De senaste skogsbränderna i Australien har varit skrämmande. När vi pratar om firenadoer och megablazes, vi förstår hur farligt och oförutsägbart brandbeteende kan vara.

Australiens förödande skogsbränder har gjort oss mer medvetna om väderförhållandena som är involverade i gnistor, spridning och undertryckande av skogsbränder.

När bränderna har vuxit i grymhet, vi har sett ett otroligt fenomen – bildandet av "pyrocumulonimbus"-moln och stormar. Vi har att göra med bränder som är kraftfulla nog att skapa sina egna vädersystem.

Det börjar med stora, intensiva rökplymer. Därifrån, ett pyrocumulonimbus-system kan orsaka förödelse genom att kasta enorma "nedströmningar" av luft på marken, bära brinnande glöd i vinden som tänder nya bränder, eller tända nya bränder genom blixtnedslag.

Så vad vet vi om dessa system och hur kan eldsvådor bekämpa bränder av denna intensitet i framtiden?

En perfekt eldstorm

Många ingredienser måste samlas för att ett pyroCb-evenemang ska utvecklas, säger Dr Kevin Tory, Senior forskare från Bureau of Meteorology and Bushfire and Natural Hazards Cooperative Research Centre.

"Först, det måste finnas enorma mängder värme, säger Kevin.

I sista hand, elden måste vara tillräckligt kraftfull för att producera en stor och kraftig rökplym som stiger kanske 3 km till 5 km innan moln kan bildas i rökplymen. Sedan bara om rökplymen fortfarande har riklig energi på denna höjd kommer ett åskväder att bildas. "De perfekta väderförhållandena för att skapa en intensiv brand är varma, torrt och blåsigt. Om du får denna kombination med mycket torrt bränsle, en eld kommer att brinna som en galning."

Dock, varm och torr betyder att rökplymen också är torr, eftersom det mesta av luften i rökplymen blandades in utifrån. Detta innebär att rökplymen måste stiga ännu högre innan moln kan bildas.

Och om det blåser, rökplymen blåser omkull, vilket gör det ännu svårare för det att stiga tillräckligt högt för att moln ska bildas.

I kontrast, de perfekta förhållandena för att skapa en plym är varma, fuktig och mycket lätt eller ingen vind.

"så...det måste vara varmt, tillräckligt torrt och blåsigt för att få intensiva bränder; men inte för varmt och torrt att din plym måste bli riktigt hög och inte för blåsigt att din plym blåser omkull, " förklarar Kevin.

Blåser i vinden

En vindförändring är ett vanligt sätt som denna idealiska blandning av förhållanden uppstår.

Varm, torra och blåsiga förhållanden kan generera en mycket stor och intensiv brand, medan det är för varmt, torrt och blåsigt för pyroCb att utvecklas.

Om en havsbris eller kallfront skulle komma fram till branden med ändrad vindriktning, elden kan bli ännu större och hetare när de långa eldflankerna blir aktiva "huvudeldar".

Men den kanske viktigaste förändringen ligger i själva den nya luftmassan. Den kallare och fuktigare luften gör att moln kan bildas i rökplymen på mycket lägre nivåer.

Vidare, säger Kevin, "när de två luftmassorna möts så här... skapar det ett ögonblick där det är noll vind, eller mycket svaga vindar, och detta gör att plymen kan resa sig riktigt högt."

Att lägga ihop allt, förändringen i vindriktningen ger en större och hetare eld med en mycket kraftigare plym, den minskade vindhastigheten gör att plymen växer sig högre och den svalare och fuktigare luften som dras in i plymen gör att moln kan bildas på lägre höjder.

Värmer upp Briggs ekvationer

De senaste fyra åren, Kevin har undersökt dessa molnsystem för att bättre förstå dynamiken i grundläggande plymhöjning. Han bygger på forskning från nästan 70 år sedan.

"På 50- och 60-talen fanns det ett utbrett intresse för att förstå hur plymer stiger upp från skorstenar eftersom det fanns allvarliga luftkvalitetsproblem i städer runt om i världen, säger Kevin.

Ingenjörer ville se hur höga rökstaplar behövde vara för att säkerställa att luften medvind var ren. Utan datorer, de hittade enkla lösningar baserade på observationer, men deras ekvationer var ofta felaktiga.

Dock, Briggs ekvationer baserade på komplex vätskedynamik (första gången publicerad 1975) var förvånansvärt enkla och exakta och idealiska för pyroCb-problemet.

En enkel uträkning

Syftet är att hålla det enkelt, Kevin mäter det totala värmeflödet som går in i en rökplym.

"Eldgemenskapen talar om eldkraft. Detta är i grunden den hastighet med vilken energi, i form av värmen, går in i plymen eller rinner upp genom plymen, säger Kevin.

"Vad vi gör är att beräkna den minsta brandkraft som krävs för att pyroCb ska bildas.

"Vi kallar detta pyrocumulonimbus firepower threshold (PFT), och det kan i princip reduceras till en funktion av tre variabler."

Den första är höjden som plymen måste stiga till innan molnet kommer att bildas med tillräckligt med energi för att generera ett åskväder – den fria konvektionshöjden (Z).

Den andra är medelvinden i skiktet under den fria konvektionshöjden - vindhastigheten för blandade skikt (U).

Den tredje är temperaturökningen. Det är så mycket varmare rökplymen behöver vara än luften i det blandade lagret (∇T).

Det ser ut så här:

PFT=0,3×(Z^2)×U×∇T

Det producerade värdet är i gigawatt när Z anges i kilometer, U är i meter per sekund och ∇T är i ℃. Det är en teoretisk minsta mängd energi som en brand behöver producera för att en pyroCb ska utvecklas.

Bekämpa bränder med ekvationer?

Kevin erkänner att varje eld är unik.

"Dock, om vi producerar prognoskartan för PFT varje timme... kan du se dessa fläckar eller regioner med lågt värde – vilket motsvarar högt hot – röra sig genom landskapet."

Prognosmakare kan använda dessa kartor för att identifiera riskområden.

"De kan se att de kan ha ett problem vid 16-tiden vid en viss brand eftersom det är en vindförändring som kommer igenom. Om det finns ett ganska lågt värde på PFT på den vindförändringen, vi måste se upp för det, " säger Kevin.

Järn i elden

Under de kommande sex månaderna, Kevin kommer att tillämpa PFT på väderdata från de senaste 30 åren för att se om väderförhållandena förändras för att göra pyroCb-förhållandena mer gynnsamma.

"För bara några år sedan pyroCb-händelser var extremt sällsynta, " säger Kevin. "Förra året, vi hade 15 i östra Victoria mellan januari och mars. Och detta har helt överträffats av de siffror vi har sett i sydöstra Australien sedan oktober."

För forskare, det är en möjlighet att undersöka hur och varför det händer oftare.

För brandmän, att förstå oförutsägbarheten av bränder när dessa system utvecklas är avgörande.

"Det fortsätter att förvåna mig att dessa bränder kan producera den verkligt enorma mängd energi som behövs för att generera ett pyrocumulonimbusmoln, " säger Kevin. "Potentialen för förstörelse är enorm."

Den här artikeln dök upp först på Particle, en vetenskapsnyhetswebbplats baserad på Scitech, Perth, Australien. Läs originalartikeln.