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生機。

這些大火讓科學家感到困惑，因為它們出現在5月初，遠遠早于遙遠的北方通常的火災季節，并且可以重新點燃數年。

大多數科學家認為，僵尸大火是地表火災的殘余物，但我們已經確定了另一個原因。我們的研究表明地面上的快速大氣變暖會導致泥炭土突然升溫到地下的悶燒溫度，所有這些都沒有任何火花或其他點火。這些僵尸大火可能是氣候變化驅動的自燃案例。

此類火災的報道可以追溯到 1940 年代，當時它們是罕見的事件。然而，在過去的二十年里，這些火災的頻率和強度顯著增加，同時北極地區加速變暖，變暖最快的地區在這個星球上。

2024年初，超過100起僵尸火災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，西伯利亞東北部的奧伊米亞康，他們在那里度過了多個冬天并占了大約燒毀面積的3.5%每年在更廣闊的地區。

在對溫度敏感的北極泥炭土壤中捕獲的碳比在整個大氣中發現的還要多，這些大火正在向大氣中釋放數十億噸的碳。我們想知道突然變暖是否可能是直接原因。

兩個顯著的成果

我們開發了一個數學模型來探索不同的假設情景，包括泥炭土的溫度和碳含量如何響應天氣和氣候的變化。至關重要的是，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如何產生熱量。

我們獲得了兩個顯著的結果：

首先，這些微生物可以產生如此多的熱量，以至于地下泥炭可以在冬季在80°C左右悶燒，準備在春季點燃。這可以發生，而地面上的那個地方從來沒有發生過火災，地面上的天氣也沒有達到土壤燃燒通常需要的那種溫度。

我們稱這種新狀態為泥炭土的熱亞穩態。在這種情況下，“亞穩態”意味著長時間燃燒——熱狀態持續很長時間但有限，長達十年，直到泥炭燃燒殆盡。

我們的另一個關鍵發現是，從常規的寒冷狀態突然過渡到炎熱的亞穩態可以僅由現實的氣候模式觸發，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臨界速率才能觸發轉變。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冷態，永遠不會過渡到熱亞穩態。

我們仍然沒有證據證明這在現實世界中發生，也沒有在實驗室中得到證明——目前，這是一種只在我們的模型中看到的現象。

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

所有這些都表明，大氣溫度實際上并不是僵尸火災的關鍵關鍵因素。相反，是大氣變暖的速度引發了地下泥炭的長期燃燒。簡單地說，這不是熱量，而是速率。

如何與僵尸戰斗

隨著氣候變暖，天氣變得越來越極端，而這些恰恰是可能導致越來越多的僵尸火災的條件。這是令人擔憂的，因為它可能會引發惡性循環：從古代泥炭土釋放到大氣中的數十億噸碳可能會使氣候變化更加嚴重，這意味著更多的火災，更多的極端天氣，等等。

事實上，僵尸火災是速率誘發的一個例子臨界點，系統無法適應外部條件的過快變化，并從其常規狀態過渡到不同的、通常是不希望的狀態。

當代氣候可能正在接近或已經超過某些自然系統（例如生物活性泥炭土）的危險變化率，這可以解釋最近僵尸火災的增加。

看來，防止進一步僵尸火災的唯一解決方案是限制氣候變率。雖然政策制定者關注的是大氣溫度的危險水平（熱量），但氣候變率（變化率）在短期內可能與我們的能力同樣甚至更相關。

塞巴斯蒂安·維佐雷克，教授（主席）兼應用數學系主任，科克大學學院;伊恩·奧沙利文，應用數學博士候選人，科克大學學院和基蘭·馬爾克羅內（Kieran Mulchrone），數學科學學院高級講師，科克大學學院

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