阿拉斯加野火如何加速永久冻土融化、释放冻结碳

2021年7月，一个异常炎热的月份，阿拉斯加大学费尔班克斯分校北校区一片茂密的黑云杉和剥皮纸桦树林中燃起了一场野火。

这场大火可能是由闪电引发的，它烧过由羽藓和地衣构成的干燥地毯，随后攀上树冠。等到消防机构赶到时，火焰已长达12英尺，并升起500英尺高的烟柱。

在扬科维奇路大火五周年纪念日前几天，我跟随阿拉斯加火灾科学联盟的三名成员走进这片北方针叶林，沿着两侧长满羽状问荆的越野滑雪道前行。

2024年，该组织——它举办讲座，让野火管理者了解火灾科学的新进展——帮助将该地区变成一条教育性步道，沿途设置了讲解牌。走了大约半英里，视野豁然开朗，我们来到一片稀疏的林地，只见光秃、焦黑的树干，针叶和周围的树木都已不复存在。

联盟协调员希拉里·舒克走下步道，手持她的冻土探针——一根T形尖头金属杆，用于探测永久冻土的上界。永久冻土是古老的冻结土壤层，覆盖北半球约15%的陆地，储存的碳约为大气中的两倍。

在火烧迹地外对地面进行测试，探针在约一英尺深处碰到了类似混凝土的冻土层。但当舒克在火烧过的地方施加压力时——这里的苔藓和富含有机质的表土已被烧毁，而它们原本为永久冻土提供隔热——探针至少深入地下三倍。

“那是火灾的直接后果，”站在附近的该组织即将卸任的协调员艾莉森·约克说。“我们在火灾后立即监测时，它已经融化了不少。”

这个简陋的工具只能测量地球单一点的深度，却揭示了整个极北地区日益加剧的问题。随着气候变化助长地球北纬地区越来越频繁和严重的火灾，它们正加速越来越多永久冻土的融化。这使有机物质分解，释放出强效温室气体，助长螺旋式上升的气候反馈效应，推动更多变暖、更多火灾，以及更多永久冻土的丧失。

最引人注目的是，2023年加拿大愈演愈烈的野火释放的碳超过了该国化石燃料排放的总和。与阿拉斯加一样，这些特大火灾许多发生在广阔的偏远地区，那里的政策是只要不威胁人类居住区就任其燃烧。然而，如果日益加剧的火灾和变暖得不到遏制，世界北方针叶林和永久冻土可能越来越多地从巨大的碳汇转变为大气碳的巨大来源。

如今，美国、加拿大及其他地区的国际研究团队正争相了解其中的利害关系，包括经济上和生态上的。他们正在研究预防措施，如计划烧除，并研究在野火失控前快速探测和扑灭的潜力。他们甚至在探索曾经不可想象的做法：派遣人类消防员不是为了拯救生命或建筑，而是为了保护地球上巨大的碳库之一。

“我们需要找到一种更好的方式与野火共存，”伍德韦尔气候研究中心的高级科学家布伦丹·罗杰斯说，该中心是推动这一松散合作研究工作的主要组织之一。“我确实认为这能带来有意义的改变。”

据《麻省理工科技评论》报道，伍德韦尔、维多利亚大学波利斯生态治理研究所以及非营利组织阿拉斯加风险基金目前正合作推进一项耗资数百万美元的计划，名为“北方火灾”，旨在研究这些干预措施的潜在益处并提高公众认识。

这个想法因多种原因而复杂且充满争议。野火是健康森林生态系统自然且必要的组成部分。在广阔、基本未受管理的北极—北方针叶林和苔原上预防或扑灭火灾将耗费大量资源。而且目前尚不清楚此类干预能在多大程度上减少排放。归根结底，研究人员考虑对自然系统进行如此极端的干预，这一事实本身就严峻地反映了我们因每年持续产生越来越多的温室气体排放而置自身于的危险境地。这些威胁迫使我们应对日益棘手的问题，涉及越来越陡峭的取舍：如何最好地利用我们有限的资源和日益减少的时间来避免气候变化最严重的危险？以及，如果有朝一日可以的话，何时才适合让人冒可能的风险去降低世界面临的更广泛风险？

自2001年以来，全球森林火灾排放量上升了60%——但极北地区北方针叶林的排放量几乎增加了两倍。

地球的这一地带变暖速度高达全球其他地区的四倍，使地貌日益干燥。此外，随着更暖的空气增强大气中的对流能量、驱动引发雷暴的上升气流，引发火灾的雷击也急剧增多。

从这个意义上说，人类已经通过产生温室气体排放、推高气温而介入了这些原本自然的生态系统，使森林遭遇远超健康历史常态的火灾模式。

“在我看来，这比‘我们该不该干预？’那种存在主义的恐惧更重要，”西华盛顿大学助理教授凯特·海斯说，她正与伍德韦尔合作研究火灾干预措施的减排效益。“可以说，我们已经干预了。所以从这一点看，这不过是给枪伤贴创可贴。”

环绕北纬高纬度地区、横跨加拿大、格陵兰、西伯利亚、斯堪的纳维亚及其他北极国家大片区域的永久冻土，储存着约1.5万亿吨碳，其中大部分在数千年前就已冻结在原地。然而，全球气温的稳步上升已使北极永久冻土的覆盖范围自1850年以来缩小约12%，且这一损失在过去50年间迅速加快。

在高变暖情景下，到2100年，火灾驱动的永久冻土融化可能释放相当于近800亿吨二氧化碳的碳。根据1月的一项研究，这超过火灾直接燃烧植被所释放排放量的一半。而且这还将叠加在同一时期因总体变暖导致的融化所可能释放的逾4000亿吨额外碳排放之上。

尽管永久冻土对气候变化的贡献日益增大，但迄今为止为联合国主要气候报告提供依据的模型中，只有少数纳入了气温升高导致的永久冻土逐渐流失，而没有一个纳入火灾和热浪之后往往可能发生的突然崩塌和加速融化。鉴于这些现象以及其他强大且被低估的气候反馈效应，我们几乎可以肯定低估了地球变暖的速度，正如科学家在今年早些时候的一篇论文中所警告的那样。

这些由变暖驱动的排放是一个“巨大的盲点”，该论文的合著者、环境保护基金高级气候科学家布莱恩·布马说，他正致力于开发可帮助消防机构决定优先扑救哪些火灾的工具。

随着不断升级的火灾和永久冻土排放成为气候变化的重要额外推手，一些研究人员已开始探索承担起防止这些排放的责任可能需要付出什么代价，就像我们一直设法削减发电厂、车辆和工厂的污染那样。

由伍德韦尔和忧思科学家联盟的研究人员牵头、2022年发表在《科学进展》上的一篇论文发现，加大扑救北方森林火灾的力度可能是一种具有成本效益的气候解决方案——与通过建造风力涡轮机、太阳能农场或吸碳工厂来减排相当，甚至更便宜。

该2022年论文的合著者、现为伍德韦尔高级科学政策顾问的彼得·弗鲁姆霍夫说，这些经济方面的发现对于让更多研究人员认真对待应对火灾排放的想法起到了关键作用。

几年来，伍德韦尔的研究人员一直与阿拉斯加各地的森林管理者、消防机构、原住民社区和其他团体进行讨论，以传达这种方法的潜力。

鉴于负责阿拉斯加灭火工作的联邦和州机构资源有限、使命界定严格，这并不容易推销。当地的一般政策是允许偏远地区的火灾自行燃烧，除非它们对社区构成直接危险。

“这些机构现在的任务是保护生命和财产，其次才是自然资源，”阿拉斯加火灾科学联盟的火灾生态学家兰迪·詹特说。“但他们的任务不是拯救世界。”

然而，曾有一个值得注意的早期成功案例。

育空弗拉茨国家野生动物保护区是一片1100万英亩的湿地、森林和沼泽交织地带。其山麓位于一种被称为“耶多马”的特殊冻土之上。这是一种特别深厚、富含冰且碳密度高的永久冻土，由更新世晚期（约11700年前结束）冻结的大块粉砂质风积沉积物构成。（它也为保存猛犸象的木乃伊化遗骸提供了理想条件。）

“这可以说是经历了上一个冰期才积累起来的，”海斯说。“所以没有快速重新积累的办法。我们真的无法把它放回去。”

阿拉斯加火灾科学联盟的成员徒步进入受火灾影响的地区，测量森林地表土壤中留下的灰烬层。

2019年，该地区遭遇了一系列毁灭性火灾，烧毁了约75万英亩土地。在阿拉斯加火灾科学联盟的一次会议上，伍德韦尔的研究人员强调了更积极的灭火行动可能带来的气候效益，之后，该保护区的时任经理吉米·福克斯开始探索在火灾威胁到那片永久冻土时将其扑灭的可能性，无论火灾是否威胁到人类居住地。

早期的反应并不令人鼓舞。

“你会让人带着降落伞从飞机上跳下去拯救冰冻的猛犸象——还可能因此丧命？”他回忆起有人这样问他。

但最终，他说服了美国土地管理局阿拉斯加消防局的管理人员，在育空弗拉茨一块160万英亩的区域开展试点项目。他们同意，如果有可用资源，并且相信能在72小时内控制住火势，就尝试在那里扑灭火灾。

伍德韦尔及其合作伙伴同意研究这一变化如何影响永久冻土流失和火灾排放，希望以此为其他地方开展类似项目提供依据。

在唐纳德·特朗普再次当选后，试点项目能否存续并不明朗，尤其是在DOGE倡议追溯性削减了该研究合作的公共资金之后。

但在2月，联邦政府正式保留了该项目，并将其理由扩大到包括保护栖息地多样性、水质和空气质量等目标。

伍德韦尔现在的主要任务之一是确定消防机构应在何时、何地介入。关键在于，过去过度扑灭火灾的做法导致干燥植物材料堆积，从而助长了日后更严重的火灾。

“我们不会不分时间地扑救所有火灾，”罗杰斯在斯坦福大学校园一个阳光明媚的庭院里吃午餐时说，伍德韦尔和EDF今年1月曾在这里举办了一场关于潜在火灾干预措施的研讨会。“我们做不到。我们不想这么做。我们也不应该这么做。那么，我们该如何分配资源呢？”

伍德韦尔及其合作者正在努力回答这个问题，方法是绘制一张覆盖阿拉斯加内陆的燃烧风险和碳脆弱性地图。计划最终将其扩展到加拿大的大部分地区。

这些地图将标出富含耶多马及其他形式永久冻土储备的位置，预测未来10到15年最可能发生火灾的地点，并预测火灾可能的表现和蔓延方式。

“我们的最终目标是获得一个图层，能告诉我们，如果发生火灾，哪些地区最容易受到高碳排放、永久冻土融化、永久冻土退化的影响，”罗杰斯说。

在回答关于可能让消防员面临风险的问题时，罗杰斯在一封电子邮件中强调，这是“一个非常严重的问题，需要仔细考虑”。

他补充说，早期火灾探测技术、预防性火灾管理实践、改进的灭火规划以及其他措施，都可以帮助降低消防员和社区面临的危险。

一旦确定了特别危险的区域，首选方案就是采取措施预防那里的火灾，或者至少降低其演变成重大火灾的可能性。这通常意味着使用重型设备或有意控制的火来清除可能助长新火灾的植被，或开辟可能阻止火势蔓延的防火隔离带。

原住民部落数千年来一直进行所谓的文化烧除，以减少火灾危险、清理土地用于耕作等。从19世纪开始，这种做法在北美各地被广泛禁止，不过近年来这些规定有所放宽。

然而，文化烧除和计划烧除仍然存在争议，因为它们可能失控。而且即使火势得到控制，火灾仍可能产生烟雾飘入城镇。

但代表西北地区、育空地区和阿拉斯加原住民格威钦人的格威钦国际委员会联合主席爱德华·亚历山大说，在火灾发生后匆忙四处扑救，永远无法让阿拉斯加摆脱日益严重的野火问题。

“世界上没有足够的钱让这成为靠链锯和斧头解决的问题，”他说。“这个国家这里太大了。”

亚历山大还担任伍德韦尔的高级北极事务负责人，他主张阿拉斯加应鼓励更多地使用文化烧除，以降低大火风险及其带来的排放。

“我们需要温和的火，而不是野火，”他说。

North Fire计划将包括几个额外的试点研究项目，其中包括一项研究文化烧除在阿拉斯加育空堡附近减少气候和火灾危险的潜力的项目。

罗杰斯说，计划由阿拉斯加原住民部落政府委员会运营的一支野外消防队于明年春天在那里进行文化烧除。该委员会是育空弗拉茨地区的一个联合组织。

随后，伍德韦尔和阿拉斯加大学费尔班克斯分校的研究人员将在数年内收集和分析可燃性、碳水平和永久冻土的数据，以期更多地了解此类干预措施的作用。

同样，维多利亚大学的Polis研究人员计划研究通过伐木或改种不易燃树种来设置防火隔离带，会如何改变不列颠哥伦比亚省的火灾风险。

North Fire计划的总体目标是加速研究并扩大社区参与，“以一种能帮助我们在紧迫的时间表上将其推广为有意义的全球自然气候解决方案的方式，”阿拉斯加风险基金（一家专注于环境、经济发展和原住民问题的慈善机构）的合伙人艾琳·哈林顿说。

包括詹特在内的其他观察人士认为，减少火灾排放和保护永久冻土的更大机会可能在于“初期扑救”。这意味着调集飞机、消防车和消防员，在火灾刚出现苗头时就将其扑灭，赶在它们有机会演变成大火之前。

一旦火灾达到一定规模，控制它们就需要更多时间——而且工作会变得危险得多。

加快响应速度是FireSat卫星星座的主要承诺之一，预计到今年年底，该系统将开始每天至少两次向Woodwell、少数消防机构和其他早期采用者提供来自世界各地的火灾数据。该系统最终将包括50多颗环绕地球的卫星，配备高分辨率摄像头和热传感器，能够探测到比现有卫星系统更小、温度更低的火灾，最小可到5米×5米（16英尺×16英尺）。

目前，发现火灾可能需要数天时间。但一旦完整的星座部署到位——很可能在2030年代初——FireSat应该能够每20分钟或更短时间探测到世界任何地方的火灾并提供更新的图像。

首颗原型卫星于2025年发射，三颗运行卫星于7月进入轨道。管理该星座的非营利组织地球火灾联盟预计将在明年年底前再发射四颗。

许多类似系统也正在上线。总部位于德国的OroraTech在过去一年半里发射了18颗火灾探测卫星。同样，加拿大机构正计划从2029年开始发射自己的卫星星座，名为WildFireSat。

但随着这些系统在全球产生越来越多的探测结果，构建能够筛选这些信息的工具将变得越来越重要。

EDF正在支持并合作开展几个可能在这方面提供帮助的项目，并最终打算开发一种人工智能驱动的分诊工具，帮助消防机构在FireSat和其他火灾探测工具上线时确定响应优先级。

“所有这些都有点像是在围绕FireSat构建数据生态系统，这样当他们开始弹出‘这里起火、那里起火，这里起火、那里起火’时，我们就不会像‘哦该死，到处都是火’，”布马说。“我们会有一个框架。显然它不会完美。我们得改进它，但我们会有一套机制来整合这些数据。”

但更快的探测和决策能做的也有限。各地区仍然需要足够快地将消防人员和资源送到那些火灾现场，以防止火势失控。“假设我们的FireSat星座已全面投入运行，它发现了一场刚刚在这些高优先级、高度脆弱地区之一爆发的火灾，”我在斯坦福那个庭院里与罗杰斯和弗鲁姆霍夫的谈话中对他们说。“在这种情况下，我们如何才能足够快地将消防资源部署到偏远地区，使其发挥作用？”

“我认为不幸的是，答案是这要看情况，”罗杰斯回答道。

他说，理想情况下，我们应该有到位的火灾管理政策，允许扑灭那些产生气候变暖排放风险很高的火灾。此外，各地区可以在更多运营中心部署更多消防人员和资源，战略性地设在能够让他们快速到达那些火场的位置。弗鲁姆霍夫强调，Woodwell并不推广任何特定公司，但表示还有更多技术“在讨论之中”，也可能有助于预防或快速扑灭火灾。

这些可能的方法包括播云以抑制雷击，以及预先部署自主消防直升机，以快速响应高排放风险的火灾。

洛克希德·马丁公司旗下的西科斯基正在开发和测试黑鹰直升机的自主版本，配备热传感器和水箱。它正在与总部位于加利福尼亚州阿拉米达的初创公司Rain Industries合作，该公司开发了软件来跟踪不断变化的条件，并引导无人驾驶飞机完成扑灭野火的过程。

该公司表示，已就自身技术的潜在用途与消防机构以及“更广泛的阿拉斯加消防界”进行过沟通，但拒绝透露具体接触过哪些实体。

“叶多马永久冻土和北方森林这两个气候临界点，加上目前这方面资源完全不足，从我的角度来看，确实使它成为自主飞机的理想应用场景，”Rain首席执行官马克斯·布罗迪说。

如果政府的火灾预防和扑救政策不把保护碳作为优先事项，先进技术能发挥的作用也有限。

而且，考虑到管理大片土地的代价——这些土地各国历来基本不加干预——这仍然很难被接受。

2022年《科学进展》上的那篇论文估计，额外的灭火努力每避免一公吨二氧化碳排放的成本约为12.63美元——据即将发表的研究，如果把永久冻土中的碳计算在内，这一数字会下降。但即便如此，要让阿拉斯加的火灾排放保持在其历史水平，本十年仍需额外支出约70亿美元，而随着火灾严重程度持续上升，未来30年还需再支出70亿至500亿美元。

弗鲁姆霍夫强调，这些数字只反映了研究人员发现的维持现状所需的成本，而现状未必就是政策目标。

但扩大灭火范围将不可避免地给本已资金严重不足的美国消防机构带来巨额额外成本。阿拉斯加产生的野火排放约占全国的一半，却只获得约4%的联邦消防资金。

美国野地消防局针对《麻省理工科技评论》的一项询问提供了一份预先准备好的声明，该询问问的是：在某些火灾管理决策中，保护碳是否能够或应当成为一项优先事项。这份迂回的回答表明，这并非该机构的首要关切：“消防员和公众安全是美国野地消防局的首要优先事项。”

弗鲁姆霍夫表示，土地所有者或政府机构最终有可能利用碳市场来抵消部分额外成本。他说，伍德韦尔还与阿拉斯加的联邦议员就防止灾难性野火的价值以及增加公共资金“总盘子”的必要性进行了多次对话。

在走过费尔班克斯那片火烧迹地几天后，我沿着德纳里国家公园以北一段崎岖不平的斯坦皮德路缓慢行驶，那里的地下永久冻土在没有火灾助力的情况下已经融化。

我抵达一间狭小的木屋，见到了米歇尔·麦克，她是北亚利桑那大学的校董会教授，研究生态系统生态学。

麦克研究随着该地区变得更暖更干，火灾如何改变高纬度北方地区的生态系统；她有时会与罗杰斯以及其他在其他研究领域致力于保护永久冻土的科学家合作。但她不确定随着气候变化持续，这些干预措施能取得多大成效。

“我是个经验主义者，而就目前而言，我并不清楚经验证据是否表明我们真的能对这些火灾产生任何影响，”她说。

她预计会出现一些明确的案例，在这些案例中，我们能够也应当迅速行动扑灭火灾，“把碳留在地下”。她举了2007年阿纳克图沃克河火灾的例子：那是阿拉斯加北坡一场规模巨大的苔原火灾，在最初几天本可以相对轻松地扑灭，但却被放任燃烧，直到近三个月后冬季降雪将其扑灭。在这段时间里，大火席卷了400平方英里，而麦克的研究表明，超过200万吨碳被释放到空气中。

“我觉得这就是那种容易摘到的果子，成本不高——而这正是我认为探测技术真正重要的地方，”她说。

但她补充说，北方森林中的火灾可能以难以预测的方式迅速蔓延，即使一发现就立刻行动，也会让迅速扑灭的努力受挫。

此外，麦克说，在一个季节里迅速扑灭一场火灾，并不一定能降低特定森林的火灾风险，因此灭火可能只是把“火灾罐头”踢到以后——推迟但并不能阻止不可避免的碳损失。

她最近的想法“稍微”转变了，因为她看到了一篇更早的建模论文，该论文显示了一些令人鼓舞的发现，即早期扑灭有可能缩小北方森林火灾的影响范围。但她说，通过森林疏伐、计划烧除以及引入不易燃的落叶树来形成“活防火带”进行预防，可能比技术增强的灭火更有前景。“如果我们能用技术手段解决这个问题，那当然很好，”她说。“但如果我们用自然来解决呢？”

罗杰斯在回复麦克担忧的电子邮件中表示，他们正在探索的干预措施——确实同时包括预防和抑制——"能够带来真正的改变"。

"我当然同意，有些火灾通过初期扑救比其他火灾容易压制得多，"他写道。"话虽如此，在数据向我证明并非如此之前，我相信通过管理来扭转曲线有很强的潜力。"

EDF的布马承认存在诸多未知因素，包括各机构能以多快速度根据卫星更快探测到的火情采取行动——以及对火灾管理政策做出必要改变将面临多大的政治障碍。

"我们不能对可能实现的目标过度承诺。我们并不知道什么是可能的，"他说。"这一切都是新的。但我们身处新的气候环境，必须考虑尝试新事物。"

巨型电网级电池发展蓬勃，但较小的住宅系统却一直滞后。