Forskare från Kansas State University är en del av ett stort samarbetsprojekt som använder obemannade flygplan för att förbättra Kansas Flint Hills Smoke Management Plan.

Det treåriga projektet finansieras av Kansas Department of Health and Environment, eller KDHE, och involverar universitetsforskare; NASA-forskare; obemannade flygsystemssystempiloter från Kansas State University Polytechnic Campus; meteorologer; ranchägare; och miljöpartister. Forskargruppens medlemmar har olika bakgrund, men de har alla ett gemensamt mål:förbättra miljön och människors hälsa samtidigt som de balanserar försörjningen för ranchägare och bönder.

"Vi vill att våra uppgifter ska vara användbara för att hålla eld som en metod som är både ekologiskt acceptabel och socialt acceptabel på Great Plains, sa Carol Baldwin, projektledaren och en K-State Research and Extension associate i College of Agriculture.

Teamet samarbetar med en Flint Hills -rancher för att samla in data under typiska tallgräsföreskrivna brännskador. Forskarna har fäst sensorer på obemannade flygplan för att samla in luftkvalitetsinformation under en brännskada.

Informationen de samlar in hjälper NASA att verifiera satellitdataprodukter och underlättar samarbetet mellan KDHE och Environmental Protection Agency för att förbättra Kansas Flint Hills Smoke Management Plan. Planen implementerades 2011 och hjälper ranchägare att fatta beslut om de bästa dagarna att brinna utan att påverka människors hälsa negativt, särskilt i storstadsområden.

Förr, när vädret var rätt, Flint Hills vårbränning påverkade luftkvaliteten i Wichita, Topeka, Kansas City och storstadsområden i Nebraska och Oklahoma. Den dåliga luftkvaliteten är dålig för personer med astma och andra hälsoproblem. Utmaningen är att eld behövs för att upprätthålla integriteten hos tallgrassprärielandskapet, sa Baldwin.

"Vi behöver eld, sa Baldwin, som är expert på skötsel av gräsmarker. "Om vi ​​tar eld och bete ur ekosystemet, vi kommer inte att ha prärier som vi känner dem. Vi kommer att sluta med en buskig skog."

Aktuella rökhanteringsmodeller, som Flint Hills plan, använda data från bränder i andra delar av USA, inte på Great Plains, Baldwin sa, och det är ett problem. Det universitetsledda projektet vill få mer exakta branddata från Great Plains-regionen genom att arbeta med riktiga ranchägare under en typisk bränning.

"Det är vår förhoppning att ranchägare i Flint Hills kommer att använda dessa verktyg för att planera sina brännskador så att de inte påverkar luftkvaliteten i vinden från elden, "sa Doug Watson, luftövervakning och planeringschef med Kansas Department of Health and Environment. "På samma gång, vi vill utbilda storstadsområdena om betydelsen av Flint Hills ekosystem och skälen till varför ranchägarna brinner för att upprätthålla det ekosystemet."

Använder obemannade flygplan

För att testa en föreskriven brännskada, forskarna arbetar med Jane Koger, en Matfield Green rancher. Koger har tillåtit forskarna att samla in data tidigare, under och efter de årliga brännskadorna på hennes ranchmark.

UAS-piloter samlar in rökutsläpp från en kontrollerad bränning genom att flyga tre obemannade flygplan in i röken ovanför bränderna. De obemannade flygplanen använder kontinuerliga sensorer och provsensorer för att mäta partiklar och ozonframkallande kemikalier, och de använder termisk avbildning för att mäta brandtemperaturen. De kontinuerliga sensorerna använder lasrar för att göra mätningar och skicka data, inklusive partikelkoncentration, ozonnivåer, temperatur och luftfuktighet. Provsensorerna har en liten påse för att samla och föra tillbaka luftpartikelprover som analyseras för partiklar, eller PM, såväl som kvävedioxid och flyktigt organiskt kol, eller VOC, nivåer.

Travis Balthazor, UAS flygoperativ chef, leder laget av 12 utbildade UAS-piloter, som inkluderar forskare och studenter med Kansas State University Polytechnic Campus. Eleverna får verklig erfarenhet genom projektet, Sa Balthazor.

"Det här är utanför vår normala box, så det här är en insats som gynnar oss i längden, " sa Balthazor. "När det gäller att flyga flygplan och se på framtiden för obemannade flygplan, alla vill flyga bortom siktlinjen och de vill flyga högre. Vi får ett smakprov på det med det här projektet."

Efter bränningen

Efter varje bränning, forskarna har ett register över gräsbiomassa som brändes, eldens värmenivåer och emissionsnivåerna från branden.

Dessa data hjälper NASA att verifiera satellitbilder och fjärrstyrda utsläppsuppskattningar. NASA använder avbildning från satellitdata för att bestämma en brands intensitet och rökutsläpp. För att slutföra valideringen, forskare kombinerar direkta mätningar av produktionen av svart kol med data från en värmekamera som mäter hela området för en brands inre temperaturer. Forskningen hjälper också NASA att förbättra satellitdatamodeller.

Andra projektsamarbetspartners – inklusive Deon Van Der Merwe, adjungerad fakultetsmedlem i diagnostisk medicin och patobiologi vid universitetets College of Veterinary Medicine – använder det obemannade flygplanet för att uppskatta brandstorleken genom att flyga flygplan ovanför gräsmarken före en föreskriven bränning för att bestämma hur mycket gräs, träd eller buskar finns i området.

För ranchägaren Koger, forskningsprojektet kan hjälpa ranchägare som hon att lära sig hur man underhåller tallgrassprärien utan att skada deras försörjning.

"Jag tycker att det är viktigt att få en bättre förståelse för vad vi gör och vad vi lägger i luften, " sa Koger. "Vi har barn och barnbarn, och några av dem har astma. Det påverkar oss alla. När vi har konkret vetenskap – och när K-State delar det – lyssnar ranchägare. Att få några siffror och veta vad vi verkligen gör och få ut det till allmänheten kommer att tala till folk."