火災(zāi)發(fā)生時(shí)什么樣的地形很危險(xiǎn)？因?yàn)槿祟惒欢@背后的物理原理，30多年前曾經(jīng)發(fā)生過一起震驚世界的惡性火災(zāi)事件。而在這次火災(zāi)事件后，一個(gè)奇怪的物理現(xiàn)象被研究者發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在這個(gè)物理現(xiàn)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(diǎn)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(gè)自動(dòng)扶梯上冒出了一個(gè)小火苗。消防員是在7點(diǎn)36分接到報(bào)警，7點(diǎn)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(dá)現(xiàn)場的倫敦消防局表示火團(tuán)大概就是一個(gè)紙箱那么大，因此也沒怎么當(dāng)回事兒。但是在7點(diǎn)45分，火勢迅速擴(kuò)大，大火從木質(zhì)的自動(dòng)扶梯燃燒到了上方的售票大廳里。因?yàn)榘l(fā)生在下班高峰期，火災(zāi)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(dāng)時(shí)的英國運(yùn)輸大臣 Paul Channon 也親自到現(xiàn)場指揮救災(zāi)。為了防止乘客誤入火海，一些消防隊(duì)員還堵在危險(xiǎn)的火口上。消防員們一直到第二天凌晨1點(diǎn)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(zāi)的味道在車站內(nèi)滯留了數(shù)月。這次事件也是有史以來世界地鐵運(yùn)輸系統(tǒng)上發(fā)生的最大的一次火災(zāi)，令全世界側(cè)目。

事發(fā)扶梯初始火苗比較小

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

1860年，英國科學(xué)家 P. H. Thomas 提出，在密閉空間中燃燒積聚的熱量使溫度達(dá)到600攝氏度這個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)，一氧化碳等可燃?xì)怏w會(huì)瞬間自燃，全場會(huì)在一霎那間成為一片火海。

閃燃效應(yīng)也是消防員最畏懼的物理現(xiàn)象之一。根據(jù)美國消防協(xié)會(huì)（NFPA）公布的數(shù)據(jù)，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(shù)僅比第一大原因——身體受傷或突發(fā)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?yàn)槭掳l(fā)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(chǎn)生閃燃，3分鐘是不夠的。

可怕的溝槽效應(yīng)

在政府的委托下，位于劍橋大學(xué)的英國原子能科學(xué)研究院（AERE）提出了一個(gè)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(gè)扶梯所在空間后才蔓延到售票大廳里去的。這個(gè)新發(fā)現(xiàn)的物理現(xiàn)象被命名為溝槽效應(yīng)（Trench Effect）。

溝槽效應(yīng)是通過當(dāng)時(shí)歐洲計(jì)算力最強(qiáng)的超級計(jì)算機(jī)Cray-2發(fā)現(xiàn)的。這一結(jié)果和一些目擊者的證詞相符。不過當(dāng)時(shí)還是有很多專家不相信溝槽效應(yīng)存在，因?yàn)樗麄冋J(rèn)為火焰只會(huì)豎直地向天上燒，不會(huì)爬坡。為了提供進(jìn)一步的證據(jù)，英國職業(yè)健康與安全管理局（HSE）在巴克斯頓建造了一個(gè)1：3的模型，該模型還原了扶梯和購票大廳的形態(tài)和材料。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果和超級計(jì)算機(jī)模擬的結(jié)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?；鹧娴难訜俣瓤蛇_(dá)每秒10米，從著火地點(diǎn)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(yīng)，山坡的傾角在30～40度

經(jīng)過這些研究，專家們才相信溝槽效應(yīng)才是這次大火迅速蔓延的元兇。實(shí)際上，負(fù)責(zé)領(lǐng)導(dǎo)這次調(diào)查的 Desmond Fennell 爵士在調(diào)查報(bào)告中寫道：“一個(gè)小規(guī)模的火災(zāi)突然轉(zhuǎn)變成大火本來是很難解釋的，但是現(xiàn)在我對溝槽效應(yīng)這個(gè)新發(fā)現(xiàn)的科學(xué)現(xiàn)象提供的解釋感到滿意?！?/p>

那么，為什么火苗會(huì)沿著斜坡往上爬呢？后來的研究發(fā)現(xiàn)，溝槽現(xiàn)象來源于經(jīng)典的康達(dá)效應(yīng)和煙囪效應(yīng)（chimney effect）的疊加?？颠_(dá)效應(yīng)也叫附壁作用，意思是凸起物很“拉風(fēng)”，氣體和液體喜歡擦著凸起物流動(dòng)，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(gòu)成的。在康達(dá)效應(yīng)的作用下，火苗遇到斜坡時(shí)就懶得垂直上升了，而會(huì)趴在斜坡上，靠“曲率驅(qū)動(dòng)”攀升。而由于熱氣往上升，斜坡下部就會(huì)有空氣流入，形成煙囪效應(yīng);新鮮的空氣又會(huì)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(yīng)越顯著。英國職業(yè)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(guān)鍵影響。

而斜坡的幾何形態(tài)對溝槽效應(yīng)也有重要的作用。實(shí)際上，溝槽效應(yīng)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?yàn)闇喜坌?yīng)而犧牲的。McArthur森林火險(xiǎn)等級系統(tǒng)（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(huì)增加一倍。所以你明白了吧，斜坡上著火的話應(yīng)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(zāi)逝者建立的紀(jì)念牌

火勢蔓延的問題解決了，第二個(gè)疑問就是火災(zāi)的起因了。這個(gè)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(diào)查認(rèn)為，煙民隨意丟棄的火柴可能是導(dǎo)致火災(zāi)的直接原因。不論如何，經(jīng)過這個(gè)事件，英國和全世界的地鐵站開始重視火災(zāi)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(zāi)預(yù)防條例），規(guī)定地鐵系統(tǒng)全面禁煙，加裝滅火器和警報(bào)設(shè)施，木質(zhì)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(shè)施，竟是一個(gè)研究歷史不過30多年的物理現(xiàn)象帶來的呢。

（本文經(jīng)授權(quán)轉(zhuǎn)載自“把科學(xué)帶回家”公眾號，有刪節(jié)）