Varje kväll från sen vår till tidig höst, två plan lyfter från flygplatser i västra USA och flyger genom solnedgången, var och en på väg mot en aktiv skogsbrand, och sedan en till, och en annan. Från 10, 000 fot över marken, piloterna kan upptäcka skenet från en eld, och ibland kommer röken in i kabinen, bränna ögon och hals.

Piloterna flyger en rak linje över lågorna, sedan U-sväng och flyg tillbaka i en intilliggande men överlappande bana, som om de klipper en gräsmatta. När brandaktiviteten är på topp, det är inte ovanligt att besättningen kartlägger 30 bränder på en natt. Den resulterande flygbilden av landets farligaste skogsbränder hjälper till att fastställa kanterna på dessa bränder och identifiera områden tjocka med lågor, spridda bränder och isolerade hotspots.

En stor global konstellation av satelliter, drivs av NASA och National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), kombinerat med en liten flotta av plan som drivs av U.S. Forest Service (USFS) hjälper till att upptäcka och kartlägga omfattningen, spridning och påverkan av skogsbränder. Allt eftersom tekniken har utvecklats, så har värdet av fjärranalys, vetenskapen om att skanna jorden på avstånd med hjälp av satelliter och högtflygande flygplan.

Den mest omedelbara, beslut på liv eller död för att bekämpa skogsbränder – skicka rökbyglar till en ås, till exempel, eller ringa en evakueringsorder när lågor hoppar över en flod—görs av brandmän och chefer i ledningscentraler och på brandlinjen. Data från satelliter och flygplan ger situationsmedvetenhet med en strategisk, storbildsvy.

"Vi använder satelliterna för att informera beslut om var tillgångar ska placeras över hela landet, " sa Brad Quayle från Forest Service's Geospatial Technology and Applications Center, som spelar en nyckelroll för att tillhandahålla fjärravkänningsdata för aktiv brandsläckning. "När det är hög konkurrens om brandmän, tankfartyg och flygplan, beslut måste fattas om hur dessa tillgångar ska fördelas."

Det är inte ovanligt att en jordobservationssatellit är den första att upptäcka en skogsbrand, speciellt i avlägsna regioner som Alaskas vildmark. Och på höjden av brandsäsongen, när det finns fler bränder än flygplan för att kartlägga dem, data från satelliter används för att uppskatta brandens utveckling, fånga brända områden, den förändrade omkretsen och potentiella skador, som i fallet med Montana's Howe Ridge Fire, som brann i nästan två månader i Glacier National Park förra sommaren.

Global eldbild från rymden

I januari 1980 två forskare, Michael Matson och Jeff Dozier, som arbetade på NOAA:s nationella miljösatellit, Data, och informationsservicebyggnad i Camp Springs, Maryland, upptäckt små ljusa fläckar på en satellitbild av Persiska viken. Bilden hade tagits av instrumentet Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR) på NOAA-6-satelliten, och fläckarna, de upptäckte, var lägereldar stora bloss orsakade av förbränning av metan i oljekällor. Det var första gången som en så liten brand hade setts från rymden. Dozier, som skulle bli grundare av Bren School of Environmental Science and Management vid University of California i Santa Barbara, var "intresserad av möjligheterna, "och han fortsatte med att utveckla, inom ett år, en matematisk metod för att skilja små bränder från andra värmekällor. Denna metod skulle bli grunden för nästan alla efterföljande satellitbranddetekteringsalgoritmer.

Vad man lärde sig från AVHRR informerade designen av det första instrumentet med spektralband som uttryckligen utformats för att upptäcka bränder, NASA:s bildspektroradiometer med måttlig upplösning, eller MODIS, lanserades på Terra-satelliten 1999, och ett andra MODIS-instrument på Aqua 2002. MODIS informerade i sin tur designen av Visible Infrared Imaging Radiometer Suite, VIIRS, som flyger på Joint Polar Satellite Systems NOAA/NASA Suomi-NPP och NOAA-20 satelliter. Varje nytt instrument representerade ett stort steg framåt inom branddetekteringsteknik.

"Utan MODIS, vi skulle inte ha VIIRS-algoritmen, sade Ivan Csiszar, aktiv brandproduktledning för Joint Polar Satellite System kalibreringsvalideringsteam. "Vi byggde på det arvet."

Instrumenten på polära satelliter, som Terra, Aqua, Suomi-NPP och NOAA-20, observerar vanligtvis en löpeld på en given plats några gånger om dagen när de kretsar runt jorden från pol till pol. Under tiden, NOAA:s GOES-16 och GOES-17 geostationära satelliter, som lanserades i november 2016 och mars 2018, respektive, tillhandahålla kontinuerliga uppdateringar, dock med en grövre upplösning och för fasta delar av planeten.

"Du kan inte få en global bild med ett flygplan, du kan inte göra det från en markstation, sa Ralph Kahn, en senior forskare vid NASA:s Goddard Space Flight Center. "För att få en global bild, du behöver satelliter."

MODIS-instrumentet kartlade bränder och brännärr med en noggrannhet som vida överträffade AVHRR. Och efter nästan 20 år i omloppsbana, de optiska och termiska banden på MODIS, som upptäcker reflekterad och utstrålad energi, fortsätta att tillhandahålla synliga bilder dagtid och nattetid information om aktiva bränder.

VIIRS har förbättrade branddetekteringsmöjligheter. Till skillnad från MODIS, VIIRS imager-bandet har högre rumslig upplösning, vid 375 meter per pixel, vilket gör att den kan upptäcka mindre, bränder med lägre temperatur. VIIRS tillhandahåller även branddetekteringsmöjligheter på natten genom sitt Day-Night Band, som kan mäta lågintensivt synligt ljus som avges av små och spirande bränder.

De första ögonblicken efter att en brand antänds är kritiska, sa Everett Hinkley, National Remote Sensing Program Manager för U.S. Forest Service. I Kalifornien, till exempel, när intensiva vindar kombineras med torra bränsleförhållanden, responstiden kan betyda skillnaden mellan en katastrofal brand, som lägerelden som förtärde nästan hela staden Paradise, och en som snabbt stoppas.

"De brandmän som är första insatser vet inte alltid den exakta platsen för branden, hur snabbt den rör sig eller i vilken riktning, "Vi arbetar med att försöka ge dem information i realtid eller nära realtid för att hjälpa dem att bättre förstå brandbeteendet under de tidiga kritiska timmarna."

Svarspersoner vänder sig alltmer till GOES-satelliterna för tidiga, exakt geolokalisering av bränder i avlägsna områden. Den 2 juli, 2018, till exempel, efter att rök rapporterades i ett skogsområde nära centrala Colorados Custer County, GOES East upptäckte en hotspot där. Prognosmakare i Pueblo inspekterade data visuellt och gav de exakta koordinaterna för vad som skulle bli Adobe Fire, och besättningar skickades snabbt till platsen. Algoritmen för branddetektering och karakterisering, den senaste versionen av NOAA:s operativa branddetekteringsalgoritm, håller på att uppdateras och förväntas ytterligare förbättra tidig branddetektering och minska falska positiva resultat.

"Den heliga gralen är att brandmän vill kunna komma på en brand under de första timmarna eller till och med inom den första timmen så att de kan vidta åtgärder för att släcka den, sa Vince Ambrosia, en fjärravkännande forskare vid skogsbränder vid NASA:s Ames Research Center i Moffett Field, Kalifornien. "Så det är viktigt att ha regelbunden och frekvent täckning."

Fjärranalysdata om skogsbränder nås på många olika sätt. Bland dem, NASA:s brandinformation för resurshanteringssystem, eller FIRMA, använder MODIS- och VIIRS-data för att tillhandahålla uppdateringar om aktiva bränder över hela världen, inklusive en grov plats för en upptäckt hotspot. Bilder är tillgängliga inom fyra till fem timmar.

Rök och folkhälsa

Självklart, där det brinner, det finns rök, och att veta hur brandrök vandrar genom atmosfären är viktigt för luftkvaliteten, synlighet och människors hälsa. Liksom andra partiklar i atmosfären, rök från skogsbränder kan tränga djupt ner i lungorna och orsaka en rad hälsoproblem. Satelliter kan ge oss viktig information om rökens rörelse och tjocklek.

Terra bär instrumentet Multi-angle Imaging SpectroRadiometer (MISR), en sensor som använder nio fasta kameror, var och en ser jorden i olika vinkel. MISR mäter rörelsen och höjden på en brands rökplym, såväl som mängden rökpartiklar som kommer från branden, och ger några ledtrådar om plymens sammansättning. Till exempel, under lägerelden, MISR-mätningar visade en plym gjord av stora, icke-sfäriska partiklar över paradiset, Kalifornien, en indikation på att byggnader brann. Forskare har fastställt att byggrök leder till större och mer oregelbundet formade partiklar än skogsbränder. Rökpartiklar från förbränningen av den omgivande skogen, å andra sidan, var mindre och mestadels sfäriska. MISR:s mätningar visade också att branden hade lyft upp rök nästan 3 km upp i atmosfären och förde den cirka 180 miles medvind, mot Stilla havet.

Forskare övervakar också noga om höjden på röken har överskridit "nära ytans gränsskikt, " där föroreningar tenderar att koncentreras. Skogsbränder med mest energi, som boreala skogsbränder, är mest benägna att producera rök som går över gränsskiktet. På den höjden, "rök kan vanligtvis resa längre, stanna i atmosfären längre, och påverka längre i vinden, sa Kahn.

Satelliterna har begränsningar. Bland dem, värmesignaturerna som instrumenten upptäcker är medelvärde över pixlar, vilket gör det svårt att exakt fastställa brandplatsen och storleken. Att tolka data från satelliter har ytterligare utmaningar. Även om termiska signaler ger en indikation på brandintensitet, rök ovanför elden kan minska den signalen, och pyrande bränder kanske inte utstrålar lika mycket energi som flammande bränder vid de observerade spektralbanden.

På nära håll med luftburna "värme" sensorer

Det är där instrumenten på Forest Service-flygplanen kommer in. Data från dessa flygningar bidrar till National Infrared Operations Program (NIROPS), som använder verktyg utvecklade med NASA för att visualisera information om skogsbränder i webbkarttjänster, inklusive Google Earth. NASA har ett nära samarbete med Forest Service för att utveckla ny teknik för den typ av termiska avkänningssystem som dessa plan bär.

Varje NIROPS-plan är utrustat med en infraröd sensor som ser en 6-mils sträng av land nedanför och kan kartlägga 300, 000 tunnland terräng per timme. Från en höjd av 10, 000 fot, sensorn kan upptäcka en hotspot bara 6 tum i diameter, och placera den inom 12,5 fot på en karta. Data från varje pass registreras, komprimerad och omedelbart nedlänkad till en FTP-sida, där analytiker skapar kartor som brandmän kan komma åt direkt på en telefon eller surfplatta i fält. De flyger på natten när det inte finns någon solglimt som äventyrar deras mått, bakgrunden är coolare, och bränderna är mindre aggressiva.

"Varje gång vi skannar, vi "sann" den elden, " säger Charles "Kaz" Kazimir, en infraröd tekniker med NIROPS, som har flugit bränder med programmet i 10 år. "På marken, de kan ha idéer om hur den elden beter sig, men när de får bilden, det är sanningen. Det bekräftar eller ogiltigförklarar deras antagande sedan de senast hade information."

De infraröda flygplansinstrumenten fyller några av luckorna i satellitdata. Fältkampanjer, som NASA-NOAA FIREX-AQ, nu pågår, är utformade för att också ta itu med dessa frågor. Men forskare letar också efter ny teknik. År 2003, representanter från NASA och Forest Service bildade en taktisk fjärranalyskommitté för brand, som träffas två gånger årligen för att diskutera sätt att utnyttja ny och befintlig fjärranalysteknik när det gäller skogsbränder. Till exempel, en ny infraröd sensor utvecklas som skannar en sträng tre gånger bredare än det befintliga systemet. Det skulle innebära färre flyglinjer och mindre tid över en enskild brand, sa Hinkley.

"Det viktigaste är att vi aktivt undersöker och utvecklar kapacitet som kommer att hjälpa beslutsfattare på plats, speciellt i de tidiga faserna av dynamiska bränder, ", sa Hinkley. "Vi vilar inte bara på lagrarna här. Vi förstår att vi måste utnyttja ny teknik bättre för att hålla människor säkra."