火灾发生时什么样的地形很危险？

因为人类不懂这背后的物理原理，30多年前曾经发生过一起震惊世界的恶性事件。而在这次事件后，一个奇怪的物理现象被研究者发现，现在这个物理现象成了消防员必备的知识。


2014年的伦敦的国王十字地铁站。图片来源：wikipedia

伦敦的国王十字地铁站是伦敦的枢纽，也是全球最繁忙的地铁站之一。每年，国王十字车站有约9500万乘客通行。

1987年11月18日下午7点半左右， 伦敦地铁国王十字圣潘可拉斯站的站台和售票大厅之间的一个自动扶梯上冒出了一个小火苗。

消防员是在7点36分接到报警，7点42分赶到火场的。一开始，火势很小，到达现场的伦敦消防局表示火团大概就是一个纸箱那么大，因此也没怎么当回事儿。


事发扶梯还原
但是在7点45分，火势迅速扩大，大火从木质的自动扶梯燃烧到了上方的售票大厅里。因为发生在下班高峰期，火灾引起了乘客的恐慌和踩踏。

这场火非常难缠，150名消防员参与了救援，当时的英国运输大臣 Paul Channon 也亲自到现场指挥救灾。为了防止乘客误入火海，一些消防队员还堵在危险的火口上。消防员们一直到第二天凌晨1点半左右才把火扑灭。


1987年伦敦地铁国王十字地铁站火灾现场。

最终这次大火造成了100多人受伤，31人死亡，其中包括1名消防员，而火灾的味道在车站内滞留了数月。 这个事件也是有史以来世界地铁运输系统中发生的最大的一次火灾，令全世界侧目。

当时的英国首相撒切尔夫人还亲自去医院探望伤者，当时和现在的女王伊丽莎白二世表示震惊。


撒切尔视察灾后现场。图片来源：independent

这个火灾有许多疑点，因此事后英国政府马上展开了调查。 最大的疑点是，为什么火势会突然变大？

一开始研究者和消防员们试图用 闪燃效应（flashover）解释国王十字车站的大火。


橡树岭消防大队消防演习中的闪燃效应（flashover）。

1860年，英国科学家 P. H. Thomas 提出，在密闭空间中燃烧积聚的热量使温度达到600摄氏度这个临界点时，一氧化碳等可燃气体会瞬间自燃，全场会在一霎那间成为一片火海。

闪燃效应也是消防员最畏惧的物理现象之一。根据美国消防协会 （NFPA）公布的数据，在2013年因公殉职的97位美国消防员中，有30人死于闪燃。闪燃造成的消防员死亡人数仅比第一大原因——身体受伤或突发性疾病少2人。

可是，闪燃并不足以解释扶梯上火势的蔓延速度，因为事发扶梯的高度为16米，长度为42米，宽度为7米，要在这样大的空间里积聚热量产生闪燃，3分钟是不够的。


在政府的委托下，位于剑桥大学的英国原子能科学研究院 （AERE）提出了一个新的解释：火焰仅仅沿着扶梯加速向上爬，而不是竖直地充满整个扶梯所在空间后才蔓延到售票大厅里去的。

这个新发现的物理现象被命名为 沟槽效应（trench effect）。


英国原子能科学研究院（AERE）对国王十字车站火灾的模拟，斜坡是扶梯所在空间，上方是售票大厅，彩色图案代表不同温度的火。

沟槽效应是通过当时欧洲计算力最强的超级计算机 Cray-2 发现的。这一结果和一些目击者的证词相符。不过当时还是有很多专家不相信沟槽效应存在，因为他们认为火焰只会竖直地向天上烧，不会爬坡。

为了提供进一步的证据，英国职业健康与安全管理局（HSE）在巴克斯顿建造了一个1：3的模型，模型还原了扶梯和购票大厅的形态和材料。


英国职业健康与安全管理局(HSE)建造的1:3模型。在实验中，1分11秒出现了沟槽效应。

实验结果和超级计算机模拟的结果一致：在大约1分11秒后，本来垂直向上的火焰突然斜躺在了扶梯上，并且沿着扶梯向上延烧。火焰的延烧速度可达每秒10米，从着火地点烧到扶梯顶端仅需40秒。

经过这些研究，专家们才相信沟槽效应才是这次大火迅速蔓延的元凶。实际上，负责领导这次调查的 Desmond Fennell 爵士在调查报告中写道：“一个小规模的火灾突然转变成大火本来是很难解释的，但是现在我对沟槽效应这个新发现的科学现象提供的解释感到满意。”


灾后的国王十字地铁站售票大厅。

那么， 为什么火苗会沿着斜坡往上爬呢？

后来的研究发现，沟槽现象来源于经典的 康达效应（Coandă Effect）和 烟囱效应（chimney effect）的叠加。

康达效应也叫附壁作用，意思是凸起物很“拉风”，气体和液体喜欢擦着凸起物流动，能绕着东西走就绝不走直线。


来看看哈佛大学的演示。 看，气体被凸起物吸引了，沿着凸起物摩挲了过去。


咱们平时用平沿的杯具倒水容易倒出来也是因为康达效应。


利用康达效应，还可以用吹风机的风斜着托起乒乓球。


火苗主要是由炙热的气体和等离子体（带电粒子）构成的。在康达效应的作用下，火苗遇到斜坡时就懒得垂直上升了，而会趴在斜坡上，靠“曲率驱动”攀升。

而由于热气往上升，斜坡下部就会有空气流入，形成烟囱效应；新鲜的空气又会助长火势，让小火变成大火。

一般来说，斜坡的坡度越大，沟槽效应越显著。英国职业健康与安全管理局的研究指出，国王十字车站的扶梯和水平面的夹角为30度，这对火势的蔓延速度起到了关键影响。


坡度越大，沟槽效应越显著。

而斜坡的几何形态对沟槽效应也有重要的作用。大家可以看一下普通的木条、凹形木管和回形木管的沟槽效应对比，凹形木管和回形木管的燃烧速度比木条快得多——


实际上， 沟槽效应也是山火最恐怖的一大特征，许多抢救山火的消防员就是因为沟槽效应而牺牲的。McArthur森林火险等级系统 （McArthur Forest Fire Danger Rating System）里就写着，山坡的斜度每增加10度，山火的蔓延速度就会增加一倍。所以你明白了吧，斜坡上着火的话应该往下坡跑，往上跑就是找死了。


火势蔓延的问题解决了，第二个疑问就是火灾的起因了。

这个问题并没有明确的答案，有人说是恐怖袭击，有人说是事故。伦敦消防局的调查认为，烟民随意丢弃的火柴可能是导致火灾的直接原因。不论如何，经过这个事件，英国和全世界的地铁站开始重视火灾防范。


国王十字车站为1987年火灾逝者建立的纪念牌。图片来源：wikipedia

原本缺乏地铁消防措施的英国在1989年通过了The Fire Precautions (Sub-surface Railway Stations) Regulations （地铁站火灾预防条例），规定地铁系统全面禁烟，加装灭火器和警报设施，木质扶梯也被替换成金属制。其他国家也纷纷效仿，出台了车站禁烟等防火措施。


当初的肇事扶梯现在的样子。

谁能想到，地铁站里必备的消防设施，竟是一个研究历史不过30来年的物理现象引发的呢。

火 火：我不想努力了，只想躺平。人类卒。

人类： 我不想努力了，只想躺平。人类卒。

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