野火的隐性代价

“这很有意思。不算太浓，”大气化学家吉姆·克劳福德说道，他的耳朵后面贴着晕机贴。当时是 2019 年 7 月下旬的下午，克劳福德正全神贯注地盯着一股野火产生的烟雾，这股烟雾从 NASA 改装成空中实验室的前商用喷气式飞机的驾驶舱中清晰可见。在机舱内，35 位科学家和工程师正在校准他们的仪器。气氛紧张：他们的大多数仪器都是为测量城市污染物而设计的，它们能在充满颗粒物的空气中工作吗？这架 50 年的飞机在烟柱中会有什么反应？当 DC-8 进入一股由蒙大拿州米苏拉郊外的一场大火升至 12,000 英尺高的烟羽时，飞机震动并颠簸。“45 秒，然后掉头，”克劳福德指示飞行员。湍流出乎意料地温和，他想再穿过一次。

这只是 FIREX-AQ 空中部分的第三次飞行，这是一个由美国国家海洋和大气管理局 (NOAA) 和 NASA 领导的雄心勃勃的三年项目。该项目旨在探测生物质燃烧产生的烟雾的精确化学成分，并确定（除其他外）烟雾何时以及为何对人类健康最危险。去年夏天，在为期六周的时间里，DC-8 和一对同样装有大气采样仪器的双水獭飞机飞越了 100 多个不同的烟柱。它们的范围从堪萨斯州小型农业燃烧产生的烟雾泡，到华盛顿州威廉姆斯弗拉茨大火喷射出 31,000 英尺蘑菇云，一位科学家将这场大火比作火山爆发。生物质烟雾从未被如此详细和广泛地研究过。尽管火灾贡献了大气中高达三分之一的颗粒物，但“很少有研究检查烟雾中不同成分对疾病的具体作用以及人们暴露于烟雾中时疾病的严重程度，”美国环境保护署的一位主管在 2018 年表示。

我们知道，长期暴露于细颗粒物（所有烟雾中都存在）会导致心脏和肺部疾病、心律不齐和哮喘加重等问题。据估计，2016 年在全球范围内造成 420 万人过早死亡。同样，长期暴露于臭氧（一种当烟雾进入大气层时通过化学反应形成的气体）每年至少造成 100 万人过早死亡。我们缺乏的是对这些有毒成分和其他成分如何在不同类型的生物质烟雾中形成的基本理解。目前，空气质量监管机构将所有生物质燃烧产生的排放物视为相同，即使事实并非如此。通过了解这些过程，FIREX-AQ 团队希望提高野火排放预测的准确性，以便教练员更好地知道何时取消足球训练，医院可以预测免疫功能低下的人的涌入，监管机构可以保护户外工作人员免受危险暴露。他们的数据还可以帮助土地管理者进行控制性燃烧，从而减轻未来野火的严重程度和对健康的影响。

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克劳福德查看了他的平板电脑，滚动浏览正在采样的数百种颗粒物和气体的实时更新。他上次乘坐 DC-8 飞机还是在韩国首尔研究城市污染物。他说，即使在小城市，研究人员也看到了比他和他的团队当天所目睹的严重得多的污染。“但是所有这些火灾是如何叠加的呢？”他问道。“火灾会产生多少臭氧？臭氧形成的化学原理是什么？以及如何规范一种自然现象？”FIREX-AQ 的另一位首席研究员卡斯滕·瓦内克解释说，空气质量模型将野火烟雾视为烟雾事件，但这完全是不同的问题。瓦内克在科罗拉多州博尔德的 NOAA 地球系统研究实验室工作。

在南部约 350 英里的爱达荷州博伊西的戈温菲尔德空中国民警卫队基地，瓦内克和另外 50 名科学家正在筛选气象模式、燃料、实时卫星数据和正在进行的火灾更新，以确定西部哪些野火最符合 FIREX-AQ 的目标。“科学家很多，他们想要的东西略有不同，”国家航空航天研究所副研究员安伯·索亚说，她负责向参与 FIREX-AQ 的 400 名研究人员简要介绍当天的火灾活动。

对于今天的任务，当 DC-8 滑行到跑道准备起飞时，团队选择了蒙大拿州的北山大火。在正在考虑的九场火灾中，它的烟柱最为明显。这场火灾面积相对较小，为 4,600 英亩，毫不起眼——而这正是它在科学上具有吸引力的地方。尽管美国林务局的消防员仍在努力控制火势，但他们批准 DC-8 在不同的时间和空间对烟羽进行采样，从而捕捉烟雾中的成分以及烟雾如何随着下风移动而变化，并与新的条件和环境相互作用。

在一个小时内第 16 次穿过烟羽后，克劳福德收到了来自任务指挥部瓦内克的消息。消息中包含一张卫星图像，图像显示一股烟柱从加利福尼亚州沙斯塔山下方的云层上方喷射而出，距离西南方向近 800 英里。瓦内克在烟羽周围画了一个圈，并在旁边用红墨水潦草地写着：“现在去这里！”

前所未有的项目

FIREX-AQ，即火灾对区域到全球环境和空气质量的影响，诞生于蒙大拿州的火灾实验室。在那里，NOAA 研究化学家吉姆·罗伯茨对研究野火烟雾中存在的酸产生了兴趣，他曾是 20 世纪 70 年代臭氧危机期间开发大气氮测量技术的团队成员。2009 年，在燃烧黄松树枝和美国西部其他典型燃料时，他发现了一种特别有害的化合物，称为异氰酸。人类经常接触这种化合物（来自香烟和烹饪火等来源）会导致白内障、类风湿性关节炎和心脏病。不久之后，罗伯茨在科罗拉多州博尔德的办公室里，该州历史上最具破坏性的野火爆发了，烧毁了数万英亩土地，摧毁了该镇郊外的数百栋房屋。

罗伯茨好奇他的实验室发现是否会在现实世界中成立，于是拖出一个测量酸的仪器来测试博尔德的空气。他发现了大气中测量到的异氰酸的最高浓度。在此之前，没有人想到要寻找它。“我有两个晚上没睡，”他说。“生物质燃烧界完全不知道烟雾中含有异氰酸。还有什么我们不知道的？”

总的来说，自 1970 年美国国会通过《清洁空气法》以来，美国城市的空气质量已大大改善。但是，当野火在城市地区附近燃烧时，烟雾会抵消这些改善。2019 年，按臭氧衡量，美国污染最严重的八个城市都在西部。按 PM 2.5 衡量——小于 2.5 微米的颗粒物，可以嵌入人类肺部并进入血液——前 25 个城市中有 23 个位于西部或阿拉斯加。这种趋势几乎肯定会持续下去：林务局现在预计到 2050 年，每年烧毁的面积将增加一倍。

造成这个问题的主要罪魁祸首是气候变化：西部正在变得更加温暖和干燥。2019 年 7 月，哥伦比亚大学的气候建模师帕克·威廉姆斯在《地球的未来》杂志上发表研究结果，表明 1972 年至 2018 年间加利福尼亚州烧毁面积增加了五倍很可能与高温天气温度升高 1.4 摄氏度有关。他说，人为变暖是罪魁祸首。

森林状况也在加剧火灾方面发挥着重要作用。在对西部生态系统必不可少的火灾进行了 100 年的积极抑制之后，现在许多森林的密度超过了其历史常态。例如，在加利福尼亚州内华达山脉的某些地区，每英亩有 1,000 棵树，而曾经只有 50 到 70 棵。与此同时，人类不断迁入适应火灾的生物群落。在 20 世纪 90 年代，美国有 3080 万人居住在经常燃烧的土地旁边或土地上；二十年后，这一数字为 4340 万。这些趋势的致命融合在 2018 年的坎普大火中得到了充分体现，这场大火夷平了人口为 26,800 人的加利福尼亚州天堂镇，烧毁了 18,804 栋建筑物，并导致至少 85 人死亡，其中大多数人在太阳完全升起之前就已丧生。

全球每年约有 4% 的土地被烧毁，破坏性日益增强绝不仅仅是美国的问题。在撰写本文时，2019 年底爆发的澳大利亚丛林大火的烧毁面积是加利福尼亚州 2018 年火灾和亚马逊 2019 年火灾面积总和的两倍多。尽管随着自然场所被改造成牧场和农田，每年烧毁的总面积正在缩小，但气候变化现在正在历史上没有大规模燃烧记录的环境中助长火灾，同时加剧了确实发生火灾的地方的火势。2018 年夏天，北爱尔兰发生了前所未有的大火。北极和亚北极西伯利亚地区也发生了 740 万英亩的大火。亚利桑那州立大学的荣誉退休教授、火灾科学家斯蒂芬·派恩将这个时代称为“火纪”。

NOAA 科学家并非直接关注野火烟雾；只是忽视它变得不可能了。在 21 世纪初，在研究通过亚洲输送到阿拉斯加北极地区的雾霾以及美国东北部城市以外的空气质量时，他们惊讶地发现野火的化学足迹遍布他们的数据。“多年来，我们一直专注于城市污染，但我们飞越这些城市地区，看到所有这些来自野火的东西，”罗伯茨说。他越来越相信，烟雾和空气质量应该得到 NOAA 研究的充分重视。然后，就像现在一样，火灾排放的观测预测是不可靠的。在 2008 年《应用遥感杂志》上发表的一篇文章中，对四种火灾排放模型的比较发现，对大气碳月度贡献的估计可能相差 10 倍。一个问题是，北美火灾排放模型是基于从仅 39 个不同火灾事件中收集的数据——考虑到火灾的可变性，数据非常匮乏。

罗伯茨和瓦内克都是 NOAA 的研究伙伴，他们对这个问题产生了兴趣，于是给他们在蒙大拿大学的长期合作者鲍勃·约克尔森打了电话，约克尔森研究野火烟雾已经近 30 年了。约克尔森是一位来自蒙大拿州的前消防员，身材高大，他帮助领导了 FIREX-AQ 的最初版本。他说，直到 20 年前，对野火烟雾的实地研究还只是由他和另外几位大学教授完成的，他们租了一架双水獭飞机，装满了仪器，并在烟柱边缘徘徊。他们对与 FIREX-AQ 相同的气溶胶、颗粒物和气体感兴趣，但他们的测量要粗糙得多。约克尔森夸大了该领域的简单性，但运行一个综合项目所需的资产从未部署过。这简直太昂贵且风险太大了。“我们是在盲目地走向未来，”约克尔森说。

在一系列具有历史意义的严重烟雾季节明确表明火灾时代已经到来之后，数百万美元的主要研究活动资金随之而来。除了可以高空飞行和远距离飞行的 DC-8 飞机外，FIREX-AQ 团队还为灵活的螺旋桨飞机配备了空气质量采样仪器，以便在较低的高度和更靠近烟柱的地方飞行，以及在烟雾弥漫的农村社区飞行。他们还为卡车配备了地面嗅探烟雾的设备。在喷气式飞机上，他们部署了不同波长的激光器，以实时绘制三维烟柱图；有一种仪器可以感应乙腈，乙腈是一种已知是生物质燃烧的指示物种的化学物质，而其他传感器则寻找黑碳和棕碳、亚微米气溶胶成分以及其他成分的长列表。这种工具的汇编将测量尽可能多的形式和大小的颗粒物和气体，这是最先进的技术可以捕捉到的。

通过更精细地确定烟雾中的成分及其有害产物形成的途径，空气质量预报员可以更好地预测野火排放对人类健康的影响。了解不同类型火灾之间的烟雾差异还可以减轻火灾管理的负担，特别是在进行计划烧除时。这些受控的、较低强度的火灾模仿自然火灾，其目的是减少未来野火的可用燃料量。由于社会、环境和监管方面的原因，它们也出了名的难以点燃。美国环保署严格监管计划烧除产生的烟雾，尽管没有实地研究表明低强度燃烧产生的排放物与猛烈野火产生的排放物一样有毒。

“当谈到天空中的烟雾时，要么现在付出代价，要么以后付出代价，”索亚说。她的意思是，无论管理者选择按自己的意愿点燃火灾，还是让大自然决定何时燃烧适应火灾的景观，天空都会烟雾弥漫。然而，某些类型的烟雾可能比其他类型的烟雾对人类健康更不利。“我们必须了解排放因子，以便人们可以在现场做出更好的决策。”

VOC 的可变性

2016 年秋季，FIREX-AQ 团队前往蒙大拿州的火灾实验室，开始剥离排放物的层层外衣。为了弄清楚下风处的烟雾会变成什么样子，以及它如何产生有害的气溶胶和臭氧，他们必须了解其在着火点的内容。也许某些植物在燃烧时产生的烟雾比其他植物产生更多的臭氧和 PM 2.5？

该团队收集了来自蒙大拿州的黄松、来自加利福尼亚州的紫丁香灌木、来自亚利桑那州的橡树以及美国西部经常燃烧的其他 18 组物种。他们干燥并称重植物，然后将它们铺在编织在巨大通风罩下方的鸡笼网上。他们用每种燃料类型点燃了两场火灾：一场阴燃，升起的烟雾看起来像熔岩一样粘稠，另一场更热的燃烧，烟雾与火焰并肩而立。

他们惊奇地发现，火灾的温度比燃烧的植物种类更能决定排放物。某些挥发性有机化合物 (VOC) 在低温燃烧期间排放，而另一些 VOC 主要在高温燃烧期间出现。火灾的温度可以用来预测约 80% 的排放物，结果于 2018 年发表在《大气化学与物理学》杂志上。

对于其中一些燃烧，研究人员捕获了烟雾样本，并将它们放入装有紫外线灯的特氟龙袋中，以模拟阳光。他们对 PM 2.5 感兴趣，PM 2.5 是所有火灾都会排放的。长期暴露可能是致命的，即使水平低于 EPA 限制。在 2017 年和 2018 年，西部有超过 1000 万人暴露于超过 EPA 空气质量标准的 PM 2.5 水平。预计 30 年后，这一数字将接近 8200 万。到 2100 年，预计慢性吸入野火烟雾每年将在美国造成 40,000 人死亡。

在袋子中，PM 2.5 的初始输出迅速消散，颗粒物水平降低——正如预期的那样。但在某些实验中，几个小时后，某些化学物质开始凝结。就像聚集在一起的水银珠一样，其他颗粒物沉降在这些不断增长的表面上，直到 PM 2.5 水平在几个小时前刚刚下降后又以新的形式爆发。瓦内克不确定是什么过程解释了 PM 2.5 的重新形成，但他认为他找到了一个起点。它最常在邻苯二酚的存在下增加，邻苯二酚是木材构件中的一种大分子，由阴燃火灾排放。关于这一发现最有趣的是，如果他们将火灾的温度与 PM 2.5 的产生联系起来，那么就有可能从已经测量火灾强度的卫星预测火灾的 PM 2.5 输出。他和 NOAA 的研究科学家马特·科根还发现，邻苯二酚可能在与野火相关的臭氧形成中发挥关键作用。

反复暴露于臭氧会降低肺功能。臭氧不是野火的直接排放物；相反，它是当氮氧化物、VOC 和阳光以适当比例混合时形成的。烟雾中始终存在 VOC，阳光是火焰的密切伙伴。但是野火中氮的产生是微妙的。阴燃会从植物中释放氨气，氨气是一种非反应性氮。高温燃烧会释放挥发性氮氧化物。“棘手的是烟羽中的化学成分非常活跃，”科根说。“即使在大型火灾发生后一小时内，它也会转化为与最初排放物截然不同的东西。”

这些转变的原因在近 20 年来已广为人知。在大型野火中，火焰从植物中释放出的氮氧化物被夹带在烟雾中，并被火灾的热量吹到对流层上层。随着它的上升，一些化合物与自由基发生反应，直到经过一系列反应后，最初是氮氧化物的东西可能会变成过氧乙酰硝酸酯 (PAN)，这是一种在温度足够低时相对稳定的分子。只要烟雾继续在上对流层较冷的温度中漂移，氮就会被锁定，臭氧产生过程基本上就会冻结。

但是，当烟雾开始再次沉降到较低海拔的较温暖温度中时，PAN 会分解，氮氧化物会返回。突然，在距离火灾发生地数百甚至数千英里的下风处，臭氧可能会以对人类有毒的量形成。这有助于解释为什么在某些野火事件期间，当源于西部的烟羽向东漂移时，中西部甚至东部城市的臭氧水平会飙升。城市地区已经富含来自汽车和化石燃料工业的氮氧化物，当野火排放物在炎热的夏日吹入城镇时，可能会远远超过其空气质量超标水平。这些情况使西雅图在 2018 年的几个时段成为世界上空气质量最差的城市。

科根和瓦内克想知道的是，是否还有其他火灾排放的分子也起着与 PAN 相似的作用。在他们的实验室研究中，他们发现了儿茶酚，它是硝基芳烃的前体，有趣的是，硝基芳烃被用来治疗咳嗽。起初，这并不是一个特别有趣的发现——只是他们在已鉴定的数百种 VOC 中的另一种分子。但在实验室工作后的两年里，科根开发了一个化学模型，表明硝基芳烃可能在氮的生命周期中发挥关键作用，因此也在臭氧的形成中发挥关键作用。“当它们存在时，臭氧就减少了，”他说。

在查看了他称之为基于模型运行的粗略计算后，科根怀疑野火应该产生大量的硝基芳烃。这些分子从未在这种情况下进行过研究。因此，通过修改现有工具，瓦内克和科根开发了一种设备，用于分析空气中分子的浓度，每十分之一秒分析一次。这种设备被称为质子转移反应质谱仪，体积小到可以安装在 DC-8 的机架上，正是这种仪器让科根在飞行过程中注意到了一些非凡的东西。

烟雾中的信号

“我们正在进入！我们现在正在进入！”当 DC-8 开始晃动和发出哔哔声时，克劳福德通过飞机的通信系统说道。在离开蒙大拿州的北山大火一个半小时后，DC-8 飞机陡峭下降，抵达了“现在去这里”：沙斯塔山阴影下的 14,000 英亩的塔克大火。当飞机进入烟羽时，光线变成橙色，木烟味弥漫在机舱内。

科根坐在飞机左翼后面，盯着一个屏幕，屏幕上显示着来自质谱仪的数据。图表测量了数百种不同 VOC 的分子组成，但科根的目光集中在儿茶酚上，儿茶酚现在的含量非常高，并且正在迅速下降。“这比我们两天前看到的还要多！”他说。质谱仪无法检测到任何硝基芳烃——只能检测到它们的前体化合物。但科根对儿茶酚的去向有所怀疑。突然，他站起身，在湍流的颠簸中蹒跚地走向怀亚特·布朗，怀亚特·布朗是一位研究生，大约在机舱三分之一的位置。布朗正在运行一台仪器，该仪器可以检测到科根的仪器无法检测到的物质：亚微米气溶胶，例如硝基芳烃。“你看到了吗？”科根问道。布朗指着屏幕——硝基儿茶酚，一种硝基芳烃，已被明确检测到。

科根的反应过于精彩，无法印刷。尽管他亲眼目睹了他在模型中看到的化学反应在现实世界中得到了证实，但大量的新数据仅仅是一个棘手过程的开始。科根后来猜测，这将需要两年时间和进一步的研究来确定硝基儿茶酚是否是一种氮库，它像 PAN 一样暂时锁定了氮元素并延迟了臭氧的产生，或者它是否永久性地隔离了氮元素，阻止了臭氧的形成。任何一种理论都可能对预测烟雾产生的臭氧以及烟雾对人类的影响产生深远的影响。

在整个活动过程中，这样的谜团变得司空见惯。他们意外测量到的一场房屋火灾，当时他们试图在堪萨斯州采集生物质燃烧样本，考虑到野火燃烧人类基础设施的频率越来越高，这个案例研究最终可能会特别有用。佛罗里达州松树林中的低强度控制性火灾在点燃后几乎立即产生了大量的臭氧，这与华盛顿州的一场高强度野火形成对比，后者似乎几乎没有产生臭氧。瓦内克猜测，并希望数据能够证实，这种可变性是由于佛罗里达州的火灾在阳光明媚、烟雾稀薄的日子里燃烧了富氮燃料，而在华盛顿州，烟雾达到 31,000 英尺的高度，化学反应被太浓密的烟柱阻止，阳光无法穿透。也许最令人烦恼的是 PM 2.5 的二次形成。在几次火灾中，他们观察到 PM 2.5 的体积先下降，然后又再次增加。他们在实验室观察到的相同过程也在自然界中发挥作用吗？

在纵横交错地穿过塔克大火的烟羽一个小时后，太阳落到了太平洋后面。从飞机的窗户向外望去，地面上仍然可以看到火灾，一条长长的橙色缎带在黑暗中蜿蜒延伸。DC-8 飞机的燃料即将耗尽。飞行员向东转向博伊西，克劳福德终于离开了驾驶舱。“作为一次单独的排放事件，这只是沧海一粟，”他说。“但是我们可以从这里推断出的细节将非常宝贵。”

很快，科学家们将转向不太激动人心的任务，即组织数据并准备论文，这些论文可能会调整侧重于健康的建模和预测工具。索亚解释说，从长远来看，这些工具“理想情况下可以放宽法规，使点燃更多计划烧除变得更容易”。但是那天晚上，沉浸在烟雾味中的科学家们握手并互相祝贺。有人开玩笑说，瓦内克最好在他们降落时为团队准备好佳得乐浴。