NASA:s DC-8 flyglaboratorium tog till skyarna i måndags för att starta en två månader lång undersökning av livscyklerna för rök från bränder i USA. Målet är att bättre förstå rökpåverkan på väder och klimat och ge information som kommer att leda till förbättrad luftkvalitetsprognoser.

En gemensam kampanj ledd av NASA och National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), Brandpåverkan på regionala till globala miljöer och luftkvalitet (FIREX-AQ) riktar in sig på breda frågor om brandrökens kemiska och fysiska egenskaper, hur den mäts och hur den förändras från förbränningens ögonblick till dess slutliga öde hundratals eller tusentals miles motvind. Alla dessa har konsekvenser för folkhälsan.

"I sista hand, vårt mål är att bättre förstå komplexa rök-atmosfär-interaktioner för att förbättra modellerna för luftkvalitetsprognoser, leder till ökad noggrannhet och tidigare meddelande, som är kritiska för samhällen motvind av bränder, " sa FIREX-AQs medutredare Barry Lefer, troposfærisk sammansättningsprogramchef vid NASA:s högkvarter i Washington. "Det gemensamma syftet är det som samlade våra byråer för flera år sedan när vi började planera för denna stora insats."

"Vi har samlat ett enastående team av forskare som kommer att använda den mest sofistikerade uppsättningen instrument och modeller som någonsin monterats för att undersöka karaktären av bränder och rök, "sa David Fahey, direktör för NOAAs avdelning för kemiska vetenskaper. "Vårt långa partnerskap med NASA har tagit oss bokstavligen runt planeten och producerat för många stora vetenskapliga upptäckter att räkna. Jag förväntar mig att detta inte kommer att vara annorlunda."

Den första fasen av kampanjen handlar om att observera rök från skogsbränder i västra USA. Utrustad med toppmodern fjärranalys och in situ-instrument, flera flygplan baserade i Boise, Idaho, kommer att samarbeta för att prova rökplymer och deras förändrade kemi tillsammans med väderdynamik, spåra plymer från förbränning till destinationer ofta flera stater bort.

NASA:s flyglaboratorium DC-8-en vetenskaplig arbetshäst på långa sträckor-kommer att få sällskap av två NOAA Twin Otters. NASA:s stratosfärnäckande ER-2-flygplan kommer också att flyga ut från Armstrong Flight Research Center i Palmdale, Kalifornien.

I mitten av augusti, verksamhetsbasen flyttas till Salina, Kansas, med flygningar riktade mot rök från jordbruksbränder i USA:s sydost. Det finns hundratals av dessa bränder varje år och de ligger nära befolkningscentra, men deras ringa storlek i förhållande till satellitobservationsförmåga gör att de ofta blir oupptäckta av satelliterna som utgör grunden för många uppskattningar av rökutsläpp. Flygplanets observationer är också avgörande för att förstå småskalig plyndynamik och deras vetenskapliga effekter.

Rökprognoser är baserade på flera olika prognosmodeller som använder satellit och annan data som indata, som mängden yta som brändes i jordbruksbränder. NASA- och NOAA -satelliter ger information, som bränsletyp, brandintensitet och området för brännskador, tillsammans med vinden, temperatur och andra vädervariabler, som matas in i modeller som förutsäger rökmängd, riktning och hastighet.

Rökkemi börjar med bränsletypen, oavsett om tallskogar, ekskogar eller salviaborste. Förutom gaser som koldioxid och kolmonoxid, bränning frigör olika typer och mängder av kortlivade gaser som kallas flyktiga organiska föreningar (VOC), som kombineras med andra gaser och solljus för att producera marknära ozon-en gas som är skadlig för människor och skadar grödor. Förutom bränsletyp, temperaturen på bränningen påverkar också den resulterande kemin; i allmänhet, kylare, ulmande bränder producerar fler VOC, kolmonoxid och partiklar, som alla är skadliga för människors hälsa. Varmare, flammande bränder producerar mindre VOC, kolmonoxid och totala partiklar men mer svart kol - ett aerosolmaterial med negativa hälsokonsekvenser och ytterligare klimatuppvärmningspotential.

"Det som brinner är viktigt, men hur det brinner betyder kanske ännu mer, sa Carsten Warneke, University of Colorado och NOAA-missionär för FIREX-AQ. 2016, han och hans kollegor på NOAA brände olika bränslen vid varierande temperaturer i Missoula Fire Science -laboratoriet för att få en mer detaljerad förståelse av dessa faktorer. "Nu, med denna kampanj, vi tar vår förståelse från laboratoriet för att röka från stora bränder som händer på fältet där atmosfärens dynamik förändras kraftigt över tid och avstånd. Härifrån, vi kan fortsätta vårt arbete med att förbättra modellerna. "

Att lösa dessa osäkerheter inom bränslekemi spelar också in i ett annat fokusområde för kampanjen:höjden på injektionspumpen. Pluminsprutningshöjder beror på en komplex interaktion mellan eldynamik och omgivande väderförhållanden och geografi.

Kallare bränder, som oftare inträffar på natten, injicera rök lågt i atmosfären, där det utgör en hälsorisk för samhällen i motvind. Varmare bränder kommer att injicera rök till högre höjder, där det kan förflytta sig längre i sidled men är mer benägna att hålla sig borta från befolkade områden.

Med tanke på betydelsen av deras data för prognosmodeller, flera satelliter används för att hämta injektionshöjder för plymer. Några satelliter med lidarinstrument kan användas för att mäta injektionshöjden direkt, men dessa satelliter observerar inte bränderna särskilt ofta. Infraröda instrument på andra satelliter används för att härleda ett mått på brandens intensitet, som i sin tur används för att uppskatta injektionshöjden samt mängden rök som släpps ut, men moln och annat röktäcke hindrar ofta upptäckt.

Flygplanet observerar direkt injektionshöjder och jämför dem med andra direkta mätningar, t.ex. rökkemi och atmosfäriska förhållanden på olika höjder. Detta kommer att ge en tydligare förståelse av plommens höjd som en funktion av kemi och andra faktorer som väder. "Vi utökar kompendiet av observationer som kan ge oss förtroende för att, när vi uppskattar plumhöjning för rökprognosernas skull, vi ska skapa en mer exakt modell som kommer att leda till bättre luftkvalitetsprognoser, " sa NASA Langleys Jim Crawford, FIREX-AQ NASA-missionär.

Långsiktig förbättring av luftkvalitetsprognoser är ett stort fokus för kampanjen, men FIREX-AQ kommer också att hantera bredare påverkan av rök på väder och klimat. Till exempel, rökpartiklar kan hjälpa till att initiera moln. Rök påverkar också hur mycket solljus moln reflekterar tillbaka till atmosfären. Rökpartiklarnas optiska egenskaper - hur mycket lätt rök absorberar och sprider sig - beror på deras storlek och sammansättning och avgör deras klimateffekter.

FIREX-AQ hjälper till att hantera en av de stora osäkerheterna kring brandutsläpp, nämligen de material som är ansvariga för ljusabsorption i rök. Traditionellt, all ljusabsorption har tillskrivits svart kol. NOAA-forskaren Joshua Schwarz fokuserar på att stödja dessa aerosolrelevanta aspekter av uppdraget.

"Under de senaste åren har det har funnits ett erkännande av icke-svart kol, ljusabsorberande aerosolarter som brunt kol, sade Schwarz, som är en missionsvetare för FIREX-AQ. "Förbränning av biomassa är en viktig källa till brunt kol, och det här är en riktigt spännande möjlighet i FIREX-AQ eftersom vi har den instrumentering som behövs för att svara på frågan om brandrökbrunt kol och hur det förändras i atmosfären. "

De förbättringar som FIREX-AQ ger för att förstå satellitinsamlingar av aerosolegenskaper över Nordamerika kommer också att förbättra värdet av dessa observationer över andra delar av världen. "Om vi ​​kan förbättra vår förståelse för brandutsläpp i Nordamerika, Vi hjälper dig att ta ett stort steg framåt när det gäller biomassaförbränningens globala klimatpåverkan. "