O2019 年 6 月 5 日,一场异常早春雷暴引发的闪电点燃了阿拉斯加中南部基奈国家野生动物保护区深处的大火。五月底的高温逆转了潮湿的春天,并迅速使森林地面变干。随着异常温暖的天气持续,由此产生的天鹅湖大火在斯特林东北约 5 英里处无情地蔓延了一个月。到 7 月 9 日,超过 99,000 英亩的土地被烧毁,400 多人在与火焰作斗争。 8 月 17 日,大风改变了火势,导致多人疏散。风还吹倒了电线,引发了新的火灾,包括 Deshka Landing Fire 和快速移动的 McKinley 火灾,这些火灾吞没了 130 多所房屋、企业和附属建筑。幸运的是,没有人死亡。

天鹅湖大火一直燃烧到 10 月,在 167,000 英亩(261 平方英里)的土地被烧焦后,迟到的降雨终于帮助消防员控制了大火。在长达五个月的大火中,警察不得不多次关闭该地区唯一的主要道路 Sterling 高速公路。卫生官员发布了关于“不健康”甚至“危险”烟雾弥漫的警告,其中充满了微小颗粒物,在 6 月、7 月和 8 月的三分之一天中,该州 60% 的人口居住在中南部地区。人口。依赖旅游业的企业损失了 20% 的季节性收入。

冬季降雪和寒冷让人们暂时缓和,但在 2020 年 1 月,一名修造雪机小径的工作人员报告说,德什卡登陆火灾所在的地方冒烟。当消防员赶到时,他们发现火势并没有完全熄灭。它已经在地下闷烧了四个月,然后又穿过积雪重新出现。随着该州在 6 月再次变得温暖干燥,有报道称天鹅湖大火发生的地方烟雾缭绕。它阴燃了八个月的冬春季节,然后重新点燃。

随着气候变化使阿拉斯加的火灾季节变得越来越热,这些所谓的僵尸火灾——被认为已经死了但又复活了——正在燃烧。从 2005 年到 2017 年,阿拉斯加和加拿大西北地区的消防管理人员报告了 48 起在漫长的冬天中幸存下来的僵尸火灾。阿姆斯特丹自由大学的遥感专家 Rebecca Scholten 与阿拉斯加的消防管理人员合作,通过卫星图像进行搜索,发现了另外 20 处未记录在案的地方。这种不寻常的现象发生在高北地区,它是 2020 年 3 月和 2021 年 3 月西伯利亚北部极早发生火灾的原因。

暴露永久冻土和冰楔的天坑。
在火灾烧毁绝缘表面层后会形成落水洞,暴露出永久冻土和融化和坍塌的冰楔,这发生在 Anaktuvuk 河火灾之后。信用:埃里克·米勒 土地管理局阿拉斯加消防局

僵尸火灾可能会再次发生,因为在北方生态系统中,树木不是唯一的——甚至不是主要的——燃料。一片厚厚的、有机的、由活的和死的植物材料组成的毯子覆盖在没有树木的苔原和它们南部的北方森林的表面。这种致密的泥炭层被称为 duff,是每年夏天死去的表层苔藓和枯枝落叶的堆积物,它们的分解因这些高纬度地区的低温而减慢。 Duff 的厚度可以从 3 到 20 英寸(8 到 50 厘米)不等。它可以累积数百年,随着时间的推移变得越来越紧凑和密集。

羽绒服的表面是绿色的单板,主要由羽毛苔藓制成,没有根部或血管系统,而是直接从空气中吸收水分。它们的含水量几乎随相对湿度同时变化;即使在雨后,苔藓也能在数小时内干燥到足以燃烧。气候变化给北部高纬度地区带来了更长、更热、更干燥的夏季和更短的冬季,正在将大片森林和树木变成闪电或粗心的人很容易点燃的火药盒。

北部高地的野火频率和规模都在增加。它们也在改变景观和生态系统。除了作为燃料之外,达夫还是地下冻土的显着绝缘体——以至于自更新世以来它一直保持阿拉斯加的大部分地下冰冻。每半英寸的厚度使下面的永久冻土层——保持在冰点以下两年或更长时间的地面——温度降低约 1 华氏度(0.6 摄氏度)。但是,如果有足够的尘埃燃烧掉,下面的永久冻土就会融化,阿拉斯加的部分地区就会变成软化、塌陷的地面。植根于这片融化地面的树木可以向各个角度倾斜,就像随意的比萨斜塔一样。

广泛的野火也在加速气候变化。大火将大量的二氧化碳排放到大气中。其中大部分来自达夫,而不是树木。高纬度地区厚厚的尘埃层储存了地球上所有土壤碳的 30% 到 40%。据美国宇航局地球科学部的克里斯托弗·波特称,2015 年阿拉斯加内陆地区的严重野火烧毁了 510 万英亩,从站立的植被中释放了约 900 万吨的碳,从大气中释放了 1.54 亿吨的碳。 (该计算包括随后两年因分解和侵蚀而损失的碳。)CO 总量2 等于 2017 年加州所有汽车和卡车的排放量。随着更多地面解冻,下层凝灰岩中的冰融化并流失,使凝灰岩更深地干燥,使其更容易深入燃烧。这种反馈循环很可能会扩大被烧毁的土地面积,加剧数百万人的健康状况,并使气候变化比以往任何时候都更快。反馈甚至可以将整个区域从吸收碳多于排放的区域转变为碳排放多于吸收的区域。

达夫覆盖森林地面。
覆盖高纬度森林地面的达夫可达 20 英寸厚(统治者);僵尸之火可以在该层闷烧一整个冬天。在着火前插入 duff 的金属棒可以显示随后的火焰消耗了多少(黄色袖子)。信用:兰迪·詹特

湿而干

人们往往认为阿拉斯加下雪且不太可能燃烧,但该州的大部分地区,尤其是内陆地区,属于大陆性气候,冬季漫长寒冷,但夏季温暖且相对干燥。如果您在夏季飞越阿拉斯加内陆,您会看到一片由森林、草地和湖泊组成的广阔绿色景观。郁郁葱葱的外观是骗人的,因为该地区降水很少。春季积雪缓慢、持续的融化,紧接在每年冬天重新冻结的凝灰岩下方的“活跃层”解冻,为绿化提供了水,但若天气温暖一两周,凝灰岩表面可能会变得沙漠干燥。

北方森林是地球上最大的林地生物群落,占全球森林面积的 30%。它们也是北方最容易着火的生态系统。阿拉斯加内陆的北方地区以黑云杉为主:小而生长缓慢的树木形成密集的林分。它们的枝条一直向下伸入泥土中,为火提供了一个梯子。作为 7000 年来阿拉斯加的主要针叶树,黑云杉已经适应了火焰;它们的锥体聚集在树的最顶端,在火灾后打开以撒下种子,这有助于重建生态系统。

几十年来,阿拉斯加的消防管理人员一直在监测偏远地区的点火情况,并通常允许它们燃烧,从而更新依赖于火的生态系统;毕竟,阿拉斯加的大部分地区几乎没有需要保护的定居点或基础设施。这种具有成本效益的方法帮助阿拉斯加在很大程度上避免了在 48 个州普遍存在的森林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,研究人员可以在没有人为干预的情况下看到气候如何改变野火。

图表显示了过去几十年阿拉斯加夏季气温、降雪和火灾季节以及烧毁面积的变化。
图片来源:Jen Christiansen;资料来源: 阿拉斯加不断变化的野火环境,作者:Z. Grabinski 和 H. R. McFarland,阿拉斯加火灾科学联盟,阿拉斯加费尔班克斯大学国际北极研究中心,2020 年; Rick Thoman,根据 NOAA 和国家气象局的数据(温度); Brian Brettschneider,基于国家冰雪数据中心的数据(雪季); Zav Grabinski,根据阿拉斯加机构间协调中心的数据(火灾季节); Rick Thoman,根据阿拉斯加跨机构协调中心的数据(英亩被烧毁)

直到最近,火灾通常会杀死树木,但不会深入到地壳中,因为较低层的水分阻止了更深的燃烧。在特别炎热和干燥的条件下,偶尔会发生严重的深度烧伤。在他们的余波中,草地、灌木丛和阔叶林(桦木、杨树和白杨)的马赛克通常出现,取代了云杉。现在这些极端事件正在增加。近年来,阿拉斯加的森林火灾打破了记录,燃烧的面积更大、强度更大、持续时间更长。一百万或更多英亩土地燃烧的季节是 30 年前的两倍。

整个北极-北方地区的升温速度是温带地区的 1.5 到 4 倍。阿拉斯加在过去 50 年中升温了 4 华氏度,阿拉斯加国家公园管理局的大卫斯旺森在 2021 年发表的证据表明,自 2014 年以来,变暖速度更快。这种“北极放大”在很大程度上是由消失的海冰和陆地冰,留下更大面积的深色海洋和地表,吸收比冰或雪多得多的阳光。

冬天比夏天变暖得更快,但累积效应意味着积雪现在比 1990 年代晚一周形成,并比 1990 年代提前两周融化,使一年中的更多时间干燥。火灾季节比 30 年前至少长了一个月,这给机构带来了延长消防员和飞机合同的压力。 2016 年阿拉斯加创造了火灾季节长度的记录:4 月 17 日,在帕尔默附近,跳伞到偏远地区的冒烟者记录了当时 57 年历史上最早的火灾跳跃。阿拉斯加林业部仍在附近灭火十月初的安克雷奇——在寒冷的风中,从头顶的直升机铲斗中溅出的水都被冻住了。

与火势增长密切相关的极端炎热天气也在增加。在天鹅湖和麦金利火灾的 2019 年,安克雷奇创下 32 项新纪录,并首次经历了 90 华氏度。根据最新的气候模型,到本世纪中叶阿拉斯加内陆地区,每年高于 77 华氏度的天数(这是可燃植被干燥的关键阈值)预计将翻一番。

世界范围内正在发生更多的高纬度火灾。在北极圈内,2020年是卫星观测到的野火创纪录的一年,2019年位居第二。在西伯利亚,估计表明 2020 年有超过 18,000 场火灾烧毁了 3500 万英亩土地——这个数字令人震惊。附近温度异常显着。 6 月 20 日,与阿拉斯加北部同一纬度的 Verkhoyansk 镇创下了历史记录:超过 100 华氏度。该地区的降水量非常低,自 1967 年开始测量以来,雪融化是最早的。 俄罗斯的火灾季节萨哈共和国现在比十年前长了两周,早期报告表明,西伯利亚 2021 年到 7 月的季节比 2020 年同期更广泛。 5 月,冰岛发布了该国的第一个野火危险警报。引发这些火灾的因素与阿拉斯加的因素相同。

永久冻土和闪电

黑云杉燃烧得非常壮观,但冒烟的大部分生物质是烟灰本身。森林地面每英亩可容纳 40 至 100 吨燃料。树木本身每英亩增加约 30 吨,即使如此,火焰也经常消耗大部分针叶和树枝,使更密集的树干站立。

duff 具有紧凑但通风的分层,是下面冻结地面的极好绝缘体。这些地区的永久冻土分布广泛,已有数万年的历史。到本世纪末,阿拉斯加预计将仅因气候变暖而失去 25% 的永久冻土面积。火可以加速这个过程。当它留下不到五英寸的绝缘层时,下面的永久冻土可能会解冻并大幅降解。在阿拉斯加的中纬度地区,火灾可能会引发足够的融化,以至于永久冻土永远不会恢复,除非另一个冰河时代。

火引起的解冻的一个极端例子是 2007 年的 Anaktuvuk 河火灾 (ARF),它烧毁了阿拉斯加最北端地区北坡、纬度 70 度的 250,000 英亩苔原。北极圈(北纬 67 度)以外的火灾很少见;到目前为止,研究人员没有记录到如此严重的北方大火。闪电在 7 月点燃了 ARF。虽然它似乎在八月之前就出来了,但它在没有树木的地表下无声无息地闷烧,然后在温暖的九月咆哮着恢复生机。火焰在大范围内喷出浓烟滚滚,使远处村庄的居民窒息。土著猎人说,烟雾正在扰乱秋季驯鹿的迁徙。秋季极端干燥的天气让 ARF 燃烧得如此之深,变成了遭受干旱的冰雹,它继续闷烧到 10 月,当时湖泊结冰,雪再次覆盖该地区。最终,超过 400 平方英里的连续永久冻土地形留下了疤痕。

这场火灾如此异常,以至于我们中的一个人 (Jandt) 代表土地管理局的阿拉斯加消防局发起了一项研究,研究对植被和活动层的影响。 2008 年 7 月上旬,随后的北极夏季开始,该团队乘直升机抵达 ARF。通常每年这个时候的北坡是寒冷、多风和毛毛雨的。取而代之的是,直升机降落在湛蓝的天空下一片焦黑的海面上。温度是惊人的 80 华氏度——对于厚重的飞行服和绝缘靴来说太热了。天气又热又干,通常成群的蚊子都不见了,取而代之的是成群的黑蝇。

黑云杉针叶树。
黑云杉针叶树在阿拉斯加的森林中占主导地位,但如果它们深入燃烧,桦木、白杨和杨树等硬木可能会进入,改变栖息地和生态系统。图片来源:WorldFoto 阿拉米股票照片

调查小组看到积云是由温暖的、上升的气团形成的,这些气团可以成为雷暴的燃料。该州内陆地区的阿拉斯加人习惯于看到夏季高温会产生强烈的雷暴,尤其是在 6 月和 7 月,那时太阳几乎一天 24 小时都在升起。由闪电引发的火灾占阿拉斯加和加拿大苔原和北方森林烧毁面积的 90%。但北坡上的闪电很少见。乌特恰维克(以前称为巴罗)的一位因纽特人长老和终生居民说,她在 1992 年之前从未见过雷暴。

气候变化正在增加美国各地的闪电活动,最高纬度地区的变化最大。加州大学伯克利分校的 David Romps 于 2014 年进行的一项研究预测,气温每升高 1.8 华氏度(1 摄氏度),美国周边各州的闪电就会增加 12%。阿拉斯加费尔班克斯大学的 Peter Bieniek 2019 年的一项分析显示,在过去 30 年中,阿拉斯加范围内的闪电增加了 17%;在某些地区,这个数字高达 600%。阿姆斯特丹自由大学遥感学教授 Sander Veraverbeke 的模型预测,到 2050 年,阿拉斯加将经历的闪电增加 59%,导致闪电引发的野火增加 78%,燃烧面积增加 50%。 2021 年的一项研究发现,从 2010 年到 2020 年,北极地区的闪电数量增加了两倍。

北极阿拉斯加经历了该州所有地方中最剧烈的变暖,以及随之而来的最大的闪电浪潮。从 1976 年到 2018 年,乌特恰维克的年平均气温上升了 11.4 华氏度,秋季气温上升了 18 华氏度。

变化之地

调查小组在 2008 年至 2018 年北坡 ARF 地区的数据收集期间注意到的变化与严重火灾蔓延到阿拉斯加和整个北部后发生的变化相似。每次团队进入燃烧区域时,它都会记录植物覆盖情况,并将金属探针沿着许多横断面推入地下以测量活动层。解冻的土壤深度每年都变深,从比火灾发生一年后在燃烧区域外进行的相同测量大 4 英寸到四年后深 7.5 英寸。十年后,活动层显示出恢复迹象,可能会阻止解冻深度的增加。

尽管如此,这些测量并没有传达 ARF 上发生的表面变化的幅度。随着下面的永久冻土融化和水流失,地球的整个皮肤滑动并破裂。大块地块开始下沉或下沉,因为永久冻土的体积正在瓦解。从直升机上看,这片没有树木的地区的大部分地区看起来就像一个由土方组成的棋盘格;勾勒出它们中每一个轮廓的黑暗的、裂缝状的通道正在显着加深。宽达 200 英尺的陨石坑在融化的斜坡上形成,这种现象被称为热岩溶质量浪费。 60,000 年未见太阳的地下冰楔出现了,闻起来像死去的恐龙。

为了绘制不断变化的土地,美国地质调查局的遥感和永久冻土专家 Ben Jones 和 Carson Baughman 于 2017 年加入了团队远足。琼斯使用机载雷达确认地表下沉范围广泛,深度从 4 英寸到 40 英寸不等。燃烧区域东半部的大部分地区的表面粗糙度(衡量沉降的一种方法)增加了三倍,使景观通道更深,小丘更高,表面积更大。

琼斯和鲍曼在继续记录温度的燃烧和未燃烧区域留下了探针。测量结果表明,燃烧区域六英寸深的土壤每年平均升高 2.7 华氏度,夏季最高温度比未燃烧区域高 11 华氏度。显然,这种变暖会危及永久冻土,但它也会影响将主导该地区的植物。 ARF 火灾十年后,高大的灌木、禾本科植物和其他维管植物,其中一些以前很少见,数量急剧增加。在温暖的土壤中,快速生长的草和柳树灌木可以胜过火灾前盛行的生长缓慢的苔藓、地衣和矮灌木。与生长缓慢的苔藓相比,这些新来者每年向燃料床中添加更多的干垃圾。这或许可以解释为什么在 ARF 十年之后的 2017 年,在 2007 年的烧伤范围内出现了两个新的火灾疤痕,每个面积约 100 英亩。在燃烧区域内,在短短 10 年内重复火灾是不寻常的,据估计,两次火灾之间的可能间隔时间为数百年。

汇还是源?

研究人员正在努力了解高北地区火灾变化的后果。温室气体排放、空气质量差和基础设施损坏等直接影响是显而易见的。可能出现的次要影响很难预测。有些是预料之中的,例如由于烧焦的黑色表面导致夏季土壤变暖、起伏的景观以及随着被烧毁的植物重新发芽或重新播种而重新建立植被。季节性解冻的土壤可以加深;永久冻土,如果存在,可以消退。随着冰的融化,低洼地区会暂时变得湿润,有助于草、灌木和落叶乔木茁壮成长。

然而,随着时间的推移,苔原上的更多灌木会使地面变得更加温暖。一方面,它们拥有更多的雪,从而使地面与较冷的空气隔绝。随着融化的加深,被烧毁的斜坡和山脊会变得更干燥,从而允许更多的地下排水;新的传感技术揭示了“taliks”——未冻结土壤的口袋——位于燃烧区域深处,在永久冻土中建立解冻通道。在北方森林中,栖息地和树冠的变化改变了动物运动的模式。温暖土壤中的微生物会消化更多地层中的古老碳并解冻永久冻土,将其转化为温室气体,包括甲烷。

北方和苔原地区的更多燃烧,以及生态系统的级联变化,具有只有大型计算机模型才能估计的全球影响。这些模型预测,到本世纪末,北方燃烧可能会增加一倍甚至四倍,从无处不在的尘埃中释放出大量的碳。这种转变可能会将该地区从碳汇转变为碳源,从而加剧全球气候变化。

这可能不全是坏消息。一些研究表明,森林组成从云杉等针叶树转向桦树和白杨等易燃性较低的落叶树,以及由于海冰减少导致降雨量略有增加,可能会抵消部分预计的燃烧面积增加。如果落叶林在火灾后取代针叶林,它们可以反射更多的阳光,至少在冬天,当它们的叶子消失并且光线从下面的雪反射时,会缓和气候变暖的反馈。温暖的苔原土壤已经产生了更多的灌木,最终可以支持树木,这可以将土壤和永久冻土中损失的一些碳隔离在木材中。但魔鬼在细节中。我们需要对这些因素中的每一个进行更好的估计,以预测反馈将如何展开。

在科学家们从事这些任务的同时,阿拉斯加居民和消防机构正在制定战略,以在日益加剧的火灾环境中保护人员、私人土地、基础设施和自然资源。他们正在通过疏伐森林或清除城镇和小屋周围的可燃灌木和植被来改善消防准备。他们正在利用新技术(例如卫星图像)进行早期火灾探测以及准确的测绘和监控。高北地区更多的火灾可能会改变土地和气候,但阿拉斯加人正在尽其所能防止生命和财产的灾难性损失。