Skogsbränder är inte kända för sin återhållsamhet. De kommer att hoppa över floder. De kommer att spy virvlande dervischer av lågor. Och de kommer att fördubblas i storlek över natten.
Take the Carr Fire, en av de mest destruktiva Kalifornien någonsin sett. Det gnistrade i den norra delen av delstaten den 23 juli. Dess källa: fälgen på ett punkterat däck som skrapade en vägs trottoar. När eldsvådan växte hoppade den över Sacramentofloden. Sedan startade det en flammande virvelvind nära Redding som fångade och dödade en brandman. Besättningarna stoppade inte lågorna helt förrän den 30 augusti. Då hade denna skogsbrand bränt upp 930 kvadratkilometer (359 kvadrat miles). Längs vägen förstörde den mer än 1 000 byggnader och krävde sju liv.
”När dessa bränder sprider sig tillräckligt snabbt och tillräckligt intensivt, man kan inte stoppa dem, säger Ruddy Mell. Han är en förbränningsingenjör vid US Forest Service baserad i Seattle, Washington. (En förbränningsingenjör är någon som studerar hur saker brinner.)
Förklarare: Vad är en datormodell?
Föderala och statliga myndigheter som hanterar skogsbränder är beroende av matematik för att göra sitt arbete. Dessa byråer använder datorprogram som kallas
brandmodeller. Sådana modeller gör det möjligt att förutsäga hur eldsvådor kommer att spridas. De tillåter också myndigheterna att bestämma var de ska skicka brandmän och utrustning – eller att bestämma när en evakuering behövs. Men modellerna kan inte alltid förutsäga när en brand kommer att svänga i en ny riktning eller plötsligt växa sig större.
Nu utvecklar forskare nyare, mycket bättre brandmodeller. Dessa modeller inkluderar särskilt detaljerade data från satelliter.
Den nyare
dator
modeller
är också baserat på en bättre förståelse för hur bränder kan skapa sitt eget väder, och de väcker sina egna lågor.
Även på en dator tar dessa finskaliga modeller timmar eller dagar att köra. Det betyder att de sannolikt inte kommer att ersätta fler snabba och smutsiga modeller skapade för att svara i stundens hetta. Men de kan hjälpa forskare att ta reda på vad som driver en skogsbrands beteende – och lära sig hur man bättre skyddar samhällen från att gå upp i rök.
Utanför Santa Rosa, Kalifornien, 2017 års Tubbs-brand förstörde ett område – även om eldens lågor aldrig nådde samhället. Bitar av brinnande material, så kallade brandvaror, blåste in mot vinden för att orsaka förstörelsen.
Anne Belden/iStockphoto
Rekord brännskador
National Interagency Fire Center (NIFC) finns i Boise, Idaho. I år, rapporterar det, är skogsbränder på väg att orsaka minst lika mycket skada i USA som förra året. Dessa eldsvådor brände faktiskt ett större område under 2017 än under nästan något år sedan 1983. (Det var då forskare började samla in konsekventa data.) Den 24 september 2018 hade 48 584 bränder bränt upp minst 29 800 kvadratkilometer (11 500 kvadratkilometer) rikstäckande. Det är ett område större än Massachusetts. I slutet av september rapporterade NIFC mer än 50 stora bränder som brinner i väst — 20 av dem är fortfarande okontrollerade.
Under de senaste åren har skogsbränder gjort extrema luftföroreningar ännu värre i västra USA.
Blixtar gnistor många skogsbränder. Dessa naturliga eldsvådor är en hälsosam del av många ekosystem. Men utan att mena det har människor förvärrat sådana bränder. I åratal har experter som sköter skog arbetat hårt för att förhindra att naturliga bränder brinner. Det är känt som brand
suppression. Denna policy har inneburit att det finns mycket ved — en elds bränsle — på marken. Och det har gjort bränderna som antänds ännu häftigare.
Det mest oroande är att människor startar – vare sig oavsiktligt eller avsiktligt – 84 av 100 skogsbränder. Det visar en studie från mars 2017 i
Proceedings of the National Academy of Sciences. Vårt inflytande, enligt studien, har gjort den amerikanska brandsäsongen tre gånger så lång som den skulle vara naturligt.
Och klimatförändringarna förvärrar sannolikt problemet. En stor del av västra USA kommer troligen att se en ökning av arean av mark som bränns under de kommande 30 åren. Det är resultatet av en studie från december 2017 i
PLOS One. Den hade analyserat data om regionala temperaturer, skogsbränder och snöpackningar. (Snowpack är uppbyggnaden av lager av snö under kalla perioder.)
Förklarare : El Niño och La Niña
Sådana naturkatastrofer kommer att bli jämnt allvarligare i framtiden, föreslog forskare förra månaden i
Geophysical Research Letters. De drog slutsatsen att värmeböljor och skogsbränder kommer att påverkas ännu starkare av förändringar i klimatet som kommer i cykler. Ett nyckelexempel på dessa cykliska händelser:El Niños(El- NEEN-yohs). Det här är perioder då ytvattnet runt ekvatorn i vissa områden i Stilla havet blir varmt, vilket utlöser förändringar i klimatet över hela världen.
Det är dock nästan lika svårt att använda matematik för att modellera beteenden vid skogsbränder. som att stoppa bränningen. Skogsbränder påverkas av en komplex grupp funktioner. Vilka typer av växter täcker marken? Är landet platt eller kuperat? Hur snabbt blåser vinden? Hur varmt är regionen och hur torra är dess växter?
Brandchefer tar hänsyn till alla dessa. Men modellerna de använder är designade för att vägleda brandledningsstrategier under nödsituationer, där det är viktigt att kunna reagera snabbt. Matematiken den använder kan inte modellera alla de fina detaljerna. Den kan till exempel inte ta hänsyn till hur bränder interagerar med atmosfären för att skapa sina egna vindar. Det är viktigt, eftersom dessa vindar kan blåsa lågor och spotta glöd i oväntade riktningar.
Brandväder
Naturligtvis innebär det stora utmaningar att samla in data om hur bränder interagerar med atmosfären. “Det är ganska omöjligt att sätta upp instrument precis bredvid en högintensiv skogsbrand”, säger Warren Heilman. Han är en Forest Service-meteorolog i Lansing, Mich. Varför? Eftersom det skulle förstöra verktygen.
Det är där en ny förutsägelsemetod kommer in.
National Center for Atmospheric Research finns i Boulder, Colo. Där har atmosfärsforskaren Janice Coen och hennes kollegor utvecklat en ny modell för att förutsäga en brands påverkan på vädret.
Det börjar med att studera hur luft rör sig när den värms upp av en brand, och hur det rörelse påverkar då hur en brand kan bete sig. Förklarar Coen, det “kokar ner till komplex matematik och vätskedynamik.” (Flödesdynamik hänvisar till hur vätskor och gaser rör sig.) Få de här sakerna rätt, säger hon, och “mycket av detta fruktansvärt komplexa beteende utspelar sig.”
Modellen förlitar sig redan på matematiken används för att förutsäga väder i allmänhet. Coens team tillämpar det nu på skogsbränder. Coens team använde det nyligen för att studera vad som hände under King Fire 2014. Den elden brände nästan 400 kvadratkilometer (154 kvadratkilometer) i Sierra Nevada-bergen i Kalifornien.
Branden hade gått ganska långsamt. Plötsligt körde den 25 kilometer (cirka 15 miles) uppför en kanjon på bara 11 timmar. Dess grymhet var förbryllande eftersom en närliggande väderstation hade noterat att vindarna var lugna vid den tiden.
Torra förhållanden hade lämnat landskapet torrt så att det lätt brann. Nyhetsrapporter skyllde snabbt brandens fart på den torkan. Men Coen var inte så säker.
Hennes analys antydde faktiskt att torka inte hade varit den viktigaste orsaken till brandens plötsliga ökning i intensitet.
Istället skulle hennes team visa att luftströmmar skapade av själva branden hade underblåst eldens snabba spridning uppför kanjonen. Skillnader i atmosfärstryck skapar vindar, som är massor av luft som strömmar från områden med högre tryck till sådana som har lägre tryck. När elden värmde luften i kanjonen sänkte den trycket. Luften expanderade och steg nu. Det i sin tur skapade vindar mycket starkare än de officiella mätningarna som hade gjorts i närheten.
Coens team rapporterade dessa fynd i majnumret av
Ekologiska tillämpningar.
Sådana modeller kan också hjälpa till att förklara andra överraskande brand evenemang. Ett exempel är “firenado” som piskades upp den senaste 26 juli av skogsbranden i Carr. Den virveln genererade vindar som översteg 200 kilometer i timmen (124 miles per timme) och temperaturer på upp till 1 500 ° Celsius (2 732 ° Fahrenheit). Sådana flammande virvelvindar bildas när den stigande luften som värms upp av en löpeld kolliderar med den turbulenta luften runt den.
Dessa detaljerade brandmodeller ger ledtrådar om hur man hanterar framtida bränder. I analysen av King Fire, till exempel, fann Coens team att mängden pensel (och hur torr den var) påverkade brandens spridningshastighet endast på sluttande mark. Det tyder på att, givet begränsade resurser, kan borströjningsinsatser vara mest användbara för att bromsa brandspridningen när arbetet fokuseras mer på kuperade områden, inte flatmarker.
Carr-branden skapade ett “firenado” den 26 juli. Enligt en analys utlöstes den händelsen av snabba vindar som svepte ner närliggande berg (1). Sedan bröt de som en våg när de träffade botten (2). Det fick luft att virvla vid foten av kullarna (3). Luft som värmdes upp av elden blev nu mindre tät och steg (4). Den turbulenta luften mötte lågorna (5). Elden och den varma luften började sedan virvla och stiga tillsammans i en virvlande kolonn av lågor (6).
E. Otwell
Kom ihåg glöden
Coens modell tittar på vädret som skogsbränder kokar upp. Andra modeller försöker istället förstå vad som händer när skogsbränder slår ut mot stadsområden, som sedan hotar byggnader.
Hur bränder beter sig vid denna vildmark-stadsgräns är mycket mindre välkända än bränderna som flamma inne i byggnader eller på öppen mark, säger Mell, den där förbränningsforskaren på Skogsverket. Dessa gränslandsbränder är också svårare att studera. En anledning: vildmarksbränder som flyttar in i stadsområden har tillgång till ett bredare utbud av bränslen än bränder i någon avlägsen skog. Dessutom antänder dessa skogsbränder vanligtvis flera byggnader. Det skapar en dominoeffekt, vilket vanligtvis inte är ett problem med, säg, en vanlig husbrand.
Tubbs-branden i oktober 2017 drabbade Kaliforniens vinland hårt. Efteråt besökte Mell ett förkolnat område utanför Santa Rosa. Brandledningsexperter hade inte sett att denna förort stod inför en hög brandrisk. Och sannerligen nådde löpeldens låga aldrig denna gemenskap. Men det skyddade det inte från förödelse. Dess förstörelse kom helt och hållet från
brands – bitar av brinnande träd, växter och skräp – som blåste in på hårda vindar. Brandmän kan staplas upp och antända byggnader. Dessa brinnande byggnader kan sedan generera sina egna eldsjälar. Snart “är det väldigt svårt att stoppa”, säger Mell.
Hur byggnader är ordnade, vad de är gjorda av och vilka träd och andra växter som växte runt ett samhälle kan alla påverka dess sårbarhet för skogsbränder. Exakt hur är dock fortfarande oklart. För att ta reda på hur de bitarna passar ihop studerar Mell, liksom Coen, eldens fysik. Men hans teams fokus ligger inte på hur bränder påverkar luftrörelsen över kilometer. Den tittar på hur de brinner på en skala av meter (yards).
Han designar uppsättningar av matematiska ekvationer som modellerar hur en brandbrand kommer att överföra sin värme till en yta, eller hur bränslen brinner under vissa temperaturförhållanden.
Det större målet med sådant arbete är att bättre förstå de faror som kommer från att blåsa glöd. På så sätt brandbenägen städer kan designas och hanteras så säkert som möjligt.
Dessa modeller av gränsen mellan vildmark och stad är beroende av data från laboratorieexperiment som testar hur glöden flyger och brinner. Firebrands skiljer sig från andra projektiler. Det är för att de brinner upp när de flyger, förklarar Sam Manzello. Han är ingenjör vid National Institutes of Standards and Technology, eller NIST, i Gaithersburg, Md.
Forskare vid National Institute of Standards and Technology designade detta eldsprutande föremål, som de kallar “draken. ” De använder den för att studera hur bränder skjuter ut glöd.Sam Manzello
Ett brandmärkes densitet förändras ständigt. Och det påverkar hur den kommer att skjuta ut eller blåsa genom luften. Dessutom producerar bränd vegetation eldsjälar som beter sig annorlunda än de från brinnande byggnader.
En del av Manzellos arbete går ut på att samla glöd efter en brand och studera deras egenskaper. Han är uppmärksam på hur stora de är, vad de är gjorda av och hur mycket de väger. Hans team har också byggt flera “drakar”. Dessa är inte vid liv, utan enheter med eld i magen. De livnär sig på flis och spottar sedan glödskurar. Forskare vid NIST kan kontrollera storleken på träflisen som antänds i en drakes mage. De kan också kontrollera hur snabbt munnen spottar ut glöd. Detta bör hjälpa NIST-teamet att fastställa hur designen eller materialen som används i konstruktionen kan påverka hur sårbar en byggnad kommer att vara för brand.
Till exempel tak gjorda av keramiska
(Sur-AM-ik) plattor är populära i Kalifornien. Det verkar som om de borde vara brandsäkra eftersom keramiken inte brinner. Men, rapporterar Manzello, “Vi har upptäckt att när vi utsätter tegeltak för branddusch, tränga in under tegelpannorna och [ignite] taket.” Glöd utgör också en risk. De som landar på dessa tak kan brinna tills de blir tillräckligt små för att passa genom sprickor mellan plattorna.
Klassrumsfrågor
Sådana upptäckter, han säger, hjälper samhällen att uppgradera sina säkerhetsstandarder för byggnader i städer som gränsar till vilda marker. Dessa nyare standarder kan kräva installation av till exempel takpannor ovanpå förbränningssäkra material eller användning av material för att täppa till mellanrum mellan plattor.
Det är klart att skogsbränder är viktiga och komplexa. Men med vetenskap och matematik hittar forskare bättre sätt att förutsäga beteendet hos de eldsvådor som regelbundet utvecklas – och hur man bättre kan bygga de städer som en dag kan hamna i en elds väg.
En drakes glöd rör sig genom luften i komplicerade mönster, som detta time-lapse-foto visar. Sam Manzello
Leave a Reply