线却被切断了。当时场面一片混乱,人们真的是在逃命。

大约晚上 7 点 30 分,前往现场帮忙的消防员杰瑞米·斯托克 (Jeremy Stoke) 刚到现场。很明显,火龙卷已经在路上形成了,而斯托克刚好撞上了这个把居民和消防员都困在各个小区的庞然大物。在强风把他的卡车卷起之前,他用无线电发送了求救信号。然而,他的车被甩到了近百米外的一棵树上。救援人员在几小时后发现了斯托克,但他已经死于严重的外伤。

有两辆加利福尼亚消防局的消防车在公路上行驶时,被飞来的碎石片砸中了,车窗大部分被砸碎。奇怪的是,尽管两辆车相距仅 50 米,朝着同一个方向行驶,但其中一辆卡车主要是驾驶员侧受损,而另一辆则是乘客一侧受损。这暗示了气流正在不断旋转。当时,居民们挤在地板上,以防被碎片击中。附近三台推土机的车窗也被砸碎,一位操作员眼里扎了好多玻璃碎片,另一名操作员的手已经被严重烧伤。那时,还有一位已经退休的警官正在开车,当他意识到底盘着火后,就把车停了下来。他幸免于难,但呼吸道被烧伤了。最让人心痛的,是在旋转烈焰的边缘有一座房子被烧毁了,里面有两位孩子和他们的曾祖母。重建现场

从这些悲惨的案例中,我们能学到什么?我们能否预测火龙卷发生的时间和地点,以便及时疏散居民和消防员?到底是什么引发了火龙卷?

要回答这些问题,首先需要回顾历史。1871 年,美国威斯康星州的一个城镇被毁,从散落各地的碎片 (包括房屋) 来看,很有可能就是毁于火龙卷。在 1964 年时,加利福尼亚州的波罗大火引发了一场火龙卷,造成 4 人受伤,2 栋房屋、1 座谷仓、3 辆汽车和 1 个牛油果园被毁。最可怕的一次发生在二战期间,当时德国汉堡的燃烧弹爆炸事件引发了火龙卷:根据美国地理学家查尔斯·艾伯特 (Charles Ebert) 的说法,由此产生的火龙卷达 3 千米宽,5 千米高,4 万多平民在大火中丧生。

1923 年,日本东京发生了一场大地震,破坏了城市电网线路,同时引发了一场火灾。随着火势从一栋建筑蔓延向另一栋建筑,居民们被迫疏散到建筑物之间的空地上。恰恰就在这个地方,形成了一场火龙卷。短短 15 分钟内,38000 人失去了生命。半个世纪以来,人们只能接受这样一种解释:一场普通的龙卷风恰好与大火发生在相同的时间和地点。但是,20 世纪 80 年代和 90 年代,美国肯塔基大学的工程师 S·相马 (S. Soma) 和 K·斋藤 (K. Saito) 利用历史记录构建了火灾现场的小型模型,再现了当时火灾所处的立体环境和周围的风势。在实验中,他们确实重现了火灾现场的漩涡。实验证明,当初的火龙卷并不是一个巧合,而是由火灾本身引起的。

20 年前,美国林务局南方研究站的乔治·拜伦 (George Byram) 和罗伯特·马丁 (Robert Martin) 在位于佐治亚州梅肯的实验室中制造了小型的火旋风。相马和斋藤的工作就建立在这项开创性的工作的基础上。当时拜伦和马丁的设备非常简易,由一个小圆形酒精池组成,墙壁都是圆柱形的,上面有竖直的裂缝强迫气流以旋转的方式进入酒精池中。结果十分明显,与不旋转的火焰相比,由此产生的火旋风使燃料燃烧和能量释放的速度快了 3 倍。旋转的气流通过将火焰推向酒精的表面,使整体升温,从而加快了燃烧速度。随后的研究发现,在这样的火灾中,能量释放率可以提高 7 倍。

野火中的漩涡和火龙卷也表现出了一些相似的特征。一块加热的木头会产生数百种不同的可燃气体,气体燃烧又会产生火焰。火龙卷中强烈的水平旋转气流会迫使火焰向周围的植被蔓延,使火势更加迅猛。

1967 年,哈佛大学的霍华德·埃蒙斯 (Howard Emmons) 和英舒静 (Shuh-Jing Ying,音译) 设计了一种实验,用一个以不同速度旋转的圆柱形金属网包住了一个固定的火源。旋转金属网就可以使火源上的火焰也跟着旋转,使得内部的气流旋转起来。研究人员测量了火旋风的速度和温度分布,了解内部的运行机制。他们发现,除了火焰本身,要形成这种漩涡,还需要一个旋转源和一种强化机制。

火龙卷的流体力学性质应该与这项实验表现出的一样。无论是绕山旋转还是沿着地面拖拽的气流,或是由密度和压力变化引起的气流,常常会在大气中引起强烈的漩涡。而火焰本身还有另外两个重要的功能:它会将旋转效应集中在一处,使自身向上竖直起来,因此形成紧密的空气柱,围绕竖直的轴不断旋转。

首先,火焰上方的热空气不断向上升腾,这需要在底部吸入周围旋转的空气填补空缺。原本周围的部分漩涡可能是以水平轴方向旋转运动的,一旦被吸入火流,上升的热流就会快速将旋转轴扭转到竖直方向。第二,虽然上升的空气在地面附近启动旋转时速度相对缓慢,但随着其中的气体不断燃烧,整个节奏也会快起来。漩涡附近的气压迫使核心内更热更轻的空气向上流动。不断加速的旋转过程会竖直拉伸火旋风 (或者说已经是火龙卷),让火旋风的直径变得越来越小。整个过程就像将面团拉开,形成了一道细长的柱状体。在角动量保持不变的情况下,直径减小了,因此空气柱的旋转速度就会越来越快。这就像滑冰场上正在旋转的选手,当选手将手臂收回来时,旋转就会加速。

看起来,当火旋风 (或者火龙卷) 在燃烧区域上方移动时,它会延伸到相当高的高度,并变得更紧致,旋转速度也更快;如果它在已经燃烧殆尽的区域上方移动时,就会扩散并且减速,成为弥漫的烟柱。有时,旋转体又宽又慢,消防员可能都无法察觉内部的情况。火龙卷在地面上的运动方向可能取决于周围的风势和地形变化,但具体是怎么影响的,我们还不太清楚。

埃蒙斯和英舒静还发现,火旋风非常擅于保存旋转能量,使它们可以持续得更久 (这对人类而言,非常不幸)。例如,印第安火龙卷持续了大约 1 小时。当火龙卷旋转起来时,径向的两个相反方向的作用力加强了:离心力将旋转的空气往外扯,但内核的低压却将空气往里拉。由此产生的平衡限制了空气在径向上的运动,从而避免了涡流能量的损失。与此相反,如果火焰没有旋转起来,它与周围大气的能量交换就会达到旋转火焰的 10 倍左右。这一机制也使火旋风比不旋转的火焰更细长更高,因为除了底部,火焰接触不到空气,所以必须蹿得更高,才能接触到足够燃烧的氧气。

同样危险的,是高耸的低密度热气体会使火旋风的底部的气压降低。靠近地面的阻力减缓了旋转,减少了向外推动空气的离心力。然而,在低压环境下,向内挤压的压力依然保持不变,因此靠近地面的空气会被吸入火龙卷。最终,火龙卷就变成了一个巨大的「真空吸尘器」,不断吸入空气,燃烧各种碎片,促使燃烧着的碎片迅速上升,然后在高处向四周喷射火苗——显然,这可能会引发难以预测的起火点。

实地勘探

尽管我们已经知道了与火龙卷相关的很多物理机制,但我们仍然无法预测它会在何时何地发生。当然,有一件事是明确的:尽管一个体积巨大、燃烧剧烈的火焰可以聚集和旋转,但火龙卷依旧十分罕见,因为它能够出现的关键因素还是取决于一个强大的旋转源。

从我们研究的案例中可以发现,最有可能形成火龙卷的地点之一是山的背风坡。从山上吹来的风会在背风坡引发旋转运动,就像河流中的一块大石头会在周围引发漩涡一样。在那里,燃烧的火焰最有可能聚集,拉伸成火龙卷。但事实却复杂得多:炙热的漩涡也会出现在平坦的地面和平静的风中。比如,美国堪萨斯州曾发生过一场火龙卷,当时的大火遭遇了一场过境的冷锋,而冷锋与周围的暖空气碰撞时,恰好产生了火龙卷。2007 年,清华大学的周睿和吴子牛的一项研究表明,多个火焰呈特定形态时,会在火焰狭缝中诱发平行于地面的切向气流,从而引发旋转。这种多火焰形态还可以在大火中将余烬抛撒到前方,产生新的火种。

那么,卡尔 (Karr) 火龙卷的旋转是如何形成的?鉴于火龙卷之前发生过几场火旋风,因此该地区明显存在异常高的旋转气流。出于直觉,我让密苏拉火科学实验室的同事娜塔莉·瓦格布伦纳 (Natalie Wagenbrenner) 对当地的气象条件做了几次计算机模拟。她的研究结果表明,来自太平洋的空气会越过雷丁以西一座山脉的顶部。这股空气凉爽而稠密,比萨克拉门托山谷的热空气要重得多。我们调取了雷丁机场当天的最高气温,当时已经达到了创纪录的 45℃。因此,重力会使冷空气向山下加速流动,就像水流下山一样。奇怪的是,这些强烈的地面风突然停在了火龙卷形成的地方。

发生了什么?最后,我意识到大气中发生了水跃 (hydraulic jump),就是水从大坝下面的溢洪道流下时发生的情况。当快速流动的水冲到下方的低速水池时,表层水会向上跳跃,形成一个破碎波 (breaking wave),破碎波会停留在原地并成为两个水流之间的边界。这个区域内含有强烈的旋转运动。与之相似,寒冷而稠密的空气从山坡上飞驰而下时,会撞击萨克拉门托山谷内缓慢移动的空气团,从而产生强烈的旋转,形成卡尔火龙卷。内华达大学的 N·P·拉鲁 (N. P. Lareau) 和同事在 2018 年的一份报告中推测,即便火龙卷已经形成,10 千米上空的高温云层还是有助于将漩涡拉伸到更高的地方,从而使漩涡拉伸得更细长,旋转也更剧烈。

如果加利福尼亚州的野火愈发频繁,我们很有可能在未来更频繁地经历这种致命的气象现象。好消息是,从研究中吸取的教训或许有助于在未来预防悲剧再次发生。我希望,在进一步研究火龙卷的同时,天气预报和计算机模拟的技术也在不断进步,这让我们有机会在不远的未来提前发布火龙卷预警,从而拯救更多的生命。


来源于《南方周末》第 1872 期,出版日期 2020 年 1 月 9 日

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