在《错配》一文中，我们深入探讨了国防工业核心的科学与技术——士兵与间谍的世界。
当核动力卫星坠落地球时，当局会呼叫谁？当脱轨的火车泄漏有毒化学品时，又该如何？当核武器实验室的围栏内发生野火时呢？当地震损坏核电站，甚至导致其熔毁时呢？
尽管它的名字并不朗朗上口，但国家大气释放咨询中心（NARAC）是处理这些情况的“即时呼叫”机构。如果任何危险物质——无论是核、放射性、生物、化学还是自然类的——释放到大气中，NARAC 的任务就是追踪其可能致命的扩散。该中心的科学家们利用建模、模拟和真实世界的数据来精确确定这些危险在空间和时间上的位置，有害物质将很快传播到何处，以及可以采取哪些措施。
应急响应的格局
NARAC 隶属于加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室，该实验室由美国国家核安全管理局管理，而核安全管理局本身又是能源部的一部分——能源部负责开发和维护核武器等事务。
此外，NARAC 还是一个名为“核应急支援小组”（NEST）的组织的一部分。该小组的目标是预防和应对核及放射性紧急情况——无论是意外发生还是故意为之。如果一枚脏弹在坦佩市响起，他们将是搜寻它的负责人。如果未能及时找到，他们还将协助处理其放射性污染。此外，NEST 还会采取预防措施，例如驾驶装有辐射探测器的直升机飞越 超级碗 比赛上空，以确保没有人怀有恶意计划。LLNL 参与 NEST 项目的负责人李·格拉斯科（Lee Glascoe）说：“这是一项非常有意义的国家任务。而 NARAC 也是其中的一部分。”
如果确实有可疑物质释放到大气中，NARAC 的任务就是提供信息，供 NEST 人员在现场使用，并供当局用于管理灾难。在接到空气中有毒物质的通知后的 15 分钟内，NARAC 就可以生成一个关于总体情况的 3D 模拟：预期哪些粒子会出现在何处，气流会将它们吹向何方，以及可能产生的人员和环境后果。
在 30 到 60 分钟内，他们可以将 NEST 人员（在 NARAC 科学家进行模拟时，他们正在现场收集数据）收集的地表数据输入到他们的超级计算机中，并将其整合到他们的模型中。这将提供更精确的信息，说明空气中的物质羽流位于何处，地面将被污染的范围，受影响的人群在哪里，可能死伤的人数，疏散应该在哪里进行，以及爆炸损害的范围。
模拟大气
这些能力几十年前就已引入劳伦斯利弗莫尔。NARAC 的首席科学家约翰·纳斯特罗姆（John Nasstrom）说：“利弗莫尔在大气建模方面有着悠久的历史，甚至可以追溯到第一个气候模型的开发。”
那个模型是由物理学家 塞西尔·“查克”·利斯（Cecil “Chuck” Leith） 建造的。在冷战早期，利斯获得了实验室主任爱德华·泰勒（Edward Teller，他联合创办了该实验室，也是氢弹的倡导者）的许可，利用早期的超级计算机开发并运行了第一个全球大气环流模型。格拉斯科称这项工作是“天气建模和气候建模的先驱”。利斯的这项工作在利弗莫尔分裂成两个小组：一个专注于气候，一个专注于公共卫生——两者之间的共同点是大气如何运作。
纳斯特罗姆说，在 20 世纪 70 年代，能源部找到了专注于公共卫生的这个小组，并询问模型是否能够近乎实时地显示危险物质一旦释放后会传播到哪里。利弗莫尔的研究人员于 1973 年承担了这个项目，并开发了一个原型，在实际事件发生时，可以告知能源部（储存有放射性物质）和核电站的应急管理人员，谁将受到多少剂量的照射以及在何处。
当现实世界突然闯入时，该小组正在稳步推进这个项目。1979 年，宾夕法尼亚州 三哩岛 核电站的一座反应堆部分熔毁。“他们立刻投入其中，”纳斯特罗姆谈到他的前任们时说。原型系统尚未完全搭建好，但团队立即开始构建三哩岛周围地形的 3D 信息，以获得关于放射性核素的去向和影响的具体预测。
在那次近乎灾难的事故之后，该小组开始为能源部和其他核设施预先构建地形数据，然后才开始覆盖美国其余地区，并整合实时气象数据。纳斯特罗姆说：“今天，数百万份天气观测数据正在实时流入我们的中心，以及来自美国国家海洋和大气管理局（NOAA）、美国国家气象局和其他机构的全球和区域预报模型输出。”
NARAC 也随着 1986 年切尔诺贝利事故而发展。纳斯特罗姆说：“人们曾预期安全系统会到位，灾难性释放未必会发生。然后切尔诺贝利出了事，我们迅速开发了一个更大规模的建模系统，能够将物质输送到全球各地。”此前，他们只关注更区域性层面的后果，但切尔诺贝利事故将有毒物质扩散到全球，因此需要理解这种全球性的传播。
纳斯特罗姆说，NARAC 的建模和模拟能力“一直在不断发展”。
“全世界的地形都已绘制出来”
如今，NARAC 使用 NOAA 的高分辨率天气模型以及它自己帮助开发的预报模型。每天，该中心会接收超过一太字节的天气预报模型数据。而那些以前需要争分夺秒才能制作出的 3D 地形图，现在都已经准备就绪。格拉斯科说：“我们已经绘制了全世界的地形图。”
NARAC 还保持最新的人口信息，包括城市人口分布的昼夜差异，以及城市建筑数据，因为建筑物的结构会改变气流。这都是基于土地利用信息，因为一个区域是平原还是森林会改变分析结果。所有这些信息共同帮助科学家们弄清楚，一次特定的危险物质释放将对真实地点、真实建筑物中的真实人员意味着什么。
为了帮助整合所有这些输入，NARAC 的科学家们还为不同类型的紧急情况创建了现成的模型，例如核电站故障、脏弹爆炸、生物制剂扩散以及实际的核武器爆炸。“这样，一旦发生什么事情，我们就能说‘哦，是这样的情况’，我们就能开始着手处理。”
专攻科学计算和计算流体动力学的科学家凯蒂·隆奎斯特（Katie Lundquist）是 NARAC 的建模团队负责人。她的团队负责开发 NARAC 分析所依赖的模型，目前她正在努力提高对核爆炸后碎片如何在蘑菇云中分布以及放射性物质如何与碎片混合的理解。她还在从事一般天气建模，并确保软件能够支持下一代 百亿亿次级 超级计算机。
隆奎斯特说：“大气非常复杂。它涵盖了从全球规模到建筑物之间微小涡流的各种尺度。因此，这需要强大的计算能力。”
NARAC 还一直致力于改进其沟通能力。格拉斯科说：“当局负责做出决定，但在危机中，你不能仅仅向他们提供你生成的所有技术信息。你不能给他们看各种漂亮的羽流图像。”他们希望得到一两页的报告，只说明潜在影响。“以及什么类型的指导方针可以帮助他们做出是否应疏散、撤离人员等的决定，”格拉斯科说。
为此，NARAC 已公开提供了其简报产品的 示例，概述了应急管理人员可以期待在一到两页的文件中看到关于脏弹、核爆炸、核电站事故、危险化学品和生物制剂的信息。
最糟糕的模拟
最近，该团队一直在协助处理 乌克兰 的放射性担忧，因为俄罗斯干扰了 核 电厂 的运行。它还曾密切关注 2020 年切尔诺贝利禁区火灾以及当年火星“毅力号”探测器 发射 的情况。该探测器使用钚作为动力源，NARAC 随时准备模拟发生爆炸事故时的情况。更早的时候，在 2011 年日本福岛核电站部分熔毁期间，该团队曾连续数周投入工作。
但格拉斯科最引以为豪的事件之一发生在 2017 年底，当时欧洲的传感器开始检测到异常的放射性活动。在整个欧洲大陆，用于检测元素衰变的仪器都显示出 钌-106 的峰值，总共检测到 300 多次。“我们被激活，试图弄清楚‘到底是怎么回事？它来自哪里？’”格拉斯科说。
随着 NARAC 开始分析，格拉斯科回忆起一个内部研究项目，该项目涉及使用测量数据、大气传输模型、统计方法和机器学习，他认为这可能有助于反向追踪放射性，而不是进行更标准的向前预测。格拉斯科说：“随着数据的输入，模型会进行调整，以试图确定可能的来源。”
就像能源部为三哩岛事件调用过的原型一样，这个项目也尚未完全准备就绪，但格拉斯科还是向总部申请了许可。“我说，‘嘿，我知道我们还没有对这个东西进行太多实际测试，但他们确实完成了这个项目，而且看起来它可行。’”他们同意让他尝试。
四天和大量的超级计算机运算之后，团队绘制了一张可能的释放区域图。弹道瞄准了一个有工业中心的区域。“果然，从那个地点释放的物质会造成这种情况，”格拉斯科说。
可疑地点位于俄罗斯，许多人现在认为这些放射性物质来自马亚克（Mayak）核设施，该设施负责处理核废料。马亚克位于一个“封闭城市”，对人员进出实行严格管制。
最终，没有人能够阻止大气的搅动，或者其传播粒子的倾向。风不关心国界或许可。NARAC 就在那里进行严密审查，即使它无法阻止这种运动。
阅读更多 PopSci+ 文章。
