Under den rökiga sommaren 2018, två skogsbränder i Utah County brände sammanlagt 121, 000 hektar, skickar rök in i Wasatch-frontens dalar. Atmosfärsforskare arbetar alltid för att bättre förutse hur rök rör sig från bränder, precis som de arbetar med att förutse orkaner och snöstormar.

Men bränderna 2018 gav en unik möjlighet för forskare. Tvärs över Wasatch-fronten, både forskare och samhällsmedlemmar har tillräckligt med luftkvalitetssensorer för att ge en högupplöst bild av hur röken rörde sig genom dalen – perfekt för att testa och förfina rökprognosmodeller.

"Denna prognos skulle likna hur vi skulle förutsäga regnigt väder eller klara förhållanden, " säger Derek Mallia, forskarassistent vid institutionen för atmosfärsvetenskap, "förutom att vi nu kan göra det för rök."

Mallia och hans kollegor, inklusive forskare från Institutionen för kemiteknik och School of Computing, publicerade sina resultat i Journal of Geophysical Research-Atmospheres.

Ett luftkvalitetsnätverk

Luftkvalitet är ett högt prioriterat ämne för Utahns. På grund av Salt Lake Valleys bergiga geografi, området upplever temperaturinversioner vintertid som fångar luftföroreningar och utsläpp, resulterar ofta i ohälsosamma luftförhållanden. Forskare, speciellt de i U, har fokuserat på att förstå och mäta luftförhållandena i dalen genom ett nätverk av sensorer av forskningskvalitet. De har också placerat sensorer på fordon som rör sig genom dalen:TRAX light rail, Google StreetView-bilar och en skåpbil som kärleksfullt heter "NerdMobile".

Medlemmar i samhället har också sina egna sensorer. Kerry Kelly, biträdande professor i kemiteknik, och kollegor har utvecklat lågkostnads ​​sammankopplade partikelsensorer som underhålls av husägare i hela Salt Lake Valley, förbättra upplösningen av mätningar. Lågkostnadssensornätverket kallas Air Quality och du, eller AQ&U. Luftföroreningar fördelas inte jämnt, och alla dessa sensorer tillsammans hjälper forskare att förstå var, när och varför av förorenad luft.

Modellering rök

Under Utahs somrar, dock, en temperaturinversion är inget problem. Men rök från västerländska skogsbränder är det.

"Från en praktisk synvinkel, rök är ännu en variabel som vi måste ta hänsyn till i en väderprognos, Mallia säger. "Lika som hur oroligt väder som snö eller åskväder kan påverka våra vardagliga aktiviteter, rök kan också spela en viktig roll." Särskilt sårbara, han säger, är personer med astma eller andra luftvägs- eller hjärt-kärlsjukdomar. Rök kan också påverka rekreation. "Vem vill åka på sightseeing när Utah är täckt av rök?"

Modeller som förutsäger rökrörelser måste valideras, eller jämfört med observationer, för att se till att de simulerar rökförhållanden med rimlig noggrannhet. Men när skogsbränder inträffar på avlägsna platser, det begränsade antalet luftkvalitetssensorer är vanligtvis inte tillräckligt för att utvärdera modeller. Det är där Salt Lake Valleys luftkvalitetsnätverk kommer in.

Vad nätverket såg

Under brandsäsongen 2018, nästan 60, 000 bränder brände nästan 9 miljoner hektar, inklusive fler än 18, 000 hem, över hela USA. Efter månader av varma och torra förhållanden, bränderna i Pole Creek och Bald Mountain brände tillsammans nästan 121, 000 hektar i centrala Utah. Röken fyllde Wasatch-frontens dalar, som lyckligtvis var välutrustade med luftkvalitetsinstrument. När bränderna var säkert släckta, forskarna såg en vetenskaplig möjlighet.

Mallia, Kelly, U forskningsassistent Logan Mitchell och kollegor inklusive professor Adam Kochanski från San Jose State University och professor Jan Mandel från CU Denver, tittade på data som kom tillbaka från sensorerna – både sensorerna av forskningskvalitet och lågkostnadsversionerna hemma hos människor. Deras resultat visade att mätningar av partiklar i luften med lågprissensorer var exakta inom 10 % av mätningarna på närliggande sensorer av forskningskvalitet.

Rökprognoser från modellen fångade tidpunkten för rökens ankomst, men inte mängden – forskarna fann att prognosen överskattade mängden rök med en faktor två. Det resultatet hjälper forskarna att sedan gå tillbaka till modellen och ta reda på varför så att nästa version kan bli mer exakt.

Resultaten gav också en del insikter i hur bergsdalarna kan skingra röken. "Till exempel, Mallia säger, "vi fann att kanjonvindar under natten kan filtrera renare bergsluft in i dalen, det är därför vi såg mindre förorenad luft nära dalbänkarna."

Samhällets värde

Mallia säger att sensorerna på TRAX-tåg var ovärderliga för att täcka mer mark än en stationär luftmonitor, och att engagemang från samhällsmedlemmar, med sensorer runt sina hem, var nyckeln till att utöka studieområdet ytterligare.

"Det finns mycket utrymme i dalen som är privatägt, så att få allmänheten involverad är det enda sättet att vi korrekt kan prova olika områden i Salt Lake Valley, ", säger han. "Detta tillåter oss att prova fler punkter i dalen och ger oss större självförtroende när det gäller att identifiera styrkorna och svagheterna i våra rökprognoser."

Tyvärr, han lägger till, rökiga dagar kommer att bli vanligare i framtiden. Klimatförändringar förväntas göra varma och torra förhållanden mer sannolika, vilket är det perfekta receptet för fler och intensiva skogsbränder. Prognoser kan inte hindra röken från att komma lika mycket som väderprognoser kan förhindra snöstormar eller orkaner – men de kan hjälpa oss alla att hålla oss informerade och förberedda.