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我希望能够运用人类智慧掌握火的规律,降服失控的火灾猛兽

本文为2019年7月20日“我是科学家”演讲活动第十二期——以我微光 | 宗若雯 演讲实录:

巴黎圣母院突发大火,全世界为之感伤;前不久,京都一家著名的动画制作公司惨遭纵火,许多珍贵手稿丢失,而且造成人员伤亡的新闻也很令人痛心。火的运用推进了人类文明的发展,但失控的火会造成巨大的灾难。科学家们如何研究火,从而试图降服这头可能失控的猛兽?中国科技大学火灾科学国家重点实验室副教授宗若雯将和我们分享:《火焰很美,失控则为猛兽——我们做的就是为了降服这头猛兽》

 

我是宗若雯,是来自中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室的一名老师。

 

火灾实验室是做什么的?简单来说,为了预防火灾的发生、减小火灾的损失,我们在实验室里面放了一把火。

自从有了火,漆黑的夜空才被照亮,人类文明的火花才开始被点燃。火的燃烧有各种各样的形态,异常美丽;但是如果失去了控制,就会变为一头猛兽。

有一种比较特殊的火行为叫做火旋风,它常见于在森林火灾与城市火灾中。与一般火灾相比,火旋风会使燃烧速率、火场温度以及火焰高度(可以达到几十米)变得异常凶猛,是一种灾难性的事故。

我们在实验室进行了小型的火旋风实验。可以看到,装置里面的气体被加热后,会形成内外压力差。同时,由于钢化玻璃的阻挡作用,外界的空气会从四周的气流通道卷吸进去,形成剪切力。如此,空气在火源周围,以火源为中心形成了一个旋涡状流动,最后导致了火旋风的发生。

其实,无论是火旋风还是其它形式的火灾,都是一种失控的燃烧——在时间和空间上都失去了控制。

燃烧有三个基本要素:可燃物、助燃物和点火源(能量),缺一不可。

燃烧三要素

  1. 可燃物,包括纸张、木屑、汽油等。
     
  2. 助燃物,多数情况下是氧气。但也有特例:镁可以在氮气中间燃烧,此时氮气也成为助燃物。
     
  3. 点火源,如明火、日光聚焦、雷电等。

我们在火灾防治的时候,只要把任何一个元素去掉,就可以达到目的。

改变可燃物。包括移走可燃物、给材料加上一层防火涂料或者阻燃的成分。家里的燃气着火要关掉气阀,就是改变可燃物的例子。

隔绝氧气。用湿棉被铺在着火的地方,或者用二氧化碳作灭火剂,都能起到隔绝氧气、窒息火焰的作用。

消除点火源。最简单的方法就是用水冷却。

火灾科学是一门多学科交叉的科学。材料的点燃-发生-发展-衰败,整个过程都有自身的动力学演化规律。

大家一提到火灾,可能会想到消防或者灭火;而我做的一些工作有关火灾调查,会和司法机构或者一些刑侦案件有关系,可能跟大家想的有点不太一样。

我们做的事情,其实就是利用火灾动力学,对整场火灾事故进行一些逆向推演:火灾到底是怎么发生的?它是什么时候发生的?当时的火场最高温度大概是多少?燃烧时间是多久?……这些都是我们要追溯的关键参数。通过现场残余痕迹,采用化学仪器进行分析,实验及计算机模拟等方法可以重现火灾过程。

下面我想给大家分享一些比较有趣的事情。

01 烟头扔到地面汽油中,会导致熊熊大火?

电影里经常会出现这样的场景:把一个烟头扔到地面的汽油中,会引起熊熊大火。但大家有没有想过,做实验验证一下这个我们信以为真的常识呢?点击链接查看视频

我在美国ATF(酒精、烟草与火器管理局)工作过一段时间,也参加过他们的培训。他们做了4000多次实验,不断地把烟头扔到汽油液池里进行点燃实验,但是从来没有一次着火。

可燃液体为什么能够发生燃烧?原理很简单:可燃液体可以变为可燃蒸气,而可燃蒸气只有浓度达到一定程度以后才能够被引燃。事实上,只有在有明火的情况下,可燃蒸气的浓度才能达到可燃程度,显然烟头是没办法的(烟头的温度一般为200~300度,但是火柴可以达到1400度)。

02 烟头会点燃沾有汽油的衣服吗?

我们再来看一个简单的刑事案例,同样发生在美国。一名男子供述,他正在自家院子里给除草机加油,他女朋友突然从后面抱住了他,所以汽油就撒在她身上了;他当时正好叼着个烟,然后烟头也掉到女朋友身上了,导致这名女子被烧死。

调查人员不断地进行各种实验,把烟头一遍一遍地往假人身上扔,没有一次着火;直接贴到衣服上,也没有着火;直接拿火柴或者打火机点火靠近衣服,才发生了火灾。所以证明了此人说的是谎言,而这个事件是一个故意的谋杀,而不是一个这种意外的伤害。

这就告诉我们,很多大家包括罪犯都信以为真的事情,其实需要批判性思维来验证。

03 洗衣篮失火,会引起洗衣店火灾?

大家也许听说过,有的投保人为了索取保险金,会把自己的房子点着。下面这个案例,同样发生在国外。一家洗衣店发生了一场火灾,看上去是塑料洗衣篮(里面堆了很多衣物)起火引起的。

尽管洗衣篮被烧掉了,但调查人员发现,热水器和炉子之间有一根热水管,上面焊接的铜管熔化了。铜管的熔化温度大概是250~300度,而顶棚的高度大概是2.44米。如果只是塑料和棉质衣物起火的话,热释放速率大概也就200千瓦,此时火焰高度只有1.2米——不可能达到2.44米。但如果存在助燃剂(比如汽油),热释放速率就会达到900多千瓦,火焰高度就会是2.8米,远超2.44米。

通过这个案例,我们可以认识到,火焰的高度是判定有无助燃剂的一个重要指征;起码可以提供一个角度,让我们产生怀疑。

04 火灾证人目击的位置,真的能站人吗?

靠近火源,虽然没有接触,但是我们会感到热。热辐射通量(单位面积接收到的热量)也是火灾动力学里一个常见的参数,可以验证证词真伪。

曾经有这样一个案例:有一个证人描述火场的现象,非常详细。但是调查人员在调查中发现,他所站的位置在火灾发生时接收到的热辐射通量,已经超过人体耐受值,产生了怀疑——最后果然调查出这个人其实是纵火犯。

所以,火灾科学对于现实生活和司法过程,都很必要。

05 惨烈的爆炸事故,到底是什么原因?

再比如,我们都知道的天津港爆炸事故,造成了很惨烈的后果。

事故的原因,其实是集装箱里硝化棉的湿润剂散失,然后在高温(天气)等因素的作用下,导致硝化棉的热分解加速;但同时积热难以散去,发生了自燃,就引起相邻集装箱内的硝化棉和其他危险化学品长时间大面积燃烧,最后导致堆放于运抵区的硝酸铵等危险化学品爆炸。

事故发生后,调查人员对现场残渣进行采集,通过各种正向、逆向实验,最后得出来这样的结论。点击链接查看视频

我们在实验室,会做各种各样的火灾实验:从小火到大火,从发生到全面燃烧。一间普通的室内住房,纸质篓、窗帘、沙发……从引燃到轰燃(火灾发展过程的突变现象,从局部燃烧跃升为全面燃烧)过程非常快,也就两分半钟。所以火灾无情,最好的办法就是进行预防。

前不久(7月18日),日本京都的京都动画第一工作室燃起大火,现场真的非常惨烈,共造成33人遇难。很多人在往屋顶逃生的路上,就叠加着,死在那里了。整个火灾其实现在已经非常明白了,就是人为纵火。纵火犯当时泼洒了很多汽油,瞬间火焰就升到几米高的高度,而且蔓延速度极快,火灾报警器和一些其它的防火设备都没有时间运作。

对于这样惨烈的火灾,我们可以说,明天和意外谁先到来,永远不知道。我们只能做好最好的预防,防范于未然。

火灾发生过程中,如何安全求生也是需要大量宣传的知识。请注意,我们讲的是“火场求生”而不是“火场逃生”。大家遇到火以后,可能第一反应就是逃,但是如果火势很大,烟气充满了整个楼道,这时候“逃生”就变成了“丧生”。

一般情况下,楼道遇到火灾,不要逃——退回自己的房间把房门关紧,等待救援。这是一个很好也很理智的方法,因为烟气扩散的速度要比人快得多。不过如果室内着火,一定要赶紧出去,还要把房门关住——如果把房门敞开,烟气和火就随着人一块跑到楼道去了。所以,发生火灾时我们一定要有科学的求生意识。

超高层的火灾现在也非常多,一定要注意的一点是,千万不能坐电梯。此外,每15层会有避难层,可就近前往避难层躲避。

小区里的电瓶车,它的材料有很多易燃物质和可燃物质。对于电瓶车在楼道里充电引起的火灾,一分钟之内,火灾温度就能达到600度;三分钟之内,就能达到1200度。这时候如果沿着楼道往外或者往楼顶逃,火和烟气很快就会充满;所以还是要退回到房间里头去,“关门大吉,等待援救”。

我们一般讲火灾“猛于虎”,但具有潜在火灾隐患的电瓶车是“猛虎中的猛虎”。所以,我们一定要做好相应的安全防范措施,同时也要记住,楼道里面不能放电瓶车充电。

很多火灾事故其实会循环再现,历史总会有惊人的、相似的一面。2003年,美国罗德里岛夜总会发生了一场火灾:现场燃放的烟花不小心点燃了舞台后面的隔音材料,在短短三分钟内,大火就充满了整个房间。虽然夜总会有另外三个紧急出口,但人们都只知道检票入场的那一个,就都涌向了那里。现场的浓烟和整个断电的系统阻挡了人们的视线,混乱中形成了踩踏事故,造成了100人死亡,200多人受伤。

而同样的悲剧在2008年深圳舞王俱乐部再次发生,也是在歌舞厅里燃放烟花爆竹导致火灾。人们沿着一个狭窄的10米通道往外跑,最后也是拥挤踩踏,造成43人死亡,80多人受伤。所以,如果不从历史中间吸取教训的话,很多悲剧会重蹈覆辙。

作为安全工作者,安全意识和科学求生是我们一再强调的,要把它培养成一种本能习惯。因为当你遇到各种灾害,生死就是一念之间。

这里可以套用一句话,来自美国探索频道推出的一个灾害教学片《浩劫求生》,我觉得讲得非常深刻:希望你永远不必经历这些灾难,但万一遇到了,你将会有所准备。你要成为幸存者,还是统计数据中一员,选择权在你!

这是我们实验室的Logo火凤凰:凤凰在火焰中间,或者重生,或者毁灭。我们希望能用人类的智慧掌握火灾发展的规律,把灾难控制在最小的损失范围内,最终降服这头猛兽。

谢谢大家,这就是我的分享。

演讲嘉宾宗若雯:《火焰很美,时空则为猛兽——我们做的就是为了降服这头猛兽》

The End

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我是科学家iScientist

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