Skogsbränder i Arktis brinner ofta långt borta från befolkade områden, men deras effekter märks över hela världen. Från fält- och laboratoriearbete till luftburna kampanjer och satelliter, NASA studerar varför boreala skogar och tundrabränder har blivit vanligare och kraftigare och vad det betyder för klimatprognoser, ekosystem och människors hälsa.

"Brander är en naturlig del av ekosystemet, men det vi ser är en accelererad brandcykel:vi får oftare och allvarligare bränder och större brända områden, sa Liz Hoy, en boreal brandforskare vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. Hoy arbetar med NASA:s arktiska-boreala sårbarhetsexperiment (ABoVE), en omfattande fältkampanj som undersöker de arktiska och boreala ekosystemens och samhällenas motståndskraft mot miljöförändringar.

Arktiska skogsbränder skiljer sig från bränder på mitten av breddgraden, som de i Kalifornien och Idaho. För en, bränder i de nedre 48 åren anläggs ofta av människor och släcks så snabbt som möjligt, eftersom de utgör en risk för liv och egendom. I den boreala skogen och tundran, skogsbränder antänds oftast av blixtnedslag och lämnas vanligtvis att brinna om de inte hotar viktig infrastruktur eller mänskliga bosättningar. Som ett resultat, de växer ofta stora och förbrukar hundratusentals hektar växtlighet.

Också till skillnad från skogsbränder på lägre latitud, det mesta av koldioxidutsläppen från arktiska bränder kommer från bränd organisk jord snarare än brända träd och buskar.

"Arktiska och boreala regioner har mycket tjocka jordar med mycket organiskt material - eftersom jorden är frusen eller på annat sätt temperaturbegränsad samt näringsfattig, dess innehåll sönderfaller inte mycket, " sa Hoy.

Den tjocka, kolrikt toppjordlager av boreala skogar och tundra fungerar som isolering för permafrosten, det evigt frusna lagret av mark under ytans organiska matta.

"När du bränner jorden ovanpå är det som om du hade en kylare och du öppnade locket:permafrosten under tinar och du låter jorden sönderfalla och förmultna, så du släpper ut ännu mer kol i atmosfären, " sa Hoy.

En färsk ABoVE-studie fann att en enda brandsäsong i Kanada släppte ut så mycket kol i atmosfären att den kompenserade hälften av allt kol som avlägsnats från atmosfären genom årlig trädtillväxt i alla Kanadas stora skogar. Så inte bara skogsbränder i Arktis påverkas av den globala uppvärmningen, vilket leder till varmare och torrare somrar som skapar torra, tinder-box-förhållanden – de bidrar också i sin tur till mer klimatförändringar.

"Jag hör ibland" det finns inte så många människor där uppe i Arktis, så varför kan vi inte bara låta det brinna, varför spelar det någon roll?'" sa Hoy. "Men det som händer i Arktis stannar inte i Arktis – det finns globala kopplingar till de förändringar som äger rum där."

Föränderliga landskap

Den branddrivna upptiningen av permafrost orsakar landsättningar och jordkollaps, skapa ett bikakelandskap. På några ställen, nya sjöar bildas. I andra, den resulterande ihåliga topografin, känd som termokarst, torkar upp landskapet.

"Om det brandstörda området kommer att återhämta sig eller gå framåt mot sättningar beror på hur mycket markis som ligger under marken, " sa Go Iwahana, en permafrostforskare vid University of Alaska, Fairbanks, som arbetar med ABoVE. "Andra faktorer som spelar in är hur allvarligt branden skadar det organiska ytskiktet och vädret det brända området upplever efter branden."

Förutom att förändra landskap som hade varit orörda i tusentals år, permafrostens försvinnande innebär också en irreparabel förlust av ett historiskt rekord.

"Som med iskärnor i Antarktis och Grönland, vi tittar på förändringar i vattenisotoper, gasinnehåll, och permafrostens isstruktur för att förstå vad som hände i det förflutna, " Iwahana sa. "Modellerare och brandspecialister förutspår ett ökat antal boreala bränder och tundrabränder i framtiden – detta kommer att förbättra upptiningen av permafrost, och så kommer paleoinformationen i permafrosten att gå förlorad."

Förändringar av hydrologiska processer, tillsammans med hur eld förändrar utbredningen av växtarter, i slutändan förändra lokala ekosystem.

"Efter en intensiv brand, vi kan se förändringar i den övergripande vegetationssammansättningen av landet, " sa Hoy. "Det kommer att förändra de däggdjursarter som kan leva där och hur människor kan använda marken, till exempel, för jakt."

Två huvudsakliga viltarter i Alaska, caribou och älg, reagerar väldigt olika på brända landskap. Under de första decennierna efter en stor brand, Älgbesättningar flyttar in till området i jakten på den unga vegetationen som växer ut igen. Men caribou, vars dieter är mycket beroende av långsamt växande ytlavar som tar mycket lång tid att återhämta sig, skadas av bränder.

"En av de största problemen när det gäller förvaltning av vilda djur är att bränder kan begränsa räckvidden för caribou, sa Alison York, koordinator för Alaska Fire Science Consortium vid University of Alaska.

Effekter på hälsan

Skogsbränder frigör stora mängder partiklar, som är skadliga för andnings- och kardiovaskulära system och kan färdas långt och brett av vindar.

"Vi hör mycket om effekterna av bränder på hälsan, men alla dessa studier kommer från forskning som kommer från en enda, vanligen kort brandhändelse, sa Tatiana Loboda, professor vid University of Maryland, College Park. "I den boreala skogsregionen, bränder är mycket vanliga, mycket stora och de producerar mycket rök. Även människor som inte bor i närheten är utsatta under en betydande tidsperiod år efter år."

Loboda lanserade nyligen ett projekt genom ABoVE för att studera hur exponering för partiklar från skogsbränder påverkar hälsan hos människor i Alaska, en stat som har utfärdat över 30 luftkvalitetsråd bara under årets brandsäsong. Även om Lobodas studie är begränsad till Alaska, skogsbränder påverkar folkhälsan runt om på planeten.

"Brander inträffar under de varma månaderna, när människor tillbringar mycket tid utomhus – särskilt ursprungsbefolkningen som gör försörjningsaktiviteter som fiske och jakt, sa Loboda, som planerar att jämföra exponeringen av inhemska samhällen för skogsbränder med hälsoresultat. "De saknar något slags skydd de skulle få genom att vara inomhus med luftkonditioneringen på och stänga sina fönster."

För hennes studie, Loboda kommer att använda sjukhusinläggningar från Alaskas Department of Public Health för att analysera hur många människor som blir sjuka under brandsäsongen. Hon kommer också att analysera NASA-satellitdata som, kombinerat med datormodeller, kommer att tillåta henne att skapa en detaljerad registrering av brinnande i daglig skala, samt noggranna inventeringar av bränsletyper – den sorts grönska som brinner i kombination med eldens intensitet avgör hur mycket partiklar som skapas.

"Under de senaste 20 åren har vi haft de tre största brandsäsongerna på rekord för Alaska och det händer samtidigt som befolkningen växer, " sa Loboda. "Ju fler människor är utspridda, desto större är sannolikheten att någon kommer att drabbas någonstans under ett givet år."