2026年7月下旬的一个下午，一架NASA ER-2研究飞机从蒙大拿州大瀑布城起飞，爬升至21公里（13英里）的高度，将机头指向从俄勒冈大地升腾而起的野火烟雾。这架飞机没有乘客，没有氧气面罩，没有驾驶舱窗户。它所搭载的是一套大气仪器，旨在完成几乎从未有人做过的事情: 有意识地直接飞入火积云（pyrocumulonimbus）火云之中。
这项任务名为INSPYRE，即注入烟雾与火积云实验，它代表着大气科学处理这些 monstrous 的喷火雷暴方式的根本转变。在数十年来将火积云遭遇视为时间和地点的偶然之后，研究人员终于主动出击了。
一个数据点
火积云的问题不在于科学家不知道它们的重要性。而在于他们基本上没有关于它们如何运作的直接数据。在整个大气科学史上，只从一个活跃的火积云上方的平流层中采集过一个新鲜烟雾样本。只有一个。每一次其他测量都来自机会主义的嗅探测试: 那些恰好因完全不同的目的在附近飞行的飞机，偶然而非有意地捕捉到了火风暴的尾气。
这种稀缺性之所以引人注目，是因为火积云是地球上最具能量的现象之一。当野火变得足够强烈时，它会创造自己的天气系统。热量产生一个高耸的雷云，能够冲破对流层顶（低层和高层大气之间的边界），在10至50公里（6至31英里）的高度将烟雾、灰烬和微量气体直接注入平流层。一旦到达那里，这些物质不会随雨水降落。它们会扩散到全球，持续数月至数年，侵蚀臭氧层，减弱阳光，并在行星尺度上改变大气化学。
由李飞琴等人领导的一项2023年发表在《科学进展》上的研究表明，火积云烟羽以气候模型未能捕捉的方式改变了高层大气的辐射收支。2019-2020年澳大利亚丛林大火季节产生的火积云事件向平流层注入了相当于一次中等火山喷发的烟雾，对平流层温度和环流的影响持续了一年多。
然而，尽管拥有如此威力，火积云仍然缺席于业务气象和气候预报模型。这不是一个疏忽。这是一个数据问题。没有关于什么进入火积云、它如何组织以及什么控制它是否能穿透平流层的测量数据，建模者就没有什么可参数化的。
预报缺口
领导INSPYRE的海军研究实验室气象学家大卫·彼得森已经发现了可称为火灾科学与大气科学交汇点的盲点。业务气象模型根本不考虑火积云的烟雾注入。当大规模火风暴的烟雾进入高层大气时，这些模型就会失去预测受影响地区温度、风向和降水模式的能力。海军对填补这一缺口有直接兴趣，因为飞行高度的烟羽会给军用航空带来危险，并降低基于卫星的导航和通信系统的性能。
INSPYRE旨在回答的核心问题看似简单。哪些火灾会产生火积云，为什么？在同一片土地上、看似相似条件下燃烧的两场野火可能表现得完全不同: 一场停留在地面，另一场则建立起自己的雷云。临界点是什么？第二，什么决定了一个给定的火积云是否将烟雾注入平流层？许多火云向上翻涌但在突破对流层顶之前就崩溃了。成功的是罕见的，失败与平流层注入之间的差异可能归结于无人实时测量过的云微物理的特定细节。第三，一旦烟雾进入平流层，它如何改变高层大气的组成和辐射收支？
两架飞机，一场风暴
为了回答这些问题，INSPYRE部署了两架互补的飞机。ER-2是U-2间谍机的民用衍生机型，在平流层的边缘运行。飞行在21公里（13英里）以上，它可以从上方飞越正在发展的火积云，在其扩散到平流层时采样流出羽流。下方，NSF/NCAR湾流V在较低高度直接穿过云层，测量火风暴内部的气溶胶组成、气体浓度和云特性。
这种双层方法是经过深思熟虑的。ER-2看到什么进入平流层；湾流V看到风暴内部发生了什么。它们共同为研究人员提供了从底部到砧状云的火积云垂直剖面，这是前所未有的。
在地面，由内华达大学里诺分校领导的团队在活跃火灾附近操作移动雷达和激光雷达系统。这些仪器从下方追踪烟羽演变，测量上升气流速度、云顶高度和气溶胶后向散射: 这些数据将空中测量与地面条件联系起来。
2026年的野外阶段将持续到9月10日，基地设在科罗拉多州，在蒙大拿州设有前沿作业地点。计划于2027年进行另一轮野外工作，使团队能够在多个季节和地理区域对火灾进行采样。首飞于7月29日进行，目标是在俄勒冈州燃烧的火灾，那里的条件有利于火积云的发展。
自我供养的风暴
火积云在科学上令人着迷的部分原因在于它们并非野火的被动产物。它们成为主动参与者。一个成熟的火积云会产生自己的闪电，可以在主火焰前沿前方数英里处点燃新的火灾。它产生强大的上升气流，吸入更多氧气并加速下方的燃烧。它会产生火旋风: 火焰和灰烬的龙卷风状涡旋，不规则移动且无法预测。
这种反馈回路的含义远远超出了直接火灾区域。2019-2020年的澳大利亚火灾产生了一个火积云，将一团烟羽送入平流层，环绕地球并持续了一年多。卫星测量显示，该烟羽使中纬度平流层的臭氧减少了几个百分点，相当于一次小火山喷发的效应。
有意识的科学
从机会主义采样到有意识的战役科学的转变是INSPYRE的故事。这项任务的构想不是因为有人在正确的时间带着正确的仪器包偶然遇到了火积云，而是因为研究人员识别出了数据缺口并专门建立了一个项目来填补它。飞机的选择不是基于其可用性，而是基于其适用性。仪器载荷从零开始设计，以应对火云内部的极端条件: 热量、振动、灰烬载荷和会损坏或摧毁大多数现成大气传感器的电力活动。
2026年的战役是开篇。结果不会很快到来。来自ER-2和湾流V飞行的数据需要数月时间进行校准和分析。但目标是明确的: 用统计上有意义的样本集取代那一个数据点，并给建模者提供最终将火积云纳入预报所需的信息。
对于海军、航空业、试图了解平流层如何变化的气候科学家，以及任何生活在火灾季节越来越长、越来越极端的环境中的人来说，这项工作来得再快也不为过。
婷 翻译