火災與危險的溝槽效應

火災發生時什么樣的地形很危險？因為人類不懂這背后的物理原理，30多年前曾經發生過一起震驚世界的惡性火災事件。而在這次火災事件后，一個奇怪的物理現象被研究者發現，現在這個物理現象成了消防員必備的知識。

倫敦地鐵的一場大火

倫敦的國王十字地鐵站是倫敦的樞紐，也是全球最繁忙的地鐵站之一。每年，國王十字車站有大約9500萬名乘客通行。1987年11月18日晚上7點半左右， 倫敦地鐵國王十字圣潘可拉斯站的站臺和售票大廳之間的一個自動扶梯上冒出了一個小火苗。消防員是在7點36分接到報警，7點42分趕到火場的。

2014年倫敦的國王十字地鐵站

一開始，火勢很小，到達現場的倫敦消防局表示火團大概就是一個紙箱那么大，因此也沒怎么當回事兒。但是在7點45分，火勢迅速擴大，大火從木質的自動扶梯燃燒到了上方的售票大廳里。因為發生在下班高峰期，火災引起了乘客的恐慌和踩踏。

這場火非常難纏，150名消防員參與了救援，當時的英國運輸大臣 Paul Channon 也親自到現場指揮救災。為了防止乘客誤入火海，一些消防隊員還堵在危險的火口上。消防員們一直到第二天凌晨1點半左右才把火撲滅。

最終這次大火造成了100多人受傷，31人死亡，其中包括1名消防員，而火災的味道在車站內滯留了數月。這次事件也是有史以來世界地鐵運輸系統上發生的最大的一次火災，令全世界側目。

事發扶梯初始火苗比較小

這個火災有許多疑點，因此事后英國政府馬上展開了調查。最大的疑點是，為什么火勢會突然變大？一開始研究者和消防員們試圖用閃燃效應（Flashover）解釋國王十字地鐵站的大火。

1860年，英國科學家 P. H. Thomas 提出，在密閉空間中燃燒積聚的熱量使溫度達到600攝氏度這個臨界點時，一氧化碳等可燃氣體會瞬間自燃，全場會在一霎那間成為一片火海。

閃燃效應也是消防員最畏懼的物理現象之一。根據美國消防協會（NFPA）公布的數據，在2013年因公殉職的97位美國消防員中，有30人死于閃燃。閃燃造成的消防員死亡人數僅比第一大原因——身體受傷或突發性疾病少2人。

可是，閃燃并不足以解釋國王十字地鐵站的扶梯上火勢的蔓延速度，因為事發扶梯的高度為16米，長度為42米，寬度為7米，要在這樣大的空間里積聚熱量產生閃燃，3分鐘是不夠的。

可怕的溝槽效應

在政府的委托下，位于劍橋大學的英國原子能科學研究院（AERE）提出了一個新的解釋：火焰僅僅沿著扶梯加速向上爬，而不是豎直地充滿整個扶梯所在空間后才蔓延到售票大廳里去的。這個新發現的物理現象被命名為溝槽效應（Trench Effect）。

溝槽效應是通過當時歐洲計算力最強的超級計算機Cray-2發現的。這一結果和一些目擊者的證詞相符。不過當時還是有很多專家不相信溝槽效應存在，因為他們認為火焰只會豎直地向天上燒，不會爬坡。為了提供進一步的證據，英國職業健康與安全管理局（HSE）在巴克斯頓建造了一個1：3的模型，該模型還原了扶梯和購票大廳的形態和材料。

實驗結果和超級計算機模擬的結果相同：在大約1分11秒后，本來垂直向上的火焰突然斜躺在了扶梯上，并且沿著扶梯向上延燒。火焰的延燒速度可達每秒10米，從著火地點燒到扶梯頂端僅需40秒。

2003年1月18日澳大利亞堪培拉山火的溝槽效應，山坡的傾角在30～40度

經過這些研究，專家們才相信溝槽效應才是這次大火迅速蔓延的元兇。實際上，負責領導這次調查的 Desmond Fennell 爵士在調查報告中寫道：“一個小規模的火災突然轉變成大火本來是很難解釋的，但是現在我對溝槽效應這個新發現的科學現象提供的解釋感到滿意。”

那么，為什么火苗會沿著斜坡往上爬呢？后來的研究發現，溝槽現象來源于經典的康達效應和煙囪效應（chimney effect）的疊加。康達效應也叫附壁作用，意思是凸起物很“拉風”，氣體和液體喜歡擦著凸起物流動，能繞著東西走就絕不走直線。

火苗主要是由炙熱的氣體和等離子體（帶電粒子）構成的。在康達效應的作用下，火苗遇到斜坡時就懶得垂直上升了，而會趴在斜坡上，靠“曲率驅動”攀升。而由于熱氣往上升，斜坡下部就會有空氣流入，形成煙囪效應;新鮮的空氣又會助長火勢，讓小火變成大火。

一般來說，斜坡的坡度越大，溝槽效應越顯著。英國職業健康與安全管理局的研究指出，國王十字車站的扶梯和水平面的夾角為30度，這對火勢的蔓延速度起到了關鍵影響。

而斜坡的幾何形態對溝槽效應也有重要的作用。實際上，溝槽效應也是山火最恐怖的一大特征，許多搶救山火的消防員就是因為溝槽效應而犧牲的。McArthur森林火險等級系統（McArthur Forest Fire Danger Rating System）里就寫著，山坡的斜度每增加10度，山火的蔓延速度就會增加一倍。所以你明白了吧，斜坡上著火的話應該往下坡跑，往上跑就是找死了。

國王十字地鐵站為1987年火災逝者建立的紀念牌

火勢蔓延的問題解決了，第二個疑問就是火災的起因了。這個問題并沒有明確的答案，有人說是恐怖襲擊，有人說是事故。倫敦消防局的調查認為，煙民隨意丟棄的火柴可能是導致火災的直接原因。不論如何，經過這個事件，英國和全世界的地鐵站開始重視火災防范。

原本缺乏地鐵消防措施的英國，在1989年通過了The Fire Precautions （Sub-surface Railway Stations） Regulations（地鐵站火災預防條例），規定地鐵系統全面禁煙，加裝滅火器和警報設施，木質扶梯也被替換成金屬的。其他國家也紛紛效仿，出臺了車站禁煙等防火措施。誰能想到，地鐵站里必備的消防設施，竟是一個研究歷史不過30多年的物理現象帶來的呢。

（本文經授權轉載自“把科學帶回家”公眾號，有刪節）