Inside the quest to combat Arctic fires and save the planet’s frozen carbon

揭秘应对北极野火、守护地球冻土碳库的行动 | MIT技术评论

气候与能源

揭秘应对北极野火、守护地球冻土碳库的行动

这些科学家希望通过火灾监测卫星、人工智能工具以及古老的陆地实践，保护脆弱的永久冻土及其储存的大量碳。

Philipp von Ditfurth/laif/Redux

作者：

• 詹姆斯·坦普尔 档案页面

2026年10月19日

2021年7月一个异常炎热的夏季，阿拉斯加费尔班克斯大学北校区的黑云杉和桦树剥落的森林中突然爆发了野火。

这场可能由闪电引发的火灾，沿着干燥的羽毛苔藓和地衣地毯蔓延，最终窜入树冠。当消防部门赶到时，火焰已长达12英尺，升腾起500英尺高的烟柱。

在扬科维奇公路火灾五周年纪念日前几天，我跟随阿拉斯加野火科学联盟的三位成员走进针叶林，沿着铺满羽状节节草的越野滑雪道前行。

2024年，这个致力于向野火管理者传递最新火科学进展的组织，将该区域改造成教育步道，并在沿途设置了解说牌。行进约半英里后，视野豁然开朗，我们来到一片稀疏的光秃树干前，这些树干已失去针叶和邻近树木。

联盟协调员希拉里·舒克手持融解探测仪——一根T形尖端金属杆，用于探测永久冻土的上边界。这种覆盖北半球15%陆地、储存大气中约两倍碳的古老冻土层。在燃烧区外的地面测试中，探测仪在距地表约1英尺处触及混凝土状的冻土层。但舒克在此处施压时，由于火灾已烧毁了保护冻土的苔藓和富含有机质的表层土壤，探测仪至少深入地下三倍深度。

“这是火灾的即时影响，”站在附近的联盟前协调员艾莉森·约克表示，“我们刚监测时，冻土层就已显著融化。”

研究人员埃里克·米勒（左）和艾莉森·约克（右）在扬科维奇公路火灾现场记录冻土融化深度。

LEIF VAN CISE

这种仅能提供单点深度数据的简易工具，揭示了北极地区日益严峻的问题。随着气候变化导致北半球野火频发且强度加剧，越来越多的永久冻土正在加速融化。这使得有机质分解并释放出强大的温室气体，形成恶性循环的气候反馈效应，推动更多变暖、更多野火以及更多永久冻土的消失。

最显著的例子是加拿大野火释放的碳量超过了该国2023年化石燃料排放总量。与阿拉斯加类似，这些大规模野火多发生于偏远地区，政策允许其自然燃烧，只要不威胁人类栖息地。然而，若野火加剧和变暖趋势得不到控制，全球针叶林和永久冻土可能逐渐从巨大的碳汇转变为大气碳的主要来源。

现在，来自美国、加拿大及其他地区的国际研究团队正急于理解这场危机在经济和生态层面的严重性。他们正在研究预防措施，例如受控燃烧，并探讨如何快速检测并扑灭野火，防止其失控蔓延。甚至，他们还在探索曾经被认为不可想象的方案：派遣人类消防员，目的不是拯救生命或建筑物，而是保护地球重要的碳储存库。

“我们需要找到与野火共存的更好方式，”伍德韦尔气候研究中心（Woodwell Climate Research Center）资深科学家布伦丹·罗杰斯（Brendan Rogers）表示。该中心是推动这项松散合作研究的主要组织之一。“我认为这确实能带来实质性的改变。”

伍德韦尔科学家布伦丹·罗杰斯（上图）一直在研究北极-针叶林火灾对永冻层的影响，以及可能的应对措施。

PHILIP KEITH（摄影），WOODWELL CLIMATE RESEARCH（地图）

伍德韦尔、维多利亚大学的Polis生态治理研究所，以及非营利组织阿拉斯加创投基金（Alaska Venture Fund）现在正合作开展一项名为“北火”（North Fire）的数百万美元计划。该计划旨在研究并提高公众对这些干预措施潜在效益的认识，据《麻省理工科技评论》报道。

这一想法因多种原因而复杂且具有争议性。野火是健康森林生态系统中自然且必要的组成部分。在广袤且大多未受管理的北极-针叶林和苔原地区，阻止或压制野火需要大量资源。此外，目前尚不清楚这些干预措施在减少排放方面能发挥多大作用。最终，研究人员甚至考虑对自然系统采取如此极端的干预措施这一事实，恰恰反映了我们因每年持续增加温室气体排放而陷入的危险境地。这些威胁迫使我们面对越来越困难的问题，这些问题涉及越来越严峻的权衡：我们有限的资源和日益减少的时间，最好的使用方式是什么？何时，或者是否应该冒着人员可能面临危险的风险，来降低对世界更广泛的威胁？

“巨大的盲点”

自2001年以来，全球森林火灾排放量增加了60%，但在遥远北方的针叶林地区，排放量几乎增长了三倍。

这一地区变暖速度是全球其他地区的四倍，导致景观逐渐干涸。此外，随着气温升高，大气中的对流能量增加，闪电引发火灾的频率也显著上升，这些闪电驱动了引发雷暴的上升气流。

从这个角度看，人类早已通过产生温室气体排放，改变了这些原本自然的生态系统，使温度上升，使森林面临远超健康历史范围的火灾模式。

“对我来说，这比‘我们是否应该干预’的生存焦虑更重要，”华盛顿西部大学助理教授凯特·海耶斯（Kate Hayes）表示。她正在与伍德韦尔合作研究火灾干预的排放效益。“我们已经干预了，可以说是这样。因此，从现在起，这更像是在枪伤上贴创可贴。”

从北极圈到永冻层的碳库

环绕北极圈的永冻层，覆盖加拿大、格陵兰、西伯利亚、斯堪的纳维亚半岛及其他北极国家的大片区域，储存着约1.5万亿公吨碳，其中大部分在数千年前就已冻结在地层中。然而，全球气温的持续上升已使北极永冻层的分布范围自1850年以来缩小了约12%，且在过去50年中这一损失速度显著加快。

到2100年，根据高升温情景预测，火灾引发的永冻层解冻可能释放相当于近800亿吨二氧化碳的碳。根据1月发表的一项研究，这一数值超过火灾直接燃烧植被所释放碳排放量的一半。此外，这将叠加在该时期内因一般性升温可能释放的超过4000亿吨碳之上。

尽管永冻层对气候变化的贡献日益显著，但迄今为止为联合国主要气候报告提供依据的模型中，仅有少数考虑了升温导致永冻层逐渐消失的因素，且没有任何模型纳入火灾和热浪后可能发生的永冻层突然崩塌和加速解冻现象。正如今年早些时候发表的一篇论文所警告的，考虑到这些现象及其他被低估的气候反馈效应，我们很可能低估了地球升温的速度。

“这些由升温驱动的排放是一个‘巨大的盲点’，”环境辩护基金的高级气候科学家布莱恩·布马（Brian Buma）表示，他也是该论文的合著者，正在开发帮助消防机构确定优先扑灭哪些火灾的工具。

随着火灾和永冻层排放的加剧，这些因素已成为气候变化的重要推手，一些研究人员开始探索应对这些排放所需的成本，就像我们过去努力减少发电厂、车辆和工厂污染那样。

2022年发表在《科学进展》（Science Advances）上的一项研究显示，由伍德韦尔研究所和美国关注科学家联盟的研究人员领导，发现加大扑灭针叶林火灾的力度可能是一种成本效益显著的气候解决方案——其成本甚至可能低于建设风力发电场、太阳能电站或碳捕集工厂来应对排放。

育空平原则试点项目

“这些经济发现促使更多研究人员认真对待应对火灾排放的设想，”2022年论文的合著者、现为伍德韦尔研究所高级科学政策顾问的彼得·弗鲁姆霍夫（Peter Frumhoff）表示。

多年来，伍德韦尔研究所的研究人员一直在与阿拉斯加各地的森林管理者、消防机构、原住民社区及其他团体进行讨论，向他们传达这一方法的潜力。

鉴于负责扑灭阿拉斯加火灾的联邦和州机构资源有限且任务明确，说服他们接受这一方案并不容易。阿拉斯加的总体政策是允许偏远地区火灾自然燃烧，除非它们对社区构成直接威胁。

“这些机构目前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（Randi Jandt）表示。“但他们的任务不是拯救世界。”

不过，有一个显著的成功案例。

育空平原有国家野生动物保护区是一片由湿地、森林和沼泽交织而成的1100万英亩区域。山脚地区位于一种被称为“耶多马”的特殊冻土之上。这种冻土属于深度较大、含冰量高且碳密度高的永冻土类型，由晚更新世时期（约1.17万年前结束）冻结的大量淤泥质风积沉积物组成。（它也为保存猛犸象的木乃伊遗骸提供了理想条件。）

“这种冻土的形成需要最后一次冰河时代，”海耶斯表示，“所以它无法迅速重新积累。我们基本上无法将其恢复。”

阿拉斯加火灾科学联盟的成员徒步进入受火灾影响的区域，测量森林地表土壤中的灰烬层厚度。

2019年，该地区经历了一系列毁灭性火灾，烧毁了约75万英亩土地。在一次阿拉斯加火灾科学联盟的会议上，伍德韦尔的科学家强调了更积极的火灾抑制可能带来的气候效益后，当时该保护区的负责人吉米·福克斯开始探索在火灾威胁到永冻土时（无论是否威胁到人类居住区）扑灭火灾的可能性。

最初的反应并不乐观。

“有人会跳伞去拯救冻土中的猛犸象遗骸，甚至可能因此丧生？”他回忆道，当时有人这样问他。

但最终，他说服了美国土地管理局阿拉斯加火灾服务部门的管理者，在育空平原160万英亩区域开展试点项目。他们同意在具备资源条件且认为能在72小时内控制火势时尝试扑灭火灾。

伍德韦尔及其合作伙伴同意研究这一措施对永冻土损失和火灾排放的影响，希望为其他地区类似项目提供依据。

唐纳德·特朗普连任后，试点项目能否继续存在尚不明确，尤其是当DOGE计划对该研究合作的公共资金进行追溯性削减后。

但今年2月，联邦政府正式保留了该项目，并将其目标扩展至包括保护栖息地多样性、水质和空气质量等。

地图绘制与建模

伍德韦尔目前的主要任务之一是确定消防机构何时何地应介入干预。关键问题是，过去过度扑灭火灾导致了大量干燥植物材料的堆积，这些材料会加剧未来火灾的严重程度。

“我们并不是要扑灭所有火灾，”罗杰斯在斯坦福大学阳光明媚的庭院里边吃午餐边说，伍德韦尔和EDF曾在1月份在此举办关于潜在火灾干预措施的研讨会。“我们做不到，也不想这么做，也不应该这么做。那么，我们该如何优先分配资源？”

伍德韦尔及其合作伙伴正在通过绘制阿拉斯加内陆地区火灾风险和碳脆弱性地图来回答这个问题。计划最终将该地图扩展至加拿大大部分地区。

这些地图将突出显示富含耶多马和其他类型永冻土的区域，预测未来10至15年内火灾最可能发生的位置，并预测火灾可能的行为和扩散方式。

“我们的最终目标是获得一层数据，可以告诉我们，如果发生火灾，哪些区域最容易产生高碳排放、永冻土融化和永冻土退化，”罗杰斯表示。

针对有关可能危及消防员安全的问题，罗杰斯在一封电子邮件中强调，这“是一个需要认真考虑的严重问题”。

他补充说，早期火灾检测技术、预防性森林管理措施、改进的灭火计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。

“温和的火灾”

一旦确定高风险区域，第一步是采取措施防止火灾发生，或至少降低其演变为大规模火灾的可能性。通常这意味着使用重型设备或有计划的可控燃烧来清除可能助长新火灾的植被，或创建防火隔离带以阻止火势蔓延。

今年早些时候在福雷特尤康（Fort Yukon）进行的文化燃烧。

爱德华·亚历山大（Edward Alexander）提供

数千年来，原住民部落通过被称为“文化燃烧”的方式来降低火灾风险、清理土地以种植作物等。自19世纪起，北美各地广泛禁止了这种做法，但近年来这些规定有所放宽。

然而，文化燃烧和计划性燃烧仍存在争议，因为它们可能失控。即使火势被控制，这些燃烧仍可能产生烟雾飘入城镇。

“我们不可能通过四处扑灭已经发生的火灾来解决阿拉斯加日益严重的野火问题，”西北地区、育空地区和阿拉斯加原住民吉奇人（Gwich'in）代表组织Gwich'in Council International的联合主席爱德华·亚历山大（Edward Alexander）表示。

“世界上没有足够的资金让这变成一个用链锯和斧头解决问题的场景，”他说。“这片土地太大了。”

作为伍德韦尔（Woodwell）公司的高级北极事务负责人，亚历山大认为阿拉斯加应大幅增加文化燃烧的使用，以降低火灾风险及其带来的排放。

“我们需要的是温和的火灾，而不是野火，”他说。

新的试点项目

“北火”（North Fire）倡议将包括多个额外的试点研究项目，其中包括一项研究文化燃烧在阿拉斯加福雷特尤康附近减少气候和火灾风险的潜力。

罗杰斯表示，计划由阿萨巴斯坎部落政府理事会（Athabascan Tribal Governments Council）运营的野外消防队，明年春天将在育空平地（Yukon Flats）地区执行文化燃烧。

随后，伍德韦尔（Woodwell）和阿拉斯加费因巴克斯大学（University of Alaska, Fairbanks）的研究人员将在数年内收集并分析可燃性、碳含量和冻土数据，以了解这些干预措施的效果。

同样，维多利亚大学（University of Victoria）的波利斯（Polis）研究人员计划研究通过伐木或改种不易燃的树木来创建燃料隔离带，如何改变不列颠哥伦比亚省的火灾风险。

“北火”倡议的总体目标是加速研究并扩大社区参与，“以一种帮助我们在短时间内迅速扩大规模的方式，将这一举措作为有意义的全球自然气候解决方案”，阿拉斯加风险投资基金（Alaska Venture Fund）合伙人艾琳·哈林顿（Erin Harrington）表示，该基金会专注于环境、经济发展和原住民事务。

从太空监测火灾

其他观察者，包括Jandt在内，认为减少火灾排放和保护冻土的更大机会可能在于“初期扑救”。这意味着在火灾刚出现时就调动飞机、水罐车和消防员，防止其演变为大规模火灾。

一旦火灾达到一定规模，控制它们所需的时间会大幅增加，而且工作风险也会显著上升。

加快响应时间是FireSat卫星星座的主要承诺之一。该系统预计今年年底前至少每天两次向Woodwell、少数火灾管理机构和其他早期采用者提供全球火灾数据。该系统最终将包括超过50颗环绕地球运行的卫星，配备高分辨率摄像头和热传感器，能够探测比现有卫星系统更小、温度更低的火灾，精度可达到5米乘5米（16英尺乘16英尺）。

目前，发现火灾可能需要数天时间。但一旦完整的卫星星座在2030年代初部署完成，FireSat应能每20分钟或更短时间检测并更新全球任何地区的火灾图像。

第一颗原型卫星于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Earth Fire Alliance预计到明年年底再发射四颗。

FireSat的原型卫星在2025年夏季拍摄到了两起偏远地区阿拉斯加野火——莫兰火灾和奇肯火灾的图像。

类似的系统也在陆续上线。德国的OroraTech在过去一年半内已发射了18颗火灾探测卫星。同样，加拿大机构计划从2029年开始发射自己的卫星星座，命名为WildFireSat。

但随着这些系统在全球范围内产生越来越多的探测数据，构建能够过滤这些信息的工具将变得越来越关键。

EDF正在支持并参与多个可能有助于实现这一目标的项目，并最终计划开发一个AI驱动的优先级评估工具，帮助消防机构在FireSat和其他火灾监测工具投入使用时优先处理响应。

“所有这些都类似于围绕FireSat构建数据生态系统，”Buma表示，“当它们开始不断发出‘这里起火了，那里起火了’的警报时，我们不会惊慌失措地说‘天哪，到处都是火灾’。我们将拥有一个框架。显然，这个框架不会完美，我们需要改进，但我们将拥有整合这些数据的机制。”

快速响应

但更快的探测和决策只能做到一定程度。地区仍需要快速将消防人员和资源部署到火灾现场，以防止火灾失控。“假设FireSat卫星星座已全面运行，并在这些高优先级、高度脆弱地区发现了刚刚爆发的火灾，”我在斯坦福大学庭院与Rogers和Frumhoff的对话中问道，“我们如何才能在足够快的时间内向偏远地区部署消防资源，使这一场景变得有意义？”

“不幸的是，答案是这取决于具体情况，”Rogers回应道。

理想情况下，他表示，我们应该制定火灾管理政策，允许扑灭那些可能产生加剧气候变化排放的高风险火灾。此外，各地区可以在更多操作中心部署更多的消防人员和资源，并战略性地设置在能够快速抵达火场的位置。弗鲁姆霍夫强调，伍德韦尔并未推广任何特定公司，但表示在相关对话中还有其他技术“可能有助于预防或迅速扑灭火灾”。

这些可能的措施包括通过播云来抑制雷击，以及预先部署自主灭火直升机，以快速响应高排放风险火灾。

西科斯基公司（洛克希德·马丁公司旗下）正在开发和测试自主版的黑鹰直升机，配备热传感器和水箱。该公司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，后者开发了软件，用于追踪变化的条件并引导无人驾驶飞机进行灭火作业。

去年，西科斯基和Rain在加利福尼亚州进行了一次模拟火灾测试，验证了他们的自主灭火技术。

TED CARLSON/RAIN AERO

该公司表示，它已与消防机构以及“更广泛的阿拉斯加消防社区”讨论了其技术的潜在用途，但拒绝透露具体合作实体。

“从我的角度来看，由于目前完全缺乏资源，永冻层和针叶林这两个气候临界点的双重影响，这使自主飞机成为理想的应用案例，”Rain公司的首席执行官Max Brodie表示。

保护碳排放

如果政府的火灾预防和扑灭政策不优先保护碳排放，先进技术也只能发挥有限作用。

鉴于管理大面积土地的历史成本，这一目标在现实中将难以实现。

2022年发表在《科学进展》（Science Advances）上的论文估计，额外的火灾扑灭努力每防止一公吨二氧化碳排放的成本约为12.63美元。根据即将发表的研究，当考虑永冻层中的碳时，这一数字会下降。但为了将阿拉斯加的火灾排放维持在历史水平，仅本十年就需要额外支出约70亿美元，随后30年随着火灾严重程度的上升，可能需要再投入70亿至500亿美元。

弗鲁姆霍夫强调，这些数字仅反映了研究人员测算出的维持现状所需成本，这并不一定就是政策目标。

但扩大我们扑灭火灾的范围，势必会为资金本就严重不足的消防机构带来巨大的额外成本。尽管阿拉斯加产生的野火排放占全国约一半，但其获得的联邦消防资金却仅占约4%。

2024年6月30日，一场野火在阿拉斯加丹奈利国家公园以北约一英里处燃烧。

NATIONAL PARK SERVICE VIA AP

美国荒野火灾服务部门就麻省理工科技评论的询问提供了预先准备的声明，回应是否应在某些火灾管理决策中将保护碳排放作为优先事项。该部门的迂回回应表明，这并非其首要关注点：“美国荒野火灾服务部门的首要任务是消防员和公众安全。”

Frumhoff 表示，土地所有者或政府机构最终可能通过碳市场来抵消部分额外成本。Woodwell 还与阿拉斯加联邦立法者进行了多次对话，讨论预防灾难性野火的价值以及增加公共资金总额的必要性，他表示。

踢开火罐

在走过费尔班克斯的火灾痕迹几天后，我沿着丹奈利国家公园以北的斯托姆皮德公路一段崎岖路面缓慢行驶，这里在没有火灾帮助的情况下，地下永冻层已经融化。

我来到一间狭小的木屋，与亚利桑那州立大学生态学荣聘教授 Michelle Mack 会面。

Mack 研究随着高纬度地区变暖和干燥，火灾如何改变生态系统，她有时会与 Rogers 及其他科学家合作，共同推动保护其他地区永冻层的研究。但她不确定这些干预措施在气候变化持续的情况下能取得多大成效。

“我是个实证主义者，目前还不清楚实证证据是否表明我们实际上能对这些火灾产生任何影响，”她说。

Michelle Mack 是亚利桑那州立大学教授，研究火灾如何影响阿拉斯加的永冻层并改变生态系统。

MATT 'MARTIAN' WILLIAMS

她预计在某些明显的情况下，我们能够也应该迅速采取行动扑灭火灾并“将碳保留在地下”。她以 2007 年阿纳克图维克河火灾为例，这是一场发生在阿拉斯加北坡的大型苔原火灾，早期可能相对容易扑灭，但最终却在冬季降雪后近三个月才被扑灭。在此期间，它横扫了 400 平方英里的区域，Mack 的研究表明，释放了超过 200 万吨碳到空气中。

“我觉得这就是低垂的果实，成本不高，而我认为检测技术在这里非常重要，”她说。

但补充说，针叶林火灾可能会以难以预测的方式迅速蔓延，即使在发现后立即采取行动也难以快速扑灭。

此外，一个季节迅速扑灭火灾并不一定降低特定森林的火灾风险，因此压制措施可能只是将“火罐”推迟到以后——延迟但无法阻止碳的必然流失，Mack 表示。

在最近阅读了一篇早期的建模论文后，她的观点略有转变，这篇论文显示了一些关于早期压制措施可能减少针叶林火灾影响的积极发现。但她表示，通过疏伐森林、计划性燃烧以及引入不易燃的落叶乔木创造“活火障”的预防措施，可能比技术增强的压制措施更有前景。“如果我们能用技术手段解决这个问题，那将很好，”她说。“但如果我们用自然的方式解决呢？”

“真正的影响”

Rogers 在电子邮件中回应 Mack 的担忧时指出，他们正在探索的干预措施，包括预防和压制，“可以产生真正的影响”。

“我当然同意一些火灾比其他火灾更容易通过初期扑救来控制，”他写道。“但除非我看到相反的数据，否则我相信管理措施有很强的潜力来改变趋势。”

EDF的Buma承认存在许多未知因素，包括机构在卫星更快检测到火灾后可能采取行动的速度，以及在必要时修改火灾管理政策所面临的政治障碍有多大。

“我们不能过度承诺可能实现的事情。我们不知道什么才是可能的，”他表示。“一切都是新的。但我们现在处于一个全新的气候环境中，必须考虑尝试新方法。”

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