神秘的北極“僵尸之火”可能畢竟不是古老的火焰

在阿拉斯加、加拿大和西伯利亞的泥炭地中，所謂的“僵尸大火”在冬季從地球表面消失，在地下悶燒，然后在第二年春天恢復(fù)生機(jī)。

這些大火讓科學(xué)家感到困惑，因?yàn)樗鼈兂霈F(xiàn)在5月初，遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于遙遠(yuǎn)的北方通常的火災(zāi)季節(jié)，并且可以重新點(diǎn)燃數(shù)年。

大多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為，僵尸大火是地表火災(zāi)的殘余物，但我們已經(jīng)確定了另一個(gè)原因。我們的研究表明地面上的快速大氣變暖會(huì)導(dǎo)致泥炭土突然升溫到地下的悶燒溫度，所有這些都沒(méi)有任何火花或其他點(diǎn)火。這些僵尸大火可能是氣候變化驅(qū)動(dòng)的自燃案例。

此類火災(zāi)的報(bào)道可以追溯到 1940 年代，當(dāng)時(shí)它們是罕見(jiàn)的事件。然而，在過(guò)去的二十年里，這些火災(zāi)的頻率和強(qiáng)度顯著增加，同時(shí)北極地區(qū)加速變暖，變暖最快的地區(qū)在這個(gè)星球上。

2024年初，超過(guò)100起僵尸火災(zāi)僅在加拿大不列顛哥倫比亞省就很活躍。甚至在地球上最寒冷的村莊附近記錄了僵尸大火，西伯利亞?wèn)|北部的奧伊米亞康，他們?cè)谀抢锒冗^(guò)了多個(gè)冬天并占了大約燒毀面積的3.5%每年在更廣闊的地區(qū)。

在對(duì)溫度敏感的北極泥炭土壤中捕獲的碳比在整個(gè)大氣中發(fā)現(xiàn)的還要多，這些大火正在向大氣中釋放數(shù)十億噸的碳。我們想知道突然變暖是否可能是直接原因。

兩個(gè)顯著的成果

我們開發(fā)了一個(gè)數(shù)學(xué)模型來(lái)探索不同的假設(shè)情景，包括泥炭土的溫度和碳含量如何響應(yīng)天氣和氣候的變化。至關(guān)重要的是，我們的模型捕捉了某些微生物在分解土壤并將其碳釋放到大氣中時(shí)如何產(chǎn)生熱量。

我們獲得了兩個(gè)顯著的結(jié)果：

首先，這些微生物可以產(chǎn)生如此多的熱量，以至于地下泥炭可以在冬季在80°C左右悶燒，準(zhǔn)備在春季點(diǎn)燃。這可以發(fā)生，而地面上的那個(gè)地方從來(lái)沒(méi)有發(fā)生過(guò)火災(zāi)，地面上的天氣也沒(méi)有達(dá)到土壤燃燒通常需要的那種溫度。

我們稱這種新狀態(tài)為泥炭土的熱亞穩(wěn)態(tài)。在這種情況下，“亞穩(wěn)態(tài)”意味著長(zhǎng)時(shí)間燃燒——熱狀態(tài)持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間但有限，長(zhǎng)達(dá)十年，直到泥炭燃燒殆盡。

我們的另一個(gè)關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)是，從常規(guī)的寒冷狀態(tài)突然過(guò)渡到炎熱的亞穩(wěn)態(tài)可以僅由現(xiàn)實(shí)的氣候模式觸發(fā)，包括夏季熱浪和全球變暖情景。

最有趣的是，大氣溫度的上升必須快于某個(gè)臨界速率才能觸發(fā)轉(zhuǎn)變。如果大氣溫度升高相同量，但速度較慢，則生物活性泥炭土保持常規(guī)冷態(tài)，永遠(yuǎn)不會(huì)過(guò)渡到熱亞穩(wěn)態(tài)。

我們?nèi)匀粵](méi)有證據(jù)證明這在現(xiàn)實(shí)世界中發(fā)生，也沒(méi)有在實(shí)驗(yàn)室中得到證明——目前，這是一種只在我們的模型中看到的現(xiàn)象。

但我們確實(shí)知道堆肥（與泥炭非常相似）也會(huì)以同樣的方式著火。例如，2022 年熱浪期間倫敦郊區(qū)的一場(chǎng)大火可能是由一堆堆肥引起的自燃.

所有這些都表明，大氣溫度實(shí)際上并不是僵尸火災(zāi)的關(guān)鍵關(guān)鍵因素。相反，是大氣變暖的速度引發(fā)了地下泥炭的長(zhǎng)期燃燒。簡(jiǎn)單地說(shuō)，這不是熱量，而是速率。

如何與僵尸戰(zhàn)斗

隨著氣候變暖，天氣變得越來(lái)越極端，而這些恰恰是可能導(dǎo)致越來(lái)越多的僵尸火災(zāi)的條件。這是令人擔(dān)憂的，因?yàn)樗赡軙?huì)引發(fā)惡性循環(huán)：從古代泥炭土釋放到大氣中的數(shù)十億噸碳可能會(huì)使氣候變化更加嚴(yán)重，這意味著更多的火災(zāi)，更多的極端天氣，等等。

事實(shí)上，僵尸火災(zāi)是速率誘發(fā)的一個(gè)例子臨界點(diǎn)，系統(tǒng)無(wú)法適應(yīng)外部條件的過(guò)快變化，并從其常規(guī)狀態(tài)過(guò)渡到不同的、通常是不希望的狀態(tài)。

當(dāng)代氣候可能正在接近或已經(jīng)超過(guò)某些自然系統(tǒng)（例如生物活性泥炭土）的危險(xiǎn)變化率，這可以解釋最近僵尸火災(zāi)的增加。

看來(lái)，防止進(jìn)一步僵尸火災(zāi)的唯一解決方案是限制氣候變率。雖然政策制定者關(guān)注的是大氣溫度的危險(xiǎn)水平（熱量），但氣候變率（變化率）在短期內(nèi)可能與我們的能力同樣甚至更相關(guān)。

塞巴斯蒂安·維佐雷克，教授（主席）兼應(yīng)用數(shù)學(xué)系主任，科克大學(xué)學(xué)院;伊恩·奧沙利文，應(yīng)用數(shù)學(xué)博士候選人，科克大學(xué)學(xué)院和基蘭·馬爾克羅內(nèi)（Kieran Mulchrone），數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院高級(jí)講師，科克大學(xué)學(xué)院

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