野火的隱性代價

“這很有意思。不算太濃，”大氣化學家吉姆·克勞福德說道，他的耳朵後面貼著暈機貼。當時是 2019 年 7 月下旬的下午，克勞福德正全神貫注地盯著一股野火產生的煙霧，這股煙霧從 NASA 改裝成空中實驗室的前商用噴氣式飛機的駕駛艙中清晰可見。在機艙內，35 位科學家和工程師正在校準他們的儀器。氣氛緊張：他們的大多數儀器都是為測量城市汙染物而設計的，它們能在充滿顆粒物的空氣中工作嗎？這架 50 年的飛機在煙柱中會有什麼反應？當 DC-8 進入一股由蒙大拿州米蘇拉郊外的一場大火升至 12,000 英尺高的煙羽時，飛機震動並顛簸。“45 秒，然後掉頭，”克勞福德指示飛行員。湍流出乎意料地溫和，他想再穿過一次。

這只是 FIREX-AQ 空中部分的第三次飛行，這是一個由美國國家海洋和大氣管理局 (NOAA) 和 NASA 領導的雄心勃勃的三年專案。該專案旨在探測生物質燃燒產生的煙霧的精確化學成分，並確定（除其他外）煙霧何時以及為何對人類健康最危險。去年夏天，在為期六週的時間裡，DC-8 和一對同樣裝有大氣取樣儀器的雙水獺飛機飛越了 100 多個不同的煙柱。它們的範圍從堪薩斯州小型農業燃燒產生的煙霧泡，到華盛頓州威廉姆斯弗拉茨大火噴射出 31,000 英尺蘑菇雲，一位科學家將這場大火比作火山爆發。生物質煙霧從未被如此詳細和廣泛地研究過。儘管火災貢獻了大氣中高達三分之一的顆粒物，但“很少有研究檢查煙霧中不同成分對疾病的具體作用以及人們暴露於煙霧中時疾病的嚴重程度，”美國環境保護署的一位主管在 2018 年表示。

我們知道，長期暴露於細顆粒物（所有煙霧中都存在）會導致心臟和肺部疾病、心律不齊和哮喘加重等問題。據估計，2016 年在全球範圍內造成 420 萬人過早死亡。同樣，長期暴露於臭氧（一種當煙霧進入大氣層時透過化學反應形成的氣體）每年至少造成 100 萬人過早死亡。我們缺乏的是對這些有毒成分和其他成分如何在不同型別的生物質煙霧中形成的基本理解。目前，空氣質量監管機構將所有生物質燃燒產生的排放物視為相同，即使事實並非如此。通過了解這些過程，FIREX-AQ 團隊希望提高野火排放預測的準確性，以便教練員更好地知道何時取消足球訓練，醫院可以預測免疫功能低下的人的湧入，監管機構可以保護戶外工作人員免受危險暴露。他們的資料還可以幫助土地管理者進行控制性燃燒，從而減輕未來野火的嚴重程度和對健康的影響。

支援科學新聞報道

如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您將有助於確保未來能夠繼續報道關於塑造當今世界的發現和思想的具有影響力的故事。

克勞福德查看了他的平板電腦，滾動瀏覽正在取樣的數百種顆粒物和氣體的即時更新。他上次乘坐 DC-8 飛機還是在韓國首爾研究城市汙染物。他說，即使在小城市，研究人員也看到了比他和他的團隊當天所目睹的嚴重得多的汙染。“但是所有這些火災是如何疊加的呢？”他問道。“火災會產生多少臭氧？臭氧形成的化學原理是什麼？以及如何規範一種自然現象？”FIREX-AQ 的另一位首席研究員卡斯滕·瓦內克解釋說，空氣質量模型將野火煙霧視為煙霧事件，但這完全是不同的問題。瓦內克在科羅拉多州博爾德的 NOAA 地球系統研究實驗室工作。

在南部約 350 英里的愛達荷州博伊西的戈溫菲爾德空中國民警衛隊基地，瓦內克和另外 50 名科學家正在篩選氣象模式、燃料、即時衛星資料和正在進行的火災更新，以確定西部哪些野火最符合 FIREX-AQ 的目標。“科學家很多，他們想要的東西略有不同，”國家航空航天研究所副研究員安伯·索亞說，她負責向參與 FIREX-AQ 的 400 名研究人員簡要介紹當天的火災活動。

對於今天的任務，當 DC-8 滑行到跑道準備起飛時，團隊選擇了蒙大拿州的北山大火。在正在考慮的九場火災中，它的煙柱最為明顯。這場火災面積相對較小，為 4,600 英畝，毫不起眼——而這正是它在科學上具有吸引力的地方。儘管美國林務局的消防員仍在努力控制火勢，但他們批准 DC-8 在不同的時間和空間對煙羽進行取樣，從而捕捉煙霧中的成分以及煙霧如何隨著下風移動而變化，並與新的條件和環境相互作用。

在一個小時內第 16 次穿過煙羽後，克勞福德收到了來自任務指揮部瓦內克的訊息。訊息中包含一張衛星影像，影像顯示一股煙柱從加利福尼亞州沙斯塔山下方的雲層上方噴射而出，距離西南方向近 800 英里。瓦內克在煙羽周圍畫了一個圈，並在旁邊用紅墨水潦草地寫著：“現在去這裡！”

前所未有的專案

FIREX-AQ，即火災對區域到全球環境和空氣質量的影響，誕生於蒙大拿州的火災實驗室。在那裡，NOAA 研究化學家吉姆·羅伯茨對研究野火煙霧中存在的酸產生了興趣，他曾是 20 世紀 70 年代臭氧危機期間開發大氣氮測量技術的團隊成員。2009 年，在燃燒黃松樹枝和美國西部其他典型燃料時，他發現了一種特別有害的化合物，稱為異氰酸。人類經常接觸這種化合物（來自香菸和烹飪火等來源）會導致白內障、類風溼性關節炎和心臟病。不久之後，羅伯茨在科羅拉多州博爾德的辦公室裡，該州歷史上最具破壞性的野火爆發了，燒燬了數萬英畝土地，摧毀了該鎮郊外的數百棟房屋。

羅伯茨好奇他的實驗室發現是否會在現實世界中成立，於是拖出一個測量酸的儀器來測試博爾德的空氣。他發現了大氣中測量到的異氰酸的最高濃度。在此之前，沒有人想到要尋找它。“我有兩個晚上沒睡，”他說。“生物質燃燒界完全不知道煙霧中含有異氰酸。還有什麼我們不知道的？”

總的來說，自 1970 年美國國會透過《清潔空氣法》以來，美國城市的空氣質量已大大改善。但是，當野火在城市地區附近燃燒時，煙霧會抵消這些改善。2019 年，按臭氧衡量，美國汙染最嚴重的八個城市都在西部。按 PM 2.5 衡量——小於 2.5 微米的顆粒物，可以嵌入人類肺部並進入血液——前 25 個城市中有 23 個位於西部或阿拉斯加。這種趨勢幾乎肯定會持續下去：林務局現在預計到 2050 年，每年燒燬的面積將增加一倍。

造成這個問題的主要罪魁禍首是氣候變化：西部正在變得更加溫暖和乾燥。2019 年 7 月，哥倫比亞大學的氣候建模師帕克·威廉姆斯在《地球的未來》雜誌上發表研究結果，表明 1972 年至 2018 年間加利福尼亞州燒燬面積增加了五倍很可能與高溫天氣溫度升高 1.4 攝氏度有關。他說，人為變暖是罪魁禍首。

森林狀況也在加劇火災方面發揮著重要作用。在對西部生態系統必不可少的火災進行了 100 年的積極抑制之後，現在許多森林的密度超過了其歷史常態。例如，在加利福尼亞州內華達山脈的某些地區，每英畝有 1,000 棵樹，而曾經只有 50 到 70 棵。與此同時，人類不斷遷入適應火災的生物群落。在 20 世紀 90 年代，美國有 3080 萬人居住在經常燃燒的土地旁邊或土地上；二十年後，這一數字為 4340 萬。這些趨勢的致命融合在 2018 年的坎普大火中得到了充分體現，這場大火夷平了人口為 26,800 人的加利福尼亞州天堂鎮，燒燬了 18,804 棟建築物，並導致至少 85 人死亡，其中大多數人在太陽完全升起之前就已喪生。

全球每年約有 4% 的土地被燒燬，破壞性日益增強絕不僅僅是美國的問題。在撰寫本文時，2019 年底爆發的澳大利亞叢林大火的燒燬面積是加利福尼亞州 2018 年火災和亞馬遜 2019 年火災面積總和的兩倍多。儘管隨著自然場所被改造成牧場和農田，每年燒燬的總面積正在縮小，但氣候變化現在正在歷史上沒有大規模燃燒記錄的環境中助長火災，同時加劇了確實發生火災的地方的火勢。2018 年夏天，北愛爾蘭發生了前所未有的大火。北極和亞北極西伯利亞地區也發生了 740 萬英畝的大火。亞利桑那州立大學的榮譽退休教授、火災科學家斯蒂芬·派恩將這個時代稱為“火紀”。

NOAA 科學家並非直接關注野火煙霧；只是忽視它變得不可能了。在 21 世紀初，在研究透過亞洲輸送到阿拉斯加北極地區的霧霾以及美國東北部城市以外的空氣質量時，他們驚訝地發現野火的化學足跡遍佈他們的資料。“多年來，我們一直專注於城市汙染，但我們飛越這些城市地區，看到所有這些來自野火的東西，”羅伯茨說。他越來越相信，煙霧和空氣質量應該得到 NOAA 研究的充分重視。然後，就像現在一樣，火災排放的觀測預測是不可靠的。在 2008 年《應用遙感雜誌》上發表的一篇文章中，對四種火災排放模型的比較發現，對大氣碳月度貢獻的估計可能相差 10 倍。一個問題是，北美火災排放模型是基於從僅 39 個不同火災事件中收集的資料——考慮到火災的可變性，資料非常匱乏。

羅伯茨和瓦內克都是 NOAA 的研究夥伴，他們對這個問題產生了興趣，於是給他們在蒙大拿大學的長期合作者鮑勃·約克爾森打了電話，約克爾森研究野火煙霧已經近 30 年了。約克爾森是一位來自蒙大拿州的前消防員，身材高大，他幫助領導了 FIREX-AQ 的最初版本。他說，直到 20 年前，對野火煙霧的實地研究還只是由他和另外幾位大學教授完成的，他們租了一架雙水獺飛機，裝滿了儀器，並在煙柱邊緣徘徊。他們對與 FIREX-AQ 相同的氣溶膠、顆粒物和氣體感興趣，但他們的測量要粗糙得多。約克爾森誇大了該領域的簡單性，但執行一個綜合專案所需的資產從未部署過。這簡直太昂貴且風險太大了。“我們是在盲目地走向未來，”約克爾森說。

在一系列具有歷史意義的嚴重煙霧季節明確表明火災時代已經到來之後，數百萬美元的主要研究活動資金隨之而來。除了可以高空飛行和遠距離飛行的 DC-8 飛機外，FIREX-AQ 團隊還為靈活的螺旋槳飛機配備了空氣質量取樣儀器，以便在較低的高度和更靠近煙柱的地方飛行，以及在煙霧瀰漫的農村社群飛行。他們還為卡車配備了地面嗅探煙霧的裝置。在噴氣式飛機上，他們部署了不同波長的雷射器，以即時繪製三維煙柱圖；有一種儀器可以感應乙腈，乙腈是一種已知是生物質燃燒的指示物種的化學物質，而其他感測器則尋找黑碳和棕碳、亞微米氣溶膠成分以及其他成分的長列表。這種工具的彙編將測量儘可能多的形式和大小的顆粒物和氣體，這是最先進的技術可以捕捉到的。

透過更精細地確定煙霧中的成分及其有害產物形成的途徑，空氣質量預報員可以更好地預測野火排放對人類健康的影響。瞭解不同型別火災之間的煙霧差異還可以減輕火災管理的負擔，特別是在進行計劃燒除時。這些受控的、較低強度的火災模仿自然火災，其目的是減少未來野火的可用燃料量。由於社會、環境和監管方面的原因，它們也出了名的難以點燃。美國環保署嚴格監管計劃燒除產生的煙霧，儘管沒有實地研究表明低強度燃燒產生的排放物與猛烈野火產生的排放物一樣有毒。

“當談到天空中的煙霧時，要麼現在付出代價，要麼以後付出代價，”索亞說。她的意思是，無論管理者選擇按自己的意願點燃火災，還是讓大自然決定何時燃燒適應火災的景觀，天空都會煙霧瀰漫。然而，某些型別的煙霧可能比其他型別的煙霧對人類健康更不利。“我們必須瞭解排放因子，以便人們可以在現場做出更好的決策。”

VOC 的可變性

2016 年秋季，FIREX-AQ 團隊前往蒙大拿州的火災實驗室，開始剝離排放物的層層外衣。為了弄清楚下風處的煙霧會變成什麼樣子，以及它如何產生有害的氣溶膠和臭氧，他們必須瞭解其在著火點的內容。也許某些植物在燃燒時產生的煙霧比其他植物產生更多的臭氧和 PM 2.5？

該團隊收集了來自蒙大拿州的黃松、來自加利福尼亞州的紫丁香灌木、來自亞利桑那州的橡樹以及美國西部經常燃燒的其他 18 組物種。他們乾燥並稱重植物，然後將它們鋪在編織在巨大通風罩下方的雞籠網上。他們用每種燃料型別點燃了兩場火災：一場陰燃，升起的煙霧看起來像熔岩一樣粘稠，另一場更熱的燃燒，煙霧與火焰並肩而立。

他們驚奇地發現，火災的溫度比燃燒的植物種類更能決定排放物。某些揮發性有機化合物 (VOC) 在低溫燃燒期間排放，而另一些 VOC 主要在高溫燃燒期間出現。火災的溫度可以用來預測約 80% 的排放物，結果於 2018 年發表在《大氣化學與物理學》雜誌上。

對於其中一些燃燒，研究人員捕獲了煙霧樣本，並將它們放入裝有紫外線燈的特氟龍袋中，以模擬陽光。他們對 PM 2.5 感興趣，PM 2.5 是所有火災都會排放的。長期暴露可能是致命的，即使水平低於 EPA 限制。在 2017 年和 2018 年，西部有超過 1000 萬人暴露於超過 EPA 空氣質量標準的 PM 2.5 水平。預計 30 年後，這一數字將接近 8200 萬。到 2100 年，預計慢性吸入野火煙霧每年將在美國造成 40,000 人死亡。

在袋子中，PM 2.5 的初始輸出迅速消散，顆粒物水平降低——正如預期的那樣。但在某些實驗中，幾個小時後，某些化學物質開始凝結。就像聚集在一起的水銀珠一樣，其他顆粒物沉降在這些不斷增長的表面上，直到 PM 2.5 水平在幾個小時前剛剛下降後又以新的形式爆發。瓦內克不確定是什麼過程解釋了 PM 2.5 的重新形成，但他認為他找到了一個起點。它最常在鄰苯二酚的存在下增加，鄰苯二酚是木材構件中的一種大分子，由陰燃火災排放。關於這一發現最有趣的是，如果他們將火災的溫度與 PM 2.5 的產生聯絡起來，那麼就有可能從已經測量火災強度的衛星預測火災的 PM 2.5 輸出。他和 NOAA 的研究科學家馬特·科根還發現，鄰苯二酚可能在與野火相關的臭氧形成中發揮關鍵作用。

反覆暴露於臭氧會降低肺功能。臭氧不是野火的直接排放物；相反，它是當氮氧化物、VOC 和陽光以適當比例混合時形成的。煙霧中始終存在 VOC，陽光是火焰的密切夥伴。但是野火中氮的產生是微妙的。陰燃會從植物中釋放氨氣，氨氣是一種非反應性氮。高溫燃燒會釋放揮發性氮氧化物。“棘手的是煙羽中的化學成分非常活躍，”科根說。“即使在大型火災發生後一小時內，它也會轉化為與最初排放物截然不同的東西。”

這些轉變的原因在近 20 年來已廣為人知。在大型野火中，火焰從植物中釋放出的氮氧化物被夾帶在煙霧中，並被火災的熱量吹到對流層上層。隨著它的上升，一些化合物與自由基發生反應，直到經過一系列反應後，最初是氮氧化物的東西可能會變成過氧乙醯硝酸酯 (PAN)，這是一種在溫度足夠低時相對穩定的分子。只要煙霧繼續在上對流層較冷的溫度中漂移，氮就會被鎖定，臭氧產生過程基本上就會凍結。

但是，當煙霧開始再次沉降到較低海拔的較溫暖溫度中時，PAN 會分解，氮氧化物會返回。突然，在距離火災發生地數百甚至數千英里的下風處，臭氧可能會以對人類有毒的量形成。這有助於解釋為什麼在某些野火事件期間，當源於西部的煙羽向東漂移時，中西部甚至東部城市的臭氧水平會飆升。城市地區已經富含來自汽車和化石燃料工業的氮氧化物，當野火排放物在炎熱的夏日吹入城鎮時，可能會遠遠超過其空氣質量超標水平。這些情況使西雅圖在 2018 年的幾個時段成為世界上空氣質量最差的城市。

科根和瓦內克想知道的是，是否還有其他火災排放的分子也起著與 PAN 相似的作用。在他們的實驗室研究中，他們發現了兒茶酚，它是硝基芳烴的前體，有趣的是，硝基芳烴被用來治療咳嗽。起初，這並不是一個特別有趣的發現——只是他們在已鑑定的數百種 VOC 中的另一種分子。但在實驗室工作後的兩年裡，科根開發了一個化學模型，表明硝基芳烴可能在氮的生命週期中發揮關鍵作用，因此也在臭氧的形成中發揮關鍵作用。“當它們存在時，臭氧就減少了，”他說。

在查看了他稱之為基於模型執行的粗略計算後，科根懷疑野火應該產生大量的硝基芳烴。這些分子從未在這種情況下進行過研究。因此，透過修改現有工具，瓦內克和科根開發了一種裝置，用於分析空氣中分子的濃度，每十分之一秒分析一次。這種裝置被稱為質子轉移反應質譜儀，體積小到可以安裝在 DC-8 的機架上，正是這種儀器讓科根在飛行過程中注意到了一些非凡的東西。

煙霧中的訊號

“我們正在進入！我們現在正在進入！”當 DC-8 開始晃動和發出嗶嗶聲時，克勞福德透過飛機的通訊系統說道。在離開蒙大拿州的北山大火一個半小時後，DC-8 飛機陡峭下降，抵達了“現在去這裡”：沙斯塔山陰影下的 14,000 英畝的塔克大火。當飛機進入煙羽時，光線變成橙色，木煙味瀰漫在機艙內。

科根坐在飛機左翼後面，盯著一個螢幕，螢幕上顯示著來自質譜儀的資料。圖表測量了數百種不同 VOC 的分子組成，但科根的目光集中在兒茶酚上，兒茶酚現在的含量非常高，並且正在迅速下降。“這比我們兩天前看到的還要多！”他說。質譜儀無法檢測到任何硝基芳烴——只能檢測到它們的前體化合物。但科根對兒茶酚的去向有所懷疑。突然，他站起身，在湍流的顛簸中蹣跚地走向懷亞特·布朗，懷亞特·布朗是一位研究生，大約在機艙三分之一的位置。布朗正在執行一臺儀器，該儀器可以檢測到科根的儀器無法檢測到的物質：亞微米氣溶膠，例如硝基芳烴。“你看到了嗎？”科根問道。布朗指著螢幕——硝基兒茶酚，一種硝基芳烴，已被明確檢測到。

科根的反應過於精彩，無法印刷。儘管他親眼目睹了他在模型中看到的化學反應在現實世界中得到了證實，但大量的新資料僅僅是一個棘手過程的開始。科根後來猜測，這將需要兩年時間和進一步的研究來確定硝基兒茶酚是否是一種氮庫，它像 PAN 一樣暫時鎖定了氮元素並延遲了臭氧的產生，或者它是否永久性地隔離了氮元素，阻止了臭氧的形成。任何一種理論都可能對預測煙霧產生的臭氧以及煙霧對人類的影響產生深遠的影響。

在整個活動過程中，這樣的謎團變得司空見慣。他們意外測量到的一場房屋火災，當時他們試圖在堪薩斯州採集生物質燃燒樣本，考慮到野火燃燒人類基礎設施的頻率越來越高，這個案例研究最終可能會特別有用。佛羅里達州松樹林中的低強度控制性火災在點燃後幾乎立即產生了大量的臭氧，這與華盛頓州的一場高強度野火形成對比，後者似乎幾乎沒有產生臭氧。瓦內克猜測，並希望資料能夠證實，這種可變性是由於佛羅里達州的火災在陽光明媚、煙霧稀薄的日子裡燃燒了富氮燃料，而在華盛頓州，煙霧達到 31,000 英尺的高度，化學反應被太濃密的煙柱阻止，陽光無法穿透。也許最令人煩惱的是 PM 2.5 的二次形成。在幾次火災中，他們觀察到 PM 2.5 的體積先下降，然後又再次增加。他們在實驗室觀察到的相同過程也在自然界中發揮作用嗎？

在縱橫交錯地穿過塔克大火的煙羽一個小時後，太陽落到了太平洋後面。從飛機的窗戶向外望去，地面上仍然可以看到火災，一條長長的橙色緞帶在黑暗中蜿蜒延伸。DC-8 飛機的燃料即將耗盡。飛行員向東轉向博伊西，克勞福德終於離開了駕駛艙。“作為一次單獨的排放事件，這只是滄海一粟，”他說。“但是我們可以從這裡推斷出的細節將非常寶貴。”

很快，科學家們將轉向不太激動人心的任務，即組織資料並準備論文，這些論文可能會調整側重於健康的建模和預測工具。索亞解釋說，從長遠來看，這些工具“理想情況下可以放寬法規，使點燃更多計劃燒除變得更容易”。但是那天晚上，沉浸在煙霧味中的科學家們握手並互相祝賀。有人開玩笑說，瓦內克最好在他們降落時為團隊準備好佳得樂浴。