【科技.未來】全球山火燒不盡 如何靠科技撲滅?

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近年每逢踏入秋冬乾旱季節,美國加州經常會「野火燎原」,去年底因電纜短路而引發的「營溪大火」(Camp Fire)更造成嚴重傷亡,令當地居民猶有餘悸。為防止慘劇重演,兩周前加州最大公用事業公司太平洋煤電(PG&E)大規模斷電。這當然不是可持續的應對措施,一些科學家正研究以工程、數據、人工智能(AI)等各種技術預防山火。然而,這些新方法是否能真正應付諸如加州山火,乃至仍未熄滅的亞馬遜森林大火呢?它們又如何有助了解全球各地愈來愈多的山火背後的真正成因?

美國加州兩周前預料有強風吹襲,為免乾木因強風與供電設施接觸而釀成山火,PG&E決定大規模斷電,區域橫跨加州中部和北部,逾半郡縣、多達近74萬戶,至少200萬人受影響,當中包括數以百計的醫院。

斷電的決定其實與去年的「營溪大火」有關,該場大火正是因為PG&E的電纜被強風吹倒導致短路走火所致。PG&E在事件中責無旁貸,官司纏身的它更於今年1月申請破產。美國史丹福大學自然資源法教授Barton Thompson解釋:「所有這些因素結合,意味着PG&E現在極之小心,嘗試採取預防行動。」

雖然PG&E已把大部份新電纜設於地底,但這種做法成本昂貴,據當地電台KQED報道,現時仍有81,000英里電纜架空,難怪Thompson說加州居民可以預期未來會面臨更多大型斷電的情況。消防員安全、倫理及生態聯盟(FUSEE)聯合創辦人和行政總監Timothy Ingalsbee認為,斷電不應該成為新常態:「這真的不是一個可行、可持續的預防供電纜山火的方法。山火每年都發生,他們會不會年年都斷電?」

去年加州營溪大火,幾乎整個天堂縣付之一炬。(Getty Images)

不分季節全年都有

事實上,加州山火連年,而且愈趨頻繁及嚴重。當地史上十大最嚴重的山火,有一半都在過去十年內發生。加州每年受山火影響的範圍,在1972至2018年間翻了五倍。山火季節也延長了兩個月,去年更損傷慘重,波及範圍逾170萬英畝,其中更發生了該州史上破壞力最強的山火—營溪大火。該場大火造成86人死亡,燒毀了19,000棟建築物;天堂縣(Paradise)在大火中更付之一炬,超過90%家園遭摧毀,居民由火災前26,000人減至現時只有約3,000人。

除加州外,全球各地的山火亦愈趨嚴重。巴西在今年首八個月已發生了近94,000宗火災,是2010年以來最多。其中超過一半都在亞馬遜森林發生,8月最嚴峻之時火頭更有上千處,引起全球關注,火災至今雖有所緩和,但仍未熄滅。

在歐洲,2月份已出現高溫,加上復活節熱浪,令英國今年以來發生了96宗範圍達25公頃以上的山火,比去年總數的79宗為多。英國全國消防局長議會(NFCC)山火行動主管Paul Hedley更觀察到一大轉變,就是山火不再只發生於傳統的3月至9月:「去年和今年的情形是,我們已無法說有山火季節,因為幾乎全年都有大型山火。」西班牙也在6月爆發了二十年來最嚴重的山火。

亞馬遜雨森大火本年夏天引起全球關注,至今有所緩和但仍未熄滅。(Getty Images)

此外,一些一直以來很少發生山火的地區,亦開始出現山火。自7月起,山火已燒掉西伯利亞地區600萬英畝的森林;阿拉斯加也有共250萬英畝的凍原和雪林發生火災。這些地方的森林與被稱為「地球之肺」的亞馬遜森林同樣重要,而這些北極地區的山火尤其令科學家擔憂,因為燒着的不只是樹林和草原,還有泥炭(peat),它們燃燒時會比同單位範圍的樹木釋放更多二氧化碳,其產生的煙灰一旦散落到周遭冰川,會令它們吸收更多陽光並減少反射,加快冰川融化的速度。

在一些高危地區,山火更成為了生態特色和氣候常態。例如美國加州現時幾乎每年固定有山火,原因之一是該州西部及東南部已逐漸變成了科學家所謂的「山火適應生態系統」。換言之,一些自然地景逐漸演化成不只容易發生山火,還需要有山火。像美國西部一種小幹松樹(lodgepole pines),就需要山火的熱力來釋放種子;在撒哈拉以南的非洲也可看到類似規律。美國愛達荷大學(University of Idaho)地理系助理教授John Abatzoglou指,非洲南北熱帶雨林的疏林(savanna,即稀樹草原)生態系統,幾乎都按預測每兩至三年發生一次大火。

山火有成為全球現象之勢,一些一直以來很少發生山火的地區,例如西伯利亞森林,本年夏天也出現大型山火。(Getty Images)

預防山火各施各法

科學界正積極研發各種預防或控制手段,希望讓山火或停電不會成為新常態。上月底刊於《美國國家科學院院刊》(PNAS)的一篇論文中,美國史丹福大學材料科學教授Eric Appel的團隊就發表了一種可噴灑於森林和植被的抗火凝膠,能有助預防山火擴散。

現時用於撲救山火的阻燃劑,例如聚磷酸銨(APP),一般在飛機投下後會依附到植被表面與炭結合,繼而產生一種抗火焦物。APP燃燒時會產生水,可助滅火。但是,APP只能附在植被很短時間,所以只能用來滅火,無法用於預防, Appel團隊研發的凝膠正好解決了這方面的問題。論文第一作者、史丹福大學材料科學博士生Anthony Yu如此比較:「你可以選擇用兩萬加侖凝膠在一個區域來預防,又或在火災發生後使用100萬加侖傳統配方來滅火。」

草地噴灑了史丹福大學研發的防火膠狀物(右),明顯比沒有噴灑(左)有效防止起火。(圖片來源:Standford News; Eric Appel)

凝膠的主要成分是從植物材料而來的纖維素聚合物及二氧化矽膠體粒子,化學成分與沙相同,研究員指其無毒,而且可生物分解。「真正作用在於聚合物和粒子之間的交叉連結,我通常稱之為類似『分子魔術貼』。」 Appel解釋,聚合物像在粒子之間建立橋樑,形成膠狀結構。研究人員聲稱,把APP與新研發的凝膠混和,可令其依附力增加50%。

在加州林業和消防部(CAL FIRE)監督下,研究團隊先後在實驗室及加州公路旁的草地測試凝膠,發現噴灑了凝膠的草地難以燃點,而且凝膠不但可抗風,還可抵抗最多半吋深的雨量,因此每個山火季節只需要噴灑一次。「他們製造了一種不會燒着的燃料床。這種製造不可燃燒區域的方法明顯能應用於民居或路旁等地方。」 CAL FIRE聖路易斯-奧比斯保市分部主管Alan Peters說。

Appel指現時山火很多時都只能在爆發後趕救,他希望其團隊研發可有助更主動預防山火。(AP)

很多山火都在同類的區域發生,例如公路旁、營地、偏遠電纜周遭等,意味着地方政府可針對性地在這些高危地區噴灑凝膠。CAL FIRE預期尤其可用到拖車或重型汽車難以行駛的斜坡上,因為這些車輛駛過時,過熱的車盤往往令擦過的植物着火,引起山火。此外,凝膠設計成可用一般設備噴灑,例如噴農藥和種子的噴播機之類。「這有潛力令撲滅山火從被動變成主動。現時,我們能做的只有監察高危區域,屏息以待山火爆發,然後趕去救熄。」Apple說。

一些科技公司採取更宏觀的預防手法。微軟(Microsoft)在2017年開展了「AI for Earth」計劃,不但把人工智能工具開放予公眾使用,以配合雲端服務分析各種數據,還資助一些處理環境議題的組織,包括預防山火。初創公司SilviaTerra是其中一間獲資助的公司,該公司約在一年前開始,以來自美國地質調查局(USGS)、美國太空總署(NASA)等的衛星數據建立大型森林地圖。SilviaTerra希望藉着地圖向美國國家森林局(USFS)、保育團體、木材公司或私人地主,提供有助進行森林疏伐(即適度採伐樹木,可阻山火擴散)工作的資訊,例如適合的樹木種類、大小和地點。SilviaTerra創辦人Zack Parisa指:「一個人每日或許只可以測量20英畝,有了AI就可以測量整個森林。」

SilviaTerra與Microsoft合作,並使用美國地質調查局(USGS)、美國太空總署(NASA)等的衛星數據建立大型森林地圖,可有助預防山火及森林管理。上圖為其中一款,標示了內華達山脈不同樹木種類構成及分佈。(SilviaTerra)

另一初創公司Salo Sciences正開發一款人工智能軟件產品—分析樹木枯萎地點並製成地圖,以指出山火最高危的地方。加州估計有約1.5億棵樹在2012年起的持續五年乾旱中枯死,Salo Sciences創辦人及行政總裁Dave Marvin透露,公司的軟件正從加州開始着手製作地圖,將逐步擴大至美國西部其他地區:「現有的加州山火風險地圖有些數據是十五年前的,我們需要一個新的框架來整合衛星圖像和數據,並更密切地配合保育工作。」軟件亦會考慮森林樹木的高度和密度,以助判斷山火風險:「若是矮而密的森林,就有較高的火災風險。高矮樹木混合的森林比較健康。」

美國國防部亦看重人工智能在預防山火方面的潛力,他們在今年2月宣布會推出火災監控計劃。中將John “Jack” Shanahan指,將會以美國國民衛隊無人機收集的山火圖像和影片訓練演算法,以助預測山火路徑及提升撲滅效率。

加州大學聖迭戈分校(UCSD)的學者則利用它們的超級電腦中心(SDSC)展開名為WIFIRE的計劃。他們在加州山嶺各處監測站設置了高清鏡頭、風力和濕度監測器等,一旦發現火災,就會把大氣數據輸送到超級電腦,為消防實時推測火勢未來動向。「它們可以知道火向哪裏燒、短期和長期的火勢發展,並持續更新。」有份參與計劃的電訊公司GeoLinks創辦人Skyler Ditchfield說。

洛杉磯消防處正使用WIFIRE,以超級電腦分析實時天氣監測數據,預測山火動向。(WIFIRE)

SDSC電腦科學總監Ilkay Altintas舉例指,火勢會隨風擴大蔓延,並帶來更多數據:「運算的複雜性視乎火勢有多大、地形有多複雜、天氣如何等。人類或許可以做到任何電腦做到的事,但不夠它快……可以用的數據愈多,救到的生命和財產也愈多。」同樣研發以人工智能預測山火的加拿大阿爾伯塔大學(University of Alberta)再生資源教授Mike Flannigan更認為:「這些機器學習方法,在看出規律上甚至比人類更好。」

洛杉磯消防處處長Ralph Terrazas透露,已把WIFIRE納入該處的決策工具之一,「它不是唯一的救火方法,但可讓我們有更快更好的決策。」現時,加州文圖拉郡和橙郡消防局也採用了WIFIRE,另有約120個加州組織正在試驗。

美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室(LANL)亦正使用超級電腦建立一個名為FIRETEC的模擬系統。負責計劃的大氣科學家Alexandra Jonko預期,這些火災動態數據可讓管理者更了解如何執行「策略燒除」(prescribed burn,一種有計劃的人為小型受控山火,藉由燒毀一定數量的植被,防止一發不可收拾的山火浩劫)。研究員正試驗以光學雷達(LIDAR)找出應該在哪裏進行「策略燒除」,例如空中的光學雷達負責產生樹的立體圖像,地上的就仔細描繪樹下的植被。

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上文節錄自第185期《香港01》周報(2019年10月21日)《山火燒不盡 靠大數據撲滅?》。

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