Skogsbränder som brinner i väst påverkar inte bara de områden som brinner, men de bredare områdena täckta av rök. De senaste åren har disig himmel och farlig luftkvalitet blivit vanliga inslag i sensommarvädret.

Många faktorer gör att västerländska skogsbränder växer sig större och genererar större, långvariga rökplymer som kan sträcka sig över kontinenten. En analys ledd av University of Washington tittar på de mest detaljerade observationerna hittills från det inre av rökplymer från västkustens löpeldar.

Det multiinstitutionella teamet spårade och flög genom skogsbränder från källan för att samla in data om hur rökens kemiska sammansättning förändrades över tiden. Ett resulterande papper, publicerad 2 november i Förfaranden från National Academy of Sciences , visar att rökprognoser avsevärt kan underförutse mängden partiklar i stalerrök.

De nya resultaten kan fördubbla uppskattningen för partiklar i stalerrök, vilket kan vara skillnaden mellan "måttlig" och "ohälsosam" luftkvalitet i regioner i motvind mot branden.

"Valdbränder blir allt större och oftare, och rök blir en viktigare bidragsgivare till den totala luftföroreningen, " sa huvudförfattaren Joel Thornton, en UW professor i atmosfäriska vetenskaper. "Vi riktade verkligen in oss på rökplymerna nära källan för att försöka bättre förstå vad som släpps ut och sedan hur det kan förvandlas när det går medvind."

Att veta hur nygenererad brandrök övergår till unken, avledd rök skulle kunna leda till bättre prognoser för luftkvaliteten. Samhällen kan använda dessa prognoser för att förbereda sig genom att flytta utomhusaktiviteter inuti eller ändra schemaläggning i fall där luften kommer att vara osäker att vara utomhus, samt begränsa andra förorenande aktiviteter såsom vedeldade bränder.

"Det finns två aspekter som spelar in i rökprognoser, " sa första författaren Brett Palm, en UW postdoktoral forskare i atmosfäriska vetenskaper. "Det ena är precis vart ska rökplymen ta vägen, baserad på dynamiken i hur luften rör sig i atmosfären. Men den andra frågan är:Hur mycket rök transporteras – hur långt medvind kommer luftkvaliteten att bli dålig? Det är den fråga vårt arbete hjälper till att lösa."

När träd, gräs och löv brinner vid höga temperaturer, de genererar sot, eller svart kol, samt organiska partiklar och ångor, kallade organiska aerosoler, som är mer reaktiva än sot. Bränder kan också producera "brunt kol" aerosol, en mindre välförstådd form av organisk aerosol som ger himlen en brunaktig dis.

Väl i luften, de organiska aerosolerna kan reagera med syre eller andra molekyler som redan finns i atmosfären och bilda nya kemiska föreningar. Lufttemperatur, solljus och rökkoncentration påverkar dessa reaktioner och förändrar därmed egenskaperna hos den äldre rökplymen.

Det multiinstitutionella teamet mätte dessa reaktioner genom att flyga genom skogsbränder i juli och augusti 2018 som en del av WE-CAN, eller Western Wildfire Experiment for Cloud Chemistry, Aerosol Absorption and Nitrogen field kampanj ledd av Colorado State University.

Forskningsflyg från Boise, Idaho, använde ett C-130 forskningsflygplan för att observera röken. Studien flög igenom nivåer av 2, 000 mikrogram per kubikmeter, eller ungefär sju gånger den värsta luften som upplevdes i Seattle i somras. Tätningar på flygplanet höll luften inuti farkosten mycket renare, även om forskare sa att det var som att flyga genom lägerelden.

"Vi försökte hitta en trevlig, organiserad plym där vi kunde starta så nära elden som möjligt, "Sade Palm. "Sedan med hjälp av vindhastigheten skulle vi försöka prova samma luft på efterföljande transekter som den färdades medvind."

Analysen i den nya artikeln fokuserade på nio väldefinierade rökplymer som genererades av Taylor Creek Fire i sydvästra Oregon, björnfällans brand i Utah, Goldstone-branden i Montana, South Sugarloaf-branden i Nevada, och Sharps, Kiwah, Beaver Creek och Rabbit Foot skogsbränder i Idaho.

"Man kan inte reproducera stora skogsbränder i ett laboratorium, " sade Palm. "I allmänhet, vi försökte ta prov på röken när den åldrades för att undersöka kemin, de fysiska transformationerna som sker."

Forskarna fann att en klass av utsläpp av skogsbränder, fenoler, utgör endast 4% av det brända materialet men ungefär en tredjedel av de ljusabsorberande "brunt kol"-molekylerna i färsk rök. De hittade bevis på komplexa transformationer i plymen:Ångor kondenserar till partiklar, men samtidigt och nästan i samma takt, partikelformiga komponenter avdunstar tillbaka till gaser. Balansen avgör hur mycket partiklar som överlever, och därmed luftkvaliteten, när plymen färdas medvind.

"En av de intressanta aspekterna var att illustrera hur dynamisk röken är, ", sa Palm. "Med konkurrerande processer, tidigare mätningar gjorde att det såg ut som att ingenting förändrades. Men med våra mätningar kunde vi verkligen illustrera rökens dynamiska natur."

Forskarna fann att dessa förändringar i den kemiska sammansättningen sker snabbare än förväntat. Så fort röken kommer i luften, även när det rör sig och skingras, det börjar avdunsta och reagerar med de omgivande gaserna i atmosfären.

"När rökplymer är färska, de är nästan som en låggradig förlängning av en brand, eftersom det är så mycket kemisk aktivitet på gång under de första timmarna, sa Thornton.

Författarna utförde också en uppsättning 2019 experiment i en forskningskammare i Boulder, Colorado, som tittade på hur ingredienserna i röken reagerar under dagtid och nattetid. Skogsbränder tenderar att växa i eftermiddagsvindarna när solljus påskyndar kemiska reaktioner, dör sedan ner och pyr på natten. Men mycket stora skogsbränder kan fortsätta brinna över natten när mörkare himmel förändrar kemin.

Att förstå rökens sammansättning kan också förbättra väderprognoserna, eftersom rök kyler ned luften och kan till och med ändra vindmönster.

"I Seattle, det finns några tankar om att röken förändrade vädret, Thornton sa. "Denna typer av återkopplingar med röken som interagerar med solljuset är verkligen intressanta framöver."