引发了空气污染问题

每年有数百万吨有毒气体和烟雾颗粒被森林火灾和其他野火排放到大气中，成为全球空气污染的主要来源。

例如，2017年10月，据报道，在美国加利福尼亚州旧金山湾区附近的野火肆虐的一周内，排放了超过1万吨的细颗粒，比该州车辆正常情况下一年的排放量还要多。在美国各地，每年五分之一的细颗粒浓度超过美国环境保护署设定的安全水平的事件是由燃烧植被引起的。

这些排放对全球人类健康产生重大影响。2015年的亚洲雾霾是由印度尼西亚异常的火灾引起的，估计导致该地区超过10万人过早死亡。

野火的发生频率和规模的增加意味着这一来源的空气污染正在上升。近几十年来，由于汽车和发电厂排放的减少，美国各地的颗粒物空气质量都有所改善——除了野火易发地区。澳大利亚也报道了类似的情况。

火灾附近的烟雾影响不可避免地最大，但一些污染物会在大气中传播数千英里。2018年11月，一个模型显示，加州野火烟雾导致了纽约市的雾霾。而英国也受到了来自加拿大穿越大西洋的野火污染的影响。

复杂的谜题

1978年夏天，荷兰化学家保罗·克鲁岑(Paul Crutzen)在科罗拉多州东北部飞行，从牲畜农场收集大气样本，这时一场野火引起了他的注意。克鲁岑在1995年获得诺贝尔化学奖后的演讲中解释说:“我们在落基山国家森林看到了一场大森林火灾，这为我们提供了从主要森林火灾羽流中收集空气样本的机会。”地面上的化学分析确定了那场火灾排放的一氧化碳、氮氧化物和其他一些微量大气气体。这些数据随后被用于估计全球野火的排放量。“生物质燃烧以前被认为是大气微量气体的全球来源，但我们的分析表明情况并非如此，”他在1979年说自然文章就工作结束了。

这些第一次即兴测量激发了人们对野火烟雾化学成分的浓厚兴趣。40多年后，人们知道烟雾中含有数千种不同的化合物。美国科罗拉多大学博尔德分校的大气化学家何塞·希门尼斯解释说:“当你燃烧纤维素和木质素——构成植物的复杂聚合物——以及植物中的其他化合物时，它会产生大量进入大气的化学物质。”在不同的火灾中，燃料的化学成分是一个关键因素。

植被的水分含量也很重要。美国蒙大拿州大学的大气化学家Bob Yokelson说:“在旱季，随着环境变得干燥，生态系统的更多部分往往会被烧毁。”“与生态系统更湿润时发生火灾相比，这造成了更复杂、更污染的混合物。”

同样，在火灾的不同阶段，烟雾的成分也有所不同。一开始，在燃料到达闪点之前，有机气体蒸发掉，形成白色的有机颗粒。英国曼彻斯特大学的大气科学家休·科(Hugh Coe)解释说，一旦点燃，“只要有足够的氧气，燃料就会燃烧得非常高效，产生微小的黑碳(煤烟)颗粒，有机排放量也会大幅下降”。最后——也是最长的——阶段是阴燃，这是一种非常低效和高污染的燃烧形式，它释放出较少的煤烟和更多的有机物质。科补充说:“闷烧阶段的有机质与初始热解阶段的有机质成分不同。”更复杂的是，这三个阶段在野火中同时发生。

此外，许多释放的化合物在顺风移动时，会与其他化合物和大气中的其他物质发生反应。希门尼斯说:“这些物种不是惰性的。“它们进入大气层后会发生变化;它们会被氧化，有些会从气体变成粒子，有些会从粒子变成气体。约克森补充说:“烟雾分析是一个混合物分析问题，其挑战性是你无法想象的。”

模拟未来

更好地保护人类健康是研究烟雾化学的主要动机。颗粒(被称为颗粒物，PM)是最大的担忧。许多流行病学研究表明，大气中这些物质的浓度越高，过早死亡率就越高。小于2.5微米的颗粒，PM_2.5，尤其令人担忧，因为它们可以进一步进入呼吸系统。

也有证据表明，烟雾气体与其他空气污染物反应，产生另一种主要的空气污染物和呼吸系统刺激物-臭氧。烟雾的其他成分，比如多环芳烃（多环芳烃)，则不太受关注。“通常情况下，即使是消防队员也不会暴露在有毒气体的环境中，这些气体的含量超过了工业环境中允许的法定阈值，”约克森解释道。但这些法律限制仅单独考虑化学品。有毒气体组合对人体的潜在影响仍然知之甚少。他补充说:“通过研究化学成分，我们可以更好地了解人们接触到的物质，以及它与他们(通过其他方式)可能接触到的物质相比如何。”

模型越来越多地被用于预测与吸烟有关的空气污染问题。但是众所周知，烟羽的行为很难预测，这使得这些预测具有挑战性。这些工具正在不断开发中，最终目标是能够常规地提前几天预测烟雾的精确位置和严重程度。

美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的模型- HRRR(高分辨率快速刷新)-烟雾-就是这样的研究成果之一。正是这个模型被用来理解2018年11月纽约市的雾霾。美国国家海洋和大气管理局和科罗拉多大学博尔德分校合作的环境科学合作研究所(CIRES)的大气建模师克里斯汀·维迪米尔说:“美国铁路公司(Amtrak)，我们在美国的火车系统，也使用了[来自NOAA模型的]预测，以确定他们将在去年夏天关闭北加州的火车服务，因为所有的野火都造成了空气污染问题。”

美国国家航空航天局、美国林务局和欧盟哥白尼大气监测局正在进行其他模拟火灾烟雾和顺风影响的工作。Wiedinmyer解释说:“许多模型使用卫星信息来告诉我们火灾发生的时间和地点。”一些模型考虑了卫星飞过时释放的能量，燃烧植被的类型和密度，以及燃料的干燥程度。然后计算可能的排放量，并与天气预报信息相结合，以确定它们的去向以及它们在大气中的表现。维迪迈尔说:“我们把这些污染物推来推去，并对它们进行反应，以弄清楚污染会去哪里，以及它可能产生的影响。”

齐心协力

实验室和现场观测对于建立、改进和测试模型至关重要。对于像烟雾一样复杂的谜题，大量的合作研究可以使现实生活中的数据更容易理解。如果多个团队，配备多种仪器，在同一环境中同时测量多种不同的化学物质，那么找出发生了什么就简单得多。

“如果你有一个复杂的化学机制，你看到这个机制中的一个物种增加了，有五个不同的原因为什么它会增加，有其他仪器(观察其他化学物种)是很好的，可以帮助限制化学的整体图景，”Yokelson解释道。

2018年夏天，人们进行了迄今为止规模最大、最全面的野火烟雾化学研究。由美国国家科学基金会(NSF)资助的We-Can(西部野火云化学、气溶胶吸收和氮实验)项目花了6周时间飞越美国西部野火产生的烟雾。2019年夏天，我们将看到一个更大的项目升空:NOAA和Nasa联合努力的最终成果Firex-AQ(火灾对区域到全球环境实验和空气质量的影响)。

这两个实地项目结合了卫星、飞行实验室(满载分析仪器的飞机)和地面测量。

是的,我们再也不能把

We-Can的主要目标是系统地描述美国西部野火羽流的排放特征，并观察这些气体和颗粒在进入大气层的最初几个小时内是如何变化的。来自科罗拉多州立大学(Colorado State University)的大气化学家、We- can参与者德尔芬·法默(Delphine Farmer)说:“我们想看看化学演化过程。”

“野火的烟羽升起来了，我们在安全合法的范围内飞了进去。她解释说:“当烟雾顺风移动时，我们在烟雾中穿行了几公里。”“所以这与我们测量的烟雾并不完全相同，但它足够接近，我们可以随着时间跟踪烟雾的化学和物理演变。”“利用高分辨率飞行时间气溶胶质谱仪，法默的团队能够检测到随着时间的推移，烟雾中有机颗粒的显著氧化。

在这段时间内发生的很多化学反应都非常非常快

在We-Can期间，该仪器是NSF/NCAR大力神C-130研究飞机上超过25个实时分析工具之一。“我们可以”项目的负责人、法默在科罗拉多州立大学的同事艾米丽·费舍尔解释说，这些项目由来自5所大学和国家大气研究中心(NCAR)的12个不同研究小组的科学家组成。费舍尔的小组负责在船上测量氨的含量。

还收集了大气和云水样本，以便在地面上进行详细分析。科学家们和他们的仪器飞行了130多个小时，详细研究了20多场野火，并在顺风处追踪了长达5个小时的烟雾。费舍尔说:“在这段时间内发生的很多化学反应都非常非常快。”

另一架较小的飞机怀俄明大学国王航空公司也参加了这次飞行。它在烟雾下发射了一个遥感有效载荷，对少量气体进行了柱状测量。Yokelson帮助协调了地面测量，在两个移动实验室和他在米苏拉的蒙大拿大学的实验室里有许多仪器，距离爱达荷州博伊西机场下风约300英里(480公里)，用于We-Can运动。

实验室里的火

Firex-AQ将汇集来自4个联邦机构和20多所大学和公司的30多个研究小组。今年夏天的空袭行动是一个多年项目的最后一项，该项目旨在探索野火、规定的火灾(为危险管理而故意点燃的火灾)和农业燃烧产生的烟雾中微量气体和颗粒的化学性质和命运。

该项目的第一次实地活动于2016年在美国林务局的米苏拉火灾科学实验室进行。在这个受控的实验室环境中，对各种燃料类型的火灾的主要排放进行了详细的研究。在美国国家海洋和大气管理局工作的CIRES科学家卡斯滕·沃内克解释说:“我们从美国西部提取燃料，并将它们分离成独立的成分，比如底部的达夫物、树枝等。”然后他们分别燃烧它们并测量排放量。“我们还把它们结合在一起，在实验室里制造出尽可能逼真的火。”

他补充说:“我们详细分析了90%以上的烟雾排放质量。”还测量了火灾温度对排放的影响。美国国家航空航天局(Nasa)地球科学部的莱弗(Barry Lefer)说，今年夏天的一个目标是看看实验室的研究结果与现实世界的比较情况如何。

Firex-AQ

四架飞机、一架无人驾驶飞行器和几颗卫星计划在今年夏天参加Firex-AQ。“项目的前半部分以爱达荷州的博伊西为基地，我们将专注于西部的野火。然后我们将转移到堪萨斯州的萨利纳，在最后三周专注于较小、持续时间较短的农业火灾，”莱弗解释道。

火灾是如此强烈，以至于它们自己形成了当地的天气

美国宇航局的DC-8机载科学实验室计划飞行150小时，配备约35台分析仪器。“如果你想到火灾中可能出现的任何化学物质或气溶胶性质，我们都可以测量出来。我们在飞机上安装了我最初愿望清单上的所有设备，”沃内克说。他的NOAA研究小组正在使用一种飞行时间化学电离质谱仪，该质谱仪使用水合氢离子来测量乙腈、形态碳氢化合物和含氧挥发性有机化合物。希门尼斯的团队将使用飞行时间气溶胶质谱仪来测量亚微米尺度上的粒子组成。

美国国家海洋和大气管理局的一架较小的双水獭飞机上还有10个左右的仪器将进行额外的测量。美国国家海洋和大气管理局的第二艘双水獭号将研究火灾对当地风的影响。沃内克说:“大火太猛烈了，有时它们会影响当地的天气，从而助长火势。”更好地理解这一现象将有助于灭火工作。

第一艘“双水獭”还将收集夜间时间的测量数据。“火在白天烧得非常热，这意味着排放的气体通常很高。但到了晚上，当火势开始减弱，烟雾就会弥漫山谷，这时PM对你的健康影响最大_2.5沃内克解释道。他说，DC-8在夜间飞得不够低，无法进入烟雾中。“无人驾驶飞行器可以飞得更低，虽然它携带的科学有效载荷要小得多，但它可以收集双水獭无法做到的夜间测量数据。”

Firex-AQ的一个目标是评估卫星如何更好地协助野火排放建模和预测。Lefer解释说，实地活动使我们能够“提高对卫星真正测量内容的理解”。Nasa ER-2高空飞行器将作为卫星模拟器在大火上空飞行，携带与目前卫星上相同的仪器，以及下一代分析卫星工具。

Firex-AQ运动计划追踪烟雾及其化学演变，在顺风处持续数小时到数天。地面测量将从两个移动实验室和五个固定监测站进行，其中包括位于米苏拉的Yokelson实验室。沃内克说:“我们正试图尽可能全面地研究与吸烟有关的科学。”

影响着国内外的政策

近几十年来，野火发生的频率和严重程度越来越高，远非美国独有的现象。2009年，澳大利亚发生了有史以来最严重的野火事件，在长期干旱期间发生了大约400起火灾。到大火熄灭时，已有173人死亡，2000多所房屋被毁。

这些黑色星期六的火灾导致了一项政策的改变——更多的规定火灾以减少环境中的燃料负荷，因此以后发生更大、更难控制的野火的风险。澳大利亚卧龙岗大学(University of Wollongong)的大气化学家克莱尔·墨菲(Clare Murphy)表示，这无意中引发了空气质量问题。她解释说:“问题是，点燃减少危险的火灾的完美条件，以及它们不会失控的条件，如此寒冷和低风，正是导致逆温和烟雾下沉并在盆地中滞留一夜的条件。”

墨菲认为，在澳大利亚规划规定的火灾时，应该更多地考虑烟雾影响。在美国，在规定的火灾发生前进行烟雾预报已经很常见。墨菲说:“我认为这在澳大利亚几乎是可以实现的。”澳大利亚国家科学研究机构CSIRO(联邦科学和工业研究组织)已经开发了一个模型来协助这一工作。她说:“这个空气质量模型可以作为决策过程的一部分，用来检查风向是否会改变，或者看看什么时候是最佳窗口。”

泥炭火灾与植被火灾非常不同

在热带地区，一些大气科学家一直在调查与使用火来清理土地的政策变化有关的空气污染。自2004年以来，巴西大幅减少了亚马逊森林的砍伐，从而减少了与森林砍伐有关的火灾。“我们感兴趣的是，森林砍伐率的下降是否也改善了空气质量，”英国利兹大学的大气建模师多米尼克·斯普莱克伦解释说。他利用卫星和地面传感器的模型和颗粒测量数据估计，由此减少的颗粒物质每年在南美洲防止了1700名成年人过早死亡。

东南亚火灾产生的烟雾，比如2015年污染空气数周的火灾，也是斯普莱克伦感兴趣的地方。禁止使用火灾砍伐森林以种植棕榈油的法律很少得到执行。这个地区的森林生长在泥炭上，而泥炭比其他燃料产生更多的烟雾。“泥炭火灾与植被火灾非常不同。在干燥的条件下，火会燃烧到泥炭深处。从火灾释放的颗粒物量来看，这是一个双重打击，”斯普莱克伦说。量化对健康的影响应该会让这一问题提上该地区的政治议程。

家里的火还在烧?

2018年夏天，在英国曼彻斯特附近持续三周的萨德尔沃思沼泽大火中，泥炭是一个问题。在那场火灾中，包括科市中心大学实验室(火灾顺风处约20英里)在内的地面仪器测量出了非常高的颗粒物水平。科解释说:“如果你住在离大火几英里的地方，浓度就会非常严重。”

在英国北部的泥炭火灾中，颗粒成分是一个特别令人担忧的问题。科说:“由于英国的工业历史，在该地区沉积了100年或更长时间的工业材料，在泥炭火灾期间重新活化。”“一些更容易挥发的成分，例如铅和汞，会重新挥发成气相，然后重新凝结成细颗粒。”这与巴黎圣母院火灾中报告的铅挥发情况相同。”

然而，迄今为止，相对较少的研究着眼于英国野火烟雾的成分或潜在的健康影响。这使得以证据为基础的政策决策很难做出，比如一些人呼吁增加使用规定的火灾。

英国的野火测量主要来自300个左右的地面空气质量监测点，这些监测点由于监管原因而不断运行。对于大型火灾，这些测量往往由大学实验室的仪器和英国研究飞机上的仪器进行补充——机载大气测量设施。利兹大学(university of Leeds)大气科学家吉姆·麦奎德(Jim McQuaid)解释说，在研究野火烟雾时，“船上有各种各样的仪器——那些被描述为更标准测量的核心仪器，以及那些被描述为更奇特参数的仪器”，这些仪器由大学研究小组提供和操作。麦奎德的博士生Ailish Graham说:“飞行数据可以用来评估试图复制火灾排放的模型是否准确。”“这可以告诉我们有多少人暴露在火灾污染物中。”她还在野火期间使用地面监管站点的数据来模拟野火对英国人口的健康影响。

值得注意的是，野火烟雾的化学成分不仅从空气质量的角度来看很重要。烟雾的组成和演变也决定了它对天气和气候的影响。随着世界学会适应不断增加的野火数量和规模，上述许多研究人员也在考虑这些问题。科学家们还在挖掘野火季节持续时间和严重程度增加的原因。显而易见的答案是全球气温升高，但这只是问题的一部分。

妮娜·诺特曼，英国索尔兹伯里科普作家