NASA-satelliter avslöjar en värld präglad av eld:ett globalt lapptäcke av lågor och rök som drivs av årstiderna och människorna. Sommarens skogsbränder rasar över västra USA och Kanada, Australien och Europa. I början av våren, jordbruksbränder täcker brödkorgsregionerna i Sydostasien som de gör under torrperioden i centrala och södra Afrika och Brasilien.

I åratal, NASA har använt rymdens utsiktspunkt, kombinerat med luftburna och markbaserade fältkampanjer, för att dechiffrera effekterna av bränder – från den första gnistan till den sista puffande röken – och hjälpa andra myndigheter att skydda liv och egendom.

Men effekterna av bränder kvarstår långt efter att de är släckta:De kan rubba ekosystemen, påverka klimatet och störa samhällen. Medan NASA håller ett öga på dagens bränder, den tar också upp de övergripande frågorna som hjälper brandchefer att planera för framtiden.

Den här sommaren, NASA inleder flera fältkampanjer över hela världen för att undersöka långvariga frågor kring eld och rök. Flygplan kommer att flyga genom rök och moln för att förbättra luftkvaliteten, väder- och klimatprognoser, och undersöka eldbrända skogar för att fånga ekosystemförändringar som har global inverkan.

"De högsta eldtornen"

Förra årets säsong för skogsbränder i USA var den mest dödliga och kostsamma i Kaliforniens historia. Det har blivit en trend:längre, varmare torrperioder orsakade av klimatförändringar i kombination med överflödig vegetation på grund av aggressiva brandbekämpningsmetoder under det senaste århundradet har resulterat i att 16 av de 20 största bränderna i statens historia inträffat under de senaste 20 åren. Under dessa omständigheter, tidig upptäckt är nyckeln för katastrofberedskap att formulera strategier för att hantera skogsbränder av ökande storlek och svårighetsgrad och för att genomföra evakueringar. Instrument på NASA-satelliter som kretsar runt jorden ger ofta den första ögonblicksbilden av en brands plats och utveckling.

"Vi är, i huvudsak, de högsta eldtornen, sa Doug Morton, chef för biosfäriska vetenskapslaboratoriet vid NASA:s Goddard Spaceflight Center i Greenbelt, Maryland. "Realtidsöverföring av dessa satellitdata i händerna på skogsförvaltare, chefer för skyddade områden och brandmän om platsen för nya bränder – det är där NASA:s initiala roll är avgörande."

Mark- och luftburna observationer spårar brandaktivitet under dagtid. För att spåra bränder på natten, US Forest Service använder två flygplan utrustade med NASA-utvecklade termiska sensorer och inbyggda automatiserade databehandlingssystem som levererar branddetekteringskartor via cellulär signal till incidentledningscentralen (nervcentret för brandoperationer över svarande statliga myndigheter) i en fråga om en några minuter.

"Vi pratar om incidentkommando som får viktig information på 5 till 20 minuter jämfört med flera timmar med äldre teknik, sa Vince Ambrosia, en fjärravkännande forskare vid skogsbränder vid NASA Ames Research Center i Moffett Field, Kalifornien. "Dessa siffror talar för sig själva om värdet av kritiska, information i rätt tid."

Förutom att övervaka aktiva bränder, NASA arbetar också med att förbättra brandprognoserna. Att förutse en brands nästa steg bygger på att förena det komplexa utbytet mellan topografi, växtlighet och väder. Ett fokusområde är utvecklingen av modeller som tar hänsyn till fukthalten i bränslekällor som uttorkad, nedfallna träd som är mer benägna att fatta eld och sprida den. En annan är fjärrdetektering av stegbränslen – höga gräs, buskar och trädgrenar som kan föra lågor från marken till högre trädgrenar för att skapa snabbt spridande kronbränder. NASA-forskare arbetar med att utveckla kartor över stegbränsle för både aktiv brandprognoser och brandbekämpning med hjälp av data från rymden.

Andrahandsbrandrisk:Rök

Alla som lever motvind från en löpeld vet att samhällen inte behöver vara i direkt brandväg för att känna dess effekter. Rök kan resa tusentals mil, täcka städer med skadliga kemikalier och fina partiklar som orsakar andningsbesvär och andra hälsoproblem.

Regelbundna rökprognoser för USA med hjälp av satellitdata produceras av National Oceanic and Atmospheric Administrations (NOAA) National Weather Service. Rökprognoser är avgörande för lokala hälsochefer för planering av skol- och andra nedläggningar, och för att ge samhällen tid att skaffa ansiktsmasker och hitta lämpligt skydd.

Den här månaden, NOAA och NASA inleder en stor fältkampanj för att förbättra sina mark- och satellitbaserade prognosmodeller genom att ta en närmare titt på röken. Den gemensamma kampanjen Fire Influence on Regional to Global Environments and Air Quality (FIREX-AQ) kommer att använda en flotta av vetenskapsflygplan fullpackade med instrument för att analysera rökkemi på olika höjder från förbränningspunkten till hundratals och möjligen tusentals mil medvind. Den första delen av uppdraget, som börjar i slutet av juli, kommer att fokusera på skogsbränder i västra USA; den andra, i Augusti, kommer att tillgodose jordbruksbränder i USA:s sydost.

"All rök är inte densamma, sa Barry Lefer, programledare för troposfärisk sammansättning vid NASA:s högkvarter i Washington. "Tall, gräs, lövträd, buskar - deras kemi är annorlunda, så när de brinner reagerar var och en av dessa rökarter olika med vädret och atmosfären. Vi vill observera dessa interaktioner och hur de förändras när de reser medvind. Detta kommer att ge mer nyans till våra modeller och förbättra prognoser."

Föränderliga moln, Klimat, och väder

Interaktioner mellan rök och moln har en djupgående inverkan på väder och klimat. Liksom andra aerosoler, rökpartiklar kan fungera som molnfrön; vattenånga kan förenas runt dem för att bilda molnvattendroppar. Rök påverkar också hur mycket solljusmoln reflekteras tillbaka till atmosfären. Att kvantifiera dessa mekanismer är avgörande för att förbättra globala klimatprognosmodeller.

Ändå är interaktioner mellan aerosol och moln notoriskt svåra att observera i fält, sa Hal Maring, programledare för strålningsvetenskap vid NASA:s högkvarter. "Vissa moln har väldigt kort livslängd medan andra har väldigt långa, och de är alla belägna i radikalt olika delar av himlen. Att få en kvantitativ titt på dessa processer är en svår uppgift."

En annan stor NASA-sponsrad fältkampanj i sommar och höst, denna gång i Filippinerna, kommer att ta sig an denna vetenskapliga utmaning. I augusti NASA, Manila-observatoriet och Naval Research Laboratory (NRL), i samarbete med den filippinska regeringen, kommer att konvergera på himlen som omger landet med flera instrumenterade flygplan, tillsammans med havsforskningsfartyget Sally Ride, att ta mer än en månads detaljerad hänsyn till interaktioner mellan aerosol och moln. Ett decennium på väg, molnet, Aerosol, och Monsoon Processes Philippines Experiment (CAMP2Ex) uppdrag kommer att ta mätningar för att förbättra övervakningen och långväga väder- och klimatprognoser.

Den maritima kontinenten—Indonesien, Borneo, Nya Guinea, de filippinska öarna, den malaysiska halvön och de omgivande haven — har länge varit ett område för vetenskaplig undersökning. Jordbruksbränder och andra bränder från regionen, tillsammans med luftföroreningar från städer, tillhandahålla en klar tillförsel av aerosoler som påverkar stora väderprocesser; förutom de kraftiga monsunerna över den asiatiska skärgården, regionen producerar också fukt som ger regn över Stilla havet och kan till och med påverka vädret på det kontinentala USA.

"Regionen är det perfekta naturliga laboratoriet, " sa NRL forskningsmeteorolog Jeff Reid, WHO, tillsammans med Maring, är medledande CAMP2Ex. "Regionen har precis den rätta blandningen av meteorologisk och aerosolvariabilitet. Flera satellitfjärranalyser och modelleringsstudier har kopplat närvaron av föroreningar och biomassabrännande rök till förändringar i moln- och stormegenskaper, men vi saknar observationerna av de faktiska mekanismerna som äger rum. CAMP2Ex tillhandahåller en välbehövlig degel för satellitobservationssystem och modellförutsägelser för att övervaka och förstå hur atmosfärens sammansättning och väder interagerar."

Bränsle en kolobalans

Kol är en byggsten för allt liv på jorden; det är också en nyckelfaktor i klimatförändringen. Från industriåldern, förbränningen av kolhaltiga fossila bränslen för energibehov har släppt ut ett överskott av värmefångande koldioxid och andra gaser i atmosfären. Skogsbränder bidrar också eftersom de frigör koldioxid. På de nordliga breddgraderna finns en annan källa till koldioxidutsläpp som forskare studerar, i form av tinande jord.

2014 sommarbränderna i de nordvästra territorierna, Kanada, gjorde anspråk på 7 miljoner hektar boreal skog – ett område större än Massachusetts – vilket gör det till en av de allvarligaste brandsäsongerna i landets historia. Dessa bränder släppte ut cirka 94 teragram kol, offsetting half of all the carbon removed from the atmosphere through annual tree growth across all of Canada's vast forests.

"We expect that carbon stocks will start to recover after this loss because vegetation will regrow and take carbon out of the atmosphere, which is a good thing, " said NASA Goddard Earth scientist Peter Griffith. "But it will take 75 to 100 years to make up for that carbon loss."

Fires are essential for many forests, as they return nutrients to the soil and encourage the growth of essential tree species, such as Black Spruce in Canada's boreal forests. But because the Arctic is warming twice as fast as the rest of the planet, resulting in longer, warmer, drier summers, evidence suggests that more frequent, more intense fires—and the substantial carbon loss and ecosystem consequences that come with fire—are there for the long haul.

NASA's Arctic Boreal Vulnerability Experiment (ABoVE) is in the middle of a 10-year airborne field campaign to investigate the social and ecological impacts of the rapidly changing climate in Alaska and northwestern Canada. These include impacts to and from wildfires, changes to wildlife habitats and the thawing of permafrost:perennially frozen ground that contains ice, rocks and sand along with organic material. A warming Arctic is thawing permafrost, which allows decomposition to set it in, releasing more carbon dioxide and methane into the atmosphere. Fires speed up that process by burning away many inches of the insulating layer of unfrozen organic soil, exposing frozen soil to the warmer air.

For the last few years, ABoVE has been flying aircraft equipped with radar and lidar instrumentation to the Northwest Territories to monitor permafrost loss in burned areas. The data reveal that the ground in burned areas is sinking faster year by year as the ground thaws, Griffith said. The airborne data taken over carefully measured ground locations will help to connect those changes at sites to what NASA researchers observe across North America from landcover and ice-measuring satellites.

As the scorched boreal forests recover, the once dominating conifers—tree species that retain their leaves year-round—are being replaced by deciduous trees, which can have follow-on ecosystem effects that scientists are still trying to understand. "It's clear that birds and animals, as well as people who live in or around these forests and who depend on wildlife for food, will have to adapt, " Griffith said. "The climate changes and other environmental changes that are impacting northern ecosystems and the people who live there are happening because of decisions that are being made far, far away. We are all truly connected."