（图片来源：Krista Schlyer）
美国的许多生态系统都是在火灾中发展起来的。几千年来，火灾经常席卷整个地区，与今天的森林火灾相比，通常规模更小，强度更低。它们清除了过剩的燃料，比如较小的树木、倒木和落叶。这是一个自我调节的过程，能使易燃区分散，限制火灾的规模，保持森林健康。在很多西部森林中，这导致了树木间隔较宽，下层林丛较薄，地面上的可燃物更少。
但是人为干预已经中断了这个自然过程，使得过剩的燃料积累起来，而这些燃料必须得到处理。多年来，在美国东南部，土地管理人员设计出了可控的计划烧除，以清除地面积累的大部分燃料，其中大部分在森林的中层，还有一些在树冠层。
然而有时，计划烧除会出现严重错误。
2000年，新墨西哥州班德列尔国家纪念碑发生了一起火灾。一场引发了一场大火，烧毁了杰梅兹山脉逾47000英亩的土地和洛斯阿拉莫斯附近逾230栋房屋，导致400多人流离失所。
最近，加利福利亚州和田纳西州的巨型火灾唤起人们长期缺失的注意，关注起如何更好使用计划烧除来防止这种火灾上。计划并成功制造可控火灾来清除过剩的燃料，重新平衡生态系统可能是一件棘手的事，在西部复杂的山地和峡谷地形中尤为如此，那里有越来越多的人住在荒原附近。然而，如果燃料负荷不加以控制，我们可以预期会发生更多规模和破坏性巨大的致命灾难性火灾。
这些火灾对环境的微小变化都非常敏感，比如突然刮来的一阵风，或者一块燃料暴露在阳光下的时间更长。为了克服这些边际燃烧条件的挑战，烧除人员根据风和燃料调整点火模式和点火率。例如，一个工作人员可能点燃垂直于风的五条平行线。当旋转气流聚集到一起时，事情会变得很复杂：多条平行火线的燃烧与一条线是不同的。另一个考虑因素是烟雾是否会使附近的社区窒息。
以前自由燃烧的野火的经验可以帮助烧除管理人员决定如何进行，但是因为每次火灾都不同，这是一个不完美的解决方案。这就是基于物理的火灾建模能有重大改进的地方。建模使得烧除管理人员可以提前模拟计划火灾，因此当工作人员开始利用滴液点火器释放遍布林地的火焰时，他们可以有把握在正确的时间点燃正确的火焰。他们仅仅想要足以自我维持的火，而不是多到失去控制。洛斯阿拉莫斯国家实验室开发的FIRETEC建模工具最初是为国家安全科学而用于流体动力学研究，运用物理学来模拟在非常复杂的地形中计划烧除的多次点火间的关键相互作用。
基于关于点火模式、地形、天气、大气条件、燃料负荷、植被等的具体细节，FIRETEC模拟空气的浮力上升、火焰竞争性地吸收空气的方式、火线的相互影响、火焰的产生气体和燃料负荷、地形、大气等的相互作用。FIRETEC还阐明了反直觉的相互作用，比如在较少冠层覆盖范围内火焰在表面更快扩散，这是因为来自冠层的空气阻力越小，所以有更多的风可以煽动火焰。
这是计划烧除管理人员首次可以使用相当于飞行模拟的模型，来了解和计划烧除，以及火灾后果的实际复杂性。在美国林务局、埃格林空军基地和高木研究站（Tall Timbers Research Station）的指导下，FIRETEC正在探索计划火灾如何受依赖火灾的东南部森林的点火模式和点火率的影响。工作人员正在使用这些模拟来开发训练资料并通过多年的经验来解释所得结果。
FIRETEC的一个缺点是它需要在超级计算机上运行，对于实地工作不是很方便。为了让更多的人可以使用笔记本进行相似的建模，洛斯阿拉莫斯和美国林务局正在开发QUIC-Fire，一种使用更简单、运行速度更快的算法，希望QUIC-Fire可以增加科学家和实践人员的双向信息交流，包括经验丰富的烧除管理人员和新人。通过与高木研究站、美国国防部和内政部的合作，初期用户已开始试用QUIC-Fire以考察烧除计划。
计划烧除人员和火灾科学家仍然需要学习很多东西。在控制火灾，保护人民、城镇和森林的同时，完善计划火灾，实现土地和森林的管理目标，并不是一件容易事。但是基于物理的工具明确阐明了火灾和周围大气之间的相互作用，随着国家开始在越来越复杂的场景中实施更多此类的火灾，这项工具为在计划火灾实践中权衡利弊提供了新的方法。
作者：Rodman Linn & J. Kevin Hiers
翻译：龙思雨
审校：马一瑗
引进来源：科学美国人
本文来自：环球科学
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