神秘的北极“僵尸之火”可能毕竟不是古老的火焰

在阿拉斯加、加拿大和西伯利亚的泥炭地中，所谓的“僵尸大火”在冬季从地球表面消失，在地下闷烧，然后在第二年春天恢复生机。

这些大火让科学家感到困惑，因为它们出现在5月初，远远早于遥远的北方通常的火灾季节，并且可以重新点燃数年。

大多数科学家认为，僵尸大火是地表火灾的残余物，但我们已经确定了另一个原因。我们的研究表明地面上的快速大气变暖会导致泥炭土突然升温到地下的闷烧温度，所有这些都没有任何火花或其他点火。这些僵尸大火可能是气候变化驱动的自燃案例。

此类火灾的报道可以追溯到 1940 年代，当时它们是罕见的事件。然而，在过去的二十年里，这些火灾的频率和强度显着增加，同时北极地区加速变暖，变暖最快的地区在这个星球上。

2024年初，超过100起僵尸火灾仅在加拿大不列颠哥伦比亚省就很活跃。甚至在地球上最寒冷的村庄附近记录了僵尸大火，西伯利亚东北部的奥伊米亚康，他们在那里度过了多个冬天并占了大约烧毁面积的3.5%每年在更广阔的地区。

在对温度敏感的北极泥炭土壤中捕获的碳比在整个大气中发现的还要多，这些大火正在向大气中释放数十亿吨的碳。我们想知道突然变暖是否可能是直接原因。

两个显著的成果

我们开发了一个数学模型来探索不同的假设情景，包括泥炭土的温度和碳含量如何响应天气和气候的变化。至关重要的是，我们的模型捕捉了某些微生物在分解土壤并将其碳释放到大气中时如何产生热量。

我们获得了两个显著的结果：

首先，这些微生物可以产生如此多的热量，以至于地下泥炭可以在冬季在80°C左右闷烧，准备在春季点燃。这可以发生，而地面上的那个地方从来没有发生过火灾，地面上的天气也没有达到土壤燃烧通常需要的那种温度。

我们称这种新状态为泥炭土的热亚稳态。在这种情况下，“亚稳态”意味着长时间燃烧——热状态持续很长时间但有限，长达十年，直到泥炭燃烧殆尽。

我们的另一个关键发现是，从常规的寒冷状态突然过渡到炎热的亚稳态可以仅由现实的气候模式触发，包括夏季热浪和全球变暖情景。

最有趣的是，大气温度的上升必须快于某个临界速率才能触发转变。如果大气温度升高相同量，但速度较慢，则生物活性泥炭土保持常规冷态，永远不会过渡到热亚稳态。

我们仍然没有证据证明这在现实世界中发生，也没有在实验室中得到证明——目前，这是一种只在我们的模型中看到的现象。

但我们确实知道堆肥（与泥炭非常相似）也会以同样的方式着火。例如，2022 年热浪期间伦敦郊区的一场大火可能是由一堆堆肥引起的自燃.

所有这些都表明，大气温度实际上并不是僵尸火灾的关键关键因素。相反，是大气变暖的速度引发了地下泥炭的长期燃烧。简单地说，这不是热量，而是速率。

如何与僵尸战斗

随着气候变暖，天气变得越来越极端，而这些恰恰是可能导致越来越多的僵尸火灾的条件。这是令人担忧的，因为它可能会引发恶性循环：从古代泥炭土释放到大气中的数十亿吨碳可能会使气候变化更加严重，这意味着更多的火灾，更多的极端天气，等等。

事实上，僵尸火灾是速率诱发的一个例子临界点，系统无法适应外部条件的过快变化，并从其常规状态过渡到不同的、通常是不希望的状态。

当代气候可能正在接近或已经超过某些自然系统（例如生物活性泥炭土）的危险变化率，这可以解释最近僵尸火灾的增加。

看来，防止进一步僵尸火灾的唯一解决方案是限制气候变率。虽然政策制定者关注的是大气温度的危险水平（热量），但气候变率（变化率）在短期内可能与我们的能力同样甚至更相关。

塞巴斯蒂安·维佐雷克，教授（主席）兼应用数学系主任，科克大学学院;伊恩·奥沙利文，应用数学博士候选人，科克大学学院和基兰·马尔克罗内（Kieran Mulchrone），数学科学学院高级讲师，科克大学学院

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