Płomienie zaczynają wznosić się. Mike Heck odskakuje. Wąsy liżą w górę, kołysząc się na wietrze, a następnie zlewają się w wir płomieni, płonące tornado wijące się w kolorze pomarańczowym i czerwonym. „Proszę bardzo!”, Mówi jeden z widzów. Kolejne gwizdanie ze zdziwienia.
Ale nikogo to nie obchodzi. Heck celowo rozpalił ogień, zapalając patelnię z płynem na podłodze pokoju wyłożonego betonowymi blokami, aby powstrzymać płomienie. Ssawka pod sufitem zapobiega przedostawaniu się dymu do pobliskich klas.
Kierownik Hecka, naukowiec ognia Michael Gollner z University of Maryland w College Park, regularnie wyczarowuje w swoim laboratorium takie płonące filary, zwane wirami ognia. (Gollner i koledzy badają naukę o tych zjawiskach w corocznym przeglądzie mechaniki płynów w 2018 r .). Na ich podstawie oraz z innych ognistych eksperymentów stara się dowiedzieć, w jaki sposób płomienie nasilają się i rozprzestrzeniają, gdy płoną miasta i krajobrazy. Celem Gollnera jest lepsze zrozumienie, co powoduje, że ogień przeskakuje z domu do domu i z drzewa na drzewo.
Zdobywanie nowych informacji na temat zachowania się ognia stało się coraz pilniejsze, ponieważ pożary stały się bardziej ekstremalne, szczególnie w zachodniej Ameryce Północnej. Począwszy od połowy lat osiemdziesiątych wielkie pożary nagle stały się znacznie bardziej powszechne w zachodnich lasach Stanów Zjednoczonych, zwłaszcza w północnych Górach Skalistych. Niedawno lasy na północno-zachodnim Pacyfiku odnotowały największy wzrost wielkości pożarów, z prawie 5000 procentowym wzrostem powierzchni spalania w latach 2003–2012 w porównaniu ze średnią z lat 1973–1982. W całym kraju średni areał spalony w latach od 2000 r. Jest prawie dwukrotnie wyższy niż średnia roczna w latach 90.
I właśnie w ciągu ostatnich dwóch lat kilka śmiertelnych infernos spaliło części Kalifornii. Ponad 5600 budynków spłonęło na ziemi w okolicach Santa Rosa w październiku 2017 r. W lipcu ubiegłego roku w Redding, wysoki pióropusz gorącego powietrza i popiołu stworzył wirujące „firenado” podobne do tego w laboratorium Gollnera - ale znacznie większe i wystarczająco dzikie zabić strażaka. W tym samym miesiącu pożary spaliły rozległy areał w Mendocino i trzech innych hrabstwach. Cztery miesiące później 85 osób zginęło w obozowym ogniu w raju, wiele z nich spłonęło, próbując uciec przed blaskiem w samochodach.
Rekordowe spustoszenia
Podsumowując, ostatnie pożary stanu ustanowiły rekordy dla największych, najbardziej śmiertelnych i najbardziej niszczycielskich pożarów w Kalifornii. „Natura dała zdumiewającą sekwencję wydarzeń, z których każda przewyższa poprzednie”, mówi Janice Coen, naukowiec zajmujący się atmosferą, badający pożary w dziczy w National Center for Atmospheric Research w Boulder, Kolorado. Ona i inni pytają: „Czy to różni się od przeszłości? Co tu się dzieje?"
Całkowita liczba wszystkich pożarów w USA wykazuje ogólny wzrost w ciągu ostatnich kilku dekad, chociaż istnieje duża zmienność rok do roku. Ogółem hektary spalone w tych pożarach wykazują podobny, choć nieco bardziej dramatyczny, trend wzrostowy. Badania koncentrujące się na pożarach w zachodnich Stanach Zjednoczonych wykazały wyraźny wzrost liczby dużych pożarów w ostatnich latach. (National Interagency Coordination Centre / Knowable Magazine) Wiele czynników spowodowało bezprecedensowy rozwój dewastacji pożarów. Kilkadziesiąt lat odruchowego gaszenia pożarów, gdy tylko się zapaliły, pozwoliły krzewom i drzewom zasilającym ogień gromadzić się w niespalonych obszarach. Zmiana klimatu przynosi cieplejsze temperatury, mniej deszczu i śniegu, a także większe szanse na wyschnięcie i spalenie paliw. (Przyczyną zmian klimatu spowodowanych przez człowieka jest prawie dwukrotne zwiększenie powierzchni lasów spalonych w zachodnich Stanach Zjednoczonych od 1984 r.) Tymczasem coraz więcej osób przenosi się na obszary dzikiej przyrody, zwiększając ryzyko, że ktoś zapali ogień lub będzie w niebezpieczeństwie, gdy jeden zaczyna rosnąć.
Coen i inni naukowcy wykorzystują fizykę, aby odkryć, co powoduje, że zwykły płomień przeradza się w epicki megafire. Aby to zrobić, niektórzy badacze podjeżdżają na skraj pożarów, badając swoje sekrety za pomocą sprzętu laserowego i radarowego, który może widzieć przez kłębiące się chmury dymu. Inni opracowali najnowocześniejsze modele opisujące, jak płomienie biegną przez krajobraz, napędzane nie tylko paliwami i terenem, ale także tym, w jaki sposób ogień i atmosfera wzajemnie się oddziałują. Jeszcze inni, jak Gollner, opracowują eksperymenty laboratoryjne, aby dowiedzieć się, dlaczego jeden dom może się zapalić, a jego sąsiad pozostaje nietknięty.
Takie odkrycia mogą pokazać, w jaki sposób ludzie mogą lepiej przygotować się na przyszłość z bardziej intensywnymi pożarami i być może w jaki sposób strażacy mogą skuteczniej z nimi walczyć.
Pogoda pożarowa
Jeśli chodzi o walkę z ogniem, „istnieje duża zależność od tego, co ludzie widzieli w przeszłości pożarów”, mówi Neil Lareau, meteorolog z University of Nevada, Reno. „To głębokie osobiste doświadczenie jest naprawdę cenne, ale rozpada się, gdy atmosfera przechodzi w tryb, który nazwałbym trybem odstającym - kiedy będziesz świadkiem czegoś, czego nigdy wcześniej nie widziałeś”.
Więc Lareau stara się zbierać informacje o pożarach podczas ich rozwoju, mając nadzieję, że pewnego dnia będą w stanie dostarczyć określone ostrzeżenia dla strażaków podczas walki z płomieniami. Rozumie niebezpieczeństwo bardziej niż wielu badaczy akademickich: spędził trzy lata, próbując zbliżyć się do pożarów, jak tylko mógł, w ramach renomowanego zespołu badań meteorologii pożarowej kierowanego przez Craiga Clementsa z San Jose State University w Kalifornii.
Podobnie jak ścigający burzę, który prześladuje tornada na równinach Środkowego Zachodu, ścigający ogień muszą być przygotowani na wszystko. Przechodzą szkolenie strażaków, ucząc się, jak przewidywać, gdzie może się poruszać linia ognia i jak rozmieścić schron przeciwpożarowy w sytuacji awaryjnej. Rejestrują się w federalnym systemie zarządzania kryzysowego, aby mogli zostać oficjalnie zaproszeni do miejsc, gdzie społeczeństwo nie może się udać. I podróżują z wyrafinowaną laserową maszyną skanującą z tyłu jednej z ciężarówek, aby przenikać popioły i dymy powstające podczas aktywnego ognia.
„Właśnie dzięki celowaniu laserem w przedmioty zaczęliśmy widzieć rzeczy, których ludzie nie dokumentowali w przeszłości”, mówi Lareau. Wczesne odkrycia obejmują to, dlaczego pióropusz ognia rozprzestrzenia się, gdy unosi się, podczas gdy dymne powietrze jest wypychane na zewnątrz, a czyste powietrze jest składane do wewnątrz, oraz w jaki sposób wirujące kolumny powietrza mogą tworzyć się w pióropuszu. „Jest to fascynujące środowisko, w którym ogień i procesy atmosferyczne oddziałują na siebie” - mówi.
Chmury Pyrocumulonimbus tworzą się i odżywiają ciepło powstające w wyniku pożaru lub erupcji wulkanu. Kiedy pióropusz unosi się, ochładza się i rozszerza, pozwalając, aby wilgoć w atmosferze skropliła się w chmurę, która może wytworzyć błyskawicę, a nawet firenada - zasadniczo burzę powstałą z ognia. (Bureau of Meteorology, Australia / Knowable Magazine) Jednym z najbardziej dramatycznych przykładów „pogody pożarowej” są burzowe chmury, które mogą pojawić się wysoko nad ogniem. Zwane chmurami pirokumulonimbusowymi, powstają, gdy w atmosferze panuje względnie wysoka wilgotność. Pióropusz popiołu i gorącego powietrza unosi się gwałtownie z ognia, rozszerzając się i schładzając w miarę wzrostu. W pewnym momencie, zwykle o wysokości około 15 000 stóp, ochładza się na tyle, że para wodna w powietrzu skrapla się w chmurę. Kondensacja uwalnia więcej ciepła do pióropuszu, ożywia je i generuje jasną białą chmurę, która może wznieść się na wysokość do 40 000 stóp.
Zespół stanowy San Jose odkrył, że pod chmurą powietrze może pędzić w górę z prędkością zbliżoną do 130 mil na godzinę, napędzaną konwekcją w pióropuszu. Im bardziej rośnie ogień, tym więcej powietrza jest wciągane do ciągu, intensyfikując całą pożar. W rzadkich przypadkach może nawet odrodzić płonące tornado poniżej.
Narodziny ognistego tornada
Lareau obserwował formę firenado niemal w czasie rzeczywistym podczas pożaru Carr, w pobliżu Redding, w lipcu 2018 r. W tym przypadku nie był w pobliżu z laserem w swojej ciężarówce, ale siedział przy komputerze i patrzył na dane radarowe. Radar pogodowy, taki jak używany do lokalnej prognozy, może śledzić prędkość małych cząstek, takich jak popiół poruszający się w powietrzu. W miarę rozwoju pożaru Carr Lareau pobierał dane radarowe z bazy wojskowej prawie 90 mil od rosnącego pożaru. Obserwując, jak popiół porusza się w przeciwnych kierunkach na różnych poziomach w atmosferze, widział, jak rotacja atmosfery w pióropuszu kurczy się i nasila. Podobnie jak łyżwiarze figurowi wciągający ręce podczas wirowania, rotacja skurczyła się i przyspieszyła, tworząc spójny wir - tornado osadzone w większej pióropuszu popiołu.
To tylko drugi znany przykład tornado, który powstał w 2003 r. W Australii, z powodu chmury pirokumulonimbusowej, napisał Lareau i współpracownicy w grudniu w Geophysical Research Letters . Ogień zapewnia początkowe ciepło, które wytwarza chmurę, która następnie generuje tornado. „Dynamika prowadząca do załamania rotacji jest nie tylko napędzana przez ogień, ale także przez samą chmurę”, mówi Lareau. „To naprawdę różni się w tym przypadku w porównaniu do bardziej wirującego ognia.”
Wyobraź sobie twister pośród pożaru i łatwo zrozumieć, dlaczego ogień Carr był tak niszczycielski. Przy prędkości wiatru przekraczającej 140 mil na godzinę tornado ognia zburzyło wieże elektryczne, owinęło stalową rurę wokół słupa energetycznego i zabiło cztery osoby.
Ta chmura pirokumulonimbus ryknęła zaistniała nad pożarem wierzby w pobliżu Payson w Arizonie w 2004 roku. Poniżej znajduje się ciemna smuga dymu; powyżej jest zaskakująco biała chmura skroplonych kropelek wody. (Eric Neitzel / Wikimedia Commons) Przewidywanie następnego ruchu płomieni
Tego rodzaju dewastacja napędza Coena do modelowania pożarów. Dorastała na obrzeżach Pittsburgha, córki strażaka, a później oczarowała ją siła wiatru, wirów i innych cyrkulacji atmosferycznych, które przyczyniają się do rozprzestrzeniania ognia. W zależności od tego, jak powietrze przepływa przez krajobraz, ogień może przesuwać się tam, gdzie się porusza - być może rozdziela się na dwie części, a następnie ponownie się łączy lub wyskakuje z małych wirów lub wirów wzdłuż linii ognia. „Leśnicy uważają pożary za paliwo i teren” - mówi Coen. „Dla nas, jako meteorologów, widzimy wiele zjawisk, które rozpoznajemy.”
W latach 80. i 90. meteorologowie zaczęli łączyć modele pogodowe, które opisują przepływ powietrza w złożonym terenie, z tymi, które przewidują zachowanie się ognia. Jeden z takich systemów, model komputerowy opracowany w Missoula Fire Sciences Laboratory w amerykańskiej służbie leśnej w Montanie, jest obecnie regularnie wykorzystywany przez agencje federalne do prognozowania, gdzie wybuchną pożary.
Coen poszedł o krok dalej i opracował wspólny model atmosfery i ognia, który obejmuje przepływ powietrza. Może na przykład lepiej symulować, jak wiatry wirują i przełamują szczyty w stromym terenie.
W pobliżu
Jej model stał się szokująco prawdziwy 8 listopada 2018 r., Kiedy miała wygłosić wykład „Zrozumienie i przewidywanie pożarów” na Uniwersytecie Stanforda. Poprzedniej nocy, pracując nad swoją prezentacją, zobaczyła doniesienia, że Pacific Gas and Electric Company rozważa wyłączenie sprzętu na obszarach u podnóża Sierra Nevada, ponieważ przewidywano silny wiatr.
Następnego ranka poszła na sympozjum, ale siedziała z tyłu, przeszukując Internet i słuchając awaryjnych kanałów radiowych. Gdy koledzy mówili, śledziła ruch skanerów, słysząc, że w Północnej Kalifornii wybuchł pożar i szybko rozprzestrzenił się w kierunku miasta Paradise. „Właśnie wtedy musiałam rozpocząć prezentację” - mówi. „Widziałem po wiatrach, jak źle przebiegała ewakuacja, że będzie to okropne wydarzenie. Ale w tym momencie nie wiedzieliśmy, że będzie to najbardziej zabójczy w historii Kalifornii. ”
Silne wiatry, o których słyszała, okazały się kluczowe dla rozprzestrzeniania się ognia i pochłaniania Raju. Silne wiatry opadające pchnęły płomienie do gęsto zalesionego miasta. Według fizyki w jej modelach było to całkowicie przewidywalne, Coen mówi: „Wiele dziwnych rzeczy ma sens, gdy spojrzysz na te cyrkulacje na małą skalę”.
Innym przykładem jest pożar Tubbs, który zniszczył Santa Rosa w październiku 2017 r., Rycząc przez 12 mil w nieco ponad trzy godziny. Modele Coena badają, w jaki sposób przepływy powietrza znane jako wiatry Diablo poruszają się po krajobrazie. Okazuje się, że warstwa stabilnego powietrza szybko ześlizgnęła się po złożonej topografii ponad Santa Rosa. Tam, gdzie uderzył w górskie grzbiety, generował wybuchy szybkich wiatrów. Co zaskakujące, wybuchy wiatru nie spadały z najwyższych szczytów, ale raczej z mniejszego zestawu szczytów, które były wiatrem. Lokalizacja niektórych z tych wybuchów wiatru, które według jej modelu dochodziły do 90 mil na godzinę, odpowiada miejscu, w którym wybuchł pożar - być może z powodu awarii sprzętu elektrycznego. Coen opisał pracę w Waszyngtonie w grudniu na spotkaniu Amerykańskiej Unii Geofizycznej.
Modele Coena pomagają również wyjaśnić pożar doliny Redwood, który rozpoczął się w tej samej burzy, co pożar Tubbsa. (Czternaście oddzielnych pożarów wybuchło w północnej Kalifornii w ciągu 48 godzin, gdy wysokociśnieniowy system pogodowy w głąb lądu spowodował, że wiatry Diablo pędzą od brzegu). Ale w tym przypadku w górach była szerokość siedmiu mil w stanie się spieszyć, kompresować i przyspieszać. To było jak pojedyncza wąska rzeka wiatrów - co byłoby trudne do zauważenia przy tradycyjnych prognozach pogody lub pożarów, mówi Coen. „Gdybyście spojrzeli na dane pogodowe i zauważyli, że ta jedna sytuacja była niezwykła w porównaniu z resztą, wasz umysł miałby skłonność to odrzucić” - mówi.
Ale prognostycy muszą zwracać uwagę na te skoki odczytów prędkości wiatru. Mogą sygnalizować, że dzieje się coś bardzo zlokalizowanego - i bardzo niebezpiecznego -.
Od Spark do spalania
Badacze tacy jak Coen śledzą rozprzestrzenianie się obwodu ognia, aby przewidzieć, gdzie może się poruszać aktywna linia ognia. Ale fizyka może również pomóc naukowcom w lepszym zrozumieniu innego rodzaju rozprzestrzeniania się ognia: co dzieje się, gdy wiatry łapią żar i wznoszą je na wiele mil przed frontem ognia. Kiedy wylądują, żar może czasem tlić się w miejscu przez wiele godzin, zanim podpali stos liści, pokład lub coś innego łatwopalnego. To duży problem dla strażaków próbujących dowiedzieć się, gdzie rozmieścić swoje zasoby - czy pozostać na głównej linii ognia, czy ścigać się tam, gdzie ich zdaniem mogą wybuchnąć pożary punktowe.
Aby odpowiedzieć na to pytanie, z powrotem na University of Maryland Gollner opracowywał fizykę na małą skalę tego, czego potrzeba, aby zapalić żar. Jego laboratorium znajduje się na Wydziale Inżynierii Ochrony Przeciwpożarowej i wygląda na to. Zapalniczki butanowe wypełniają szuflady. Pudełko słomy sosnowej spoczywa na półce. Grube rękawice przeciwpożarowe leżą na stołku. Powietrze pachnie lekko gryząco, podobnie jak gasnący ogień.
Wzdłuż jednej ze ścian laboratorium, pod dużym okapem wentylacyjnym, Gollner prezentuje metalowy sprzęt nieco bardziej płaski i szerszy niż pudełko na buty. To tutaj tworzy żar, podpalając kawałek drewna w kształcie korka i wkładając go do pudełka. Wentylator wieje stałą powiew nad tlącą się marką ognia, podczas gdy instrumenty pod skrzynią mierzą temperaturę i przepływ ciepła na powierzchni, na której siedzi. Za pomocą tego urządzenia Gollner może zbadać, czego potrzeba, aby żar wytworzył wystarczającą ilość ciepła, aby rozpocząć pożar w budynku. „Przeprowadzono wiele badań nad trawami i innymi drobnymi rzeczami”, mówi. „Chcieliśmy zrozumieć, jak to zapala twój pokład, dach lub konstrukcję?”
Okazuje się, że pojedynczy żar lub garść żar nie może wytworzyć tak dużej ilości ciepła, jeśli wyląduje na materiale, takim jak pokład lub dach. Ale włóż jeden lub dwa tuziny żaru do urządzenia Gollnera, a strumień ciepła gwałtownie wzrasta, on i jego koledzy informują w March Fire Safety Journal . „Zaczynasz mieć między sobą promieniowanie”, mówi. „Świeci pod wiatr - jest po prostu piękny”.
Michael Gollner, naukowiec z University of Maryland, demonstruje urządzenie, które sprawdza, jak ogień rozprzestrzenia się pod różnymi kątami. Kiedy podnosi powierzchnię zapłonu z poziomej do przechylonej, płomienie reagują inaczej - informacja, którą strażacy mogą wykorzystać podczas walki z rosnącymi pożarami. (Alexandra Witze) Już niewielka kupka żaru może wytworzyć około 40 razy więcej ciepła niż słońce w upalny dzień. To tyle samo ciepła, a czasem więcej, niż sam ogień. Wystarczy również podpalić większość materiałów, takich jak drewno pokładu.
Jeśli więc przed ogniem lata wiele żarów, ale żar ten ląduje stosunkowo daleko od siebie, mogą nie gromadzić ciepła promieniowania potrzebnego do wytworzenia ognia punktowego. Ale jeśli żar gromadzą się, być może dmuchany przez wiatr w szczelinę pokładu, mogą się tlić razem, a następnie uruchomić zapłon, mówi Gollner. Większość domów, które płoną na styku obszarów dzikich i miejskich, zapala się od żaru, często kilka godzin po tym, jak minął sam front ognia.
Zrozumienie strumienia ciepła w tych małych łuskach może wyjaśnić, dlaczego niektóre domy płoną, a inne nie. Podczas pożaru Tubbs domy po jednej stronie niektórych ulic zostały zniszczone, podczas gdy domy po drugiej stronie nie miały prawie żadnych szkód. Może to być spowodowane tym, że pierwszy dom, który zapalił energię sąsiada, który następnie spalił sąsiednie domy jak domino z powodu ciepła promieniowania. Kiedy domy są ciasno upakowane, właściciele domów mogą zrobić tylko tyle, aby zmniejszyć niebezpieczeństwo, usuwając szczotkę i łatwopalny materiał wokół domu.
Kontrolowanie bestii
Gollner - rodowity mieszkaniec Kalifornii, który wychowywał się podczas pożarów - pracuje teraz nad innymi aspektami rozprzestrzeniania się ognia, takimi jak to, czego potrzeba, aby płonący kawałek roślinności oderwał się przy silnym wietrze i podpalił inne krzewy przy wietrze. Bada wiry ognia, aby sprawdzić, czy można je wykorzystać do wypalenia plam ropy w oceanie, ponieważ wiry spalają olej szybciej i czystiej niż ogień nierotacyjny. I rozpoczyna projekt dotyczący wpływu wdychania dymu z pożaru na zdrowie.
Na razie ma nadzieję, że jego badania pomogą uratować domy i życie podczas aktywnego pożaru. „Nigdy nie zrobisz niczego ognioodpornego” - mówi. „Ale kiedy poprawiasz sytuację, robisz dużą różnicę.” Domy zbudowane z osłonami przed żarami wchodzącymi przez otwory poddasza lub z materiałów odpornych na zapłon, takich jak asfalt zamiast gontów, mogą być mniej podatne na zapłon niż domy, w których nie zbudowano te standardy. Gollner mówi, że jeśli tylko 10 domów, a nie 1000, zapali się podczas burzy, strażacy mogą lepiej poradzić sobie z kolejnym wielkim pożarem.
Gdy klimat ogrzewa się, a pożary stają się bardziej ekstremalne, naukowcy zajmujący się ogniem wiedzą, że ich praca jest ważniejsza niż kiedykolwiek wcześniej. Dążą do tego, aby badania miały znaczenie tam, gdzie to się liczy - na linii frontu z urzędnikami zarządzania kryzysowego. Na przykład Coen pracuje nad szybszym uruchomieniem swoich modeli pożarów niż w czasie rzeczywistym, aby po wybuchu kolejnego dużego pożaru mogła szybko przewidzieć, dokąd może dojść, biorąc pod uwagę wiatr i inne warunki atmosferyczne. A Lareau opracowuje sposoby śledzenia rozprzestrzeniania się ognia w czasie zbliżonym do rzeczywistego.
Używa informacji o pogodzie, takich jak radar naziemny, którego używał do śledzenia firenado Carr, a także satelity, które mogą mapować obwód ognia, badając ciepło wypływające z ziemi. W końcu chce zobaczyć system prognozowania pożarów w czasie rzeczywistym, taki jak obecnie dla burz, tornad, huraganów i innych zdarzeń pogodowych.
„Ostrzeżenia nie zatrzymają ognia”, mówi Lareau. „Ale może pomoże nam zdecydować, gdzie podjąć te decyzje. W tych środowiskach ważne są minuty. ”
Knowable Magazine jest niezależnym dziennikarskim przedsięwzięciem z recenzji rocznych. Alexandra Witze (@alexwitze) jest dziennikarką naukową żyjącą na styku dzikich miast z Boulder w Kolorado, gdzie od czasu do czasu widzi dym z pobliskich pożarów.
