Kredit:Pixabay/CC0 Public Domain
Wildfire har härjat i västra USA under det senaste decenniet. Över tre miljoner hektar har redan brunnit över hela landet i år. Eftersom bränder gnistrar tidigare och sträcker sig längre in på hösten varje år, förvandlas från "brandsäsonger" till "brandår", rapporterar National Interagency Fire Center att många regioner i västra USA visar en brandpotential över genomsnittet.
Från att förutsäga stora bränder till att förhindra framtida bränder, forskare vid Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) tar itu med problemet med allt mer intensiva skogsbränder från många vetenskapliga vinklar. Och de håller våra lampor tända under processen.
Bekämpa bränder... från rymden
Medan brandmän kämpade mot bränder vid frontlinjen 2021, hjälpte ett team av forskare från en unik utsiktspunkt:yttre rymden. PNNL-dataforskaren Andre Coleman leder RADR-Fire, satellitbildbehandlingssystemet som kartlägger aktiva bränder. RADR-Fire hjälper brandbekämpningspersonal, elnätsoperatörer och andra beslutsfattare att bättre förstå en brands beteende så att de kan göra välgrundade val mitt i en naturkatastrof.
Men det är också ett planeringsverktyg. Samma information som samlas in av RADR-Fire-systemet kan hjälpa elnätsoperatörer att bedöma risker genom att identifiera områden som är mest benägna för skogsbränder och vilken energiinfrastruktur som behöver skydd. Sensorer som åker ombord på många olika satelliter – en av dem en experimentell sensor ombord på den internationella rymdstationen – ger en vidsträckt utsikt över jordens yta.
Vissa satellitbaserade sensorer kan avslöja var bränslet är starkt, som områden med torr, tätt packad vegetation. Andra visar var sårbar infrastruktur, som transmissionsledningar eller elstationer, hamnar inom en brands väg. Colemans team har arbetat med brandmän för att lägga till nya funktioner till systemet, som möjligheten att flagga var brandhämmande droppar har landat. När brandmän bekämpar bränder på marken ger RADR-Fire värdefull information från ovan.
Konventionella brandkartläggningstekniker involverar nattlig flygbild ombord på brandbekämpningsflygplan. Wildfire-analytiker bearbetar bilder efter att flygplanet återvänt till basen, och ritar ofta eldens förskjutande gränser för hand baserat på flygbilderna. Dessa kartor hjälper beslutsfattarna inom brandbekämpningen att allokera begränsade resurser och strategiskt hantera branden. Men den kostsamma processen tar ofta timmar, utsikten kan skymmas av tjocka rökmoln och dåligt väder kan jorda flygplan, som ofta inte är tillgängliga när flera bränder kräver uppmärksamhet.
RADR-Fire utför uppgiften snabbt och mer rättvist. Där brandobservationsflygplan ofta är dedikerade till de största och farligaste bränderna, kan RADR-Fire bedöma mindre skogsbränder som sällan får lite uppmärksamhet från flygplan, oavsett om de rör sig mot städer eller rör sig genom obebodda landsbygder. Dess sensorer kan titta genom rök och upptäcka värme, och visar exakt var och hur heta eldar brinner även när sikten är låg.
RADR-Fire är dock inte ett enpunkts universalmedel. Kartläggningsförmågan är bara ett avgörande verktyg bland många, menat att stödja pågående hantering av skogsbränder. Idag använder Coleman och hans team ett liknande satellitnätverk för att dela säsongsbetonade, kortsiktiga prognoser om brandrisk med elbolag. Genom att bearbeta sensordata fokuserade på vegetation kring energiinfrastruktur kartlägger Coleman "bränslelandskapet" och flaggar särskilt vattensvälta områden som är rika på torrt, brandbeständigt bränsle.
"Dessa säsongsprognoser är verkligen en förlängning av vårt RADR-Fire-arbete", sa Coleman. "I sin kärna handlar RADR-Fire om att övervaka aktiva skogsbränder. Men vi har utökat våra verktyg med hjälp av satellitfjärranalys för att nu förstå tillståndet för bränslen, så att vi får den mest aktuella och uppdaterade bilden av vad som händer."
Colemans team hjälper verktyg att identifiera andra nätrelaterade risker. Om en transformatorstation eller en kraftledningskorridor är omgiven av torra borstar och luftfuktigheten är låg, kan de flagga inte bara den brandrisken, utan också effekten av en regional strömavstängning. Verktygen måste förstå konsekvenserna av strömavstängningar för en mängd olika tjänster, inklusive sjukhus, vårdcentraler, polisstationer, vattenrening och leverans med mera.
Stoppa bränder innan de börjar
Tekniker som skogsgallring och kontrollerad förbränning kan hjälpa till att tämja framtida bränder innan de antänds. Lågorna stannade till exempel precis när de träffade Yosemites sequoia tidigare i somras – något som parkchefer tillskriver kontrollerade brännskador. PNNL:s chefsforskare Mark Wigmosta utvecklade ett nytt verktyg tillsammans med U.S. Forest Service (USFS) för att hjälpa statliga myndigheter att veta var de ska gallra eller applicera kontrollerade brännskador. I vissa fall minskar dessa tillvägagångssätt brandriskerna med 25–96 procent.
Teamet tog in på Wenatchee-regionen i delstaten Washington, som gör anspråk på den största skogsbranden i statens historia, och arbetade för att se hur olika markanvändningsmönster kan göra detta område mer motståndskraftigt mot både skogsbränder och klimatförändringar.
"Genom att efterlikna naturen och lägga till komplexitet till landskap, hjälper det till att förhindra framtida bränder från att komma utom kontroll", säger Wigmosta.
Med cirka 500 miljoner hektar offentliga, privata, statliga och stamskogar som stöds av USFS-ledningen, har det varit en utmaning att prioritera vilka områden som ska fokusera dessa ansträngningar med begränsade resurser.
Tillvägagångssätt som Wigmosta erbjuder också andra fördelar, som att minska röken från framtida bränder med 33 procent och till och med stärka strömflödet med 7 till 10 procent.
"Den här informationen kommer att hjälpa markförvaltare att utforma en väg framåt för att rikta sina resurser för de största vinsterna – oavsett om det är minskade utsläpp av skogsbränder, förbättrad långsiktig kolbindning eller till och med ökat strömflöde", säger Wigmosta.
Förutsäga morgondagens skogsbränder
Många av de myndigheter som har anklagats för att flagga brandrisker förlitar sig på välkända brandväderfaktorer för att uppskatta faran. Kör genom en offentlig skog och du kanske ser ett färghjul som indikerar risken för brand:grönt när risken är låg, röd när faktorer som höga temperaturer och starka vindar pekar på ökad fara. Men skogsbränder – och alla variabler som formar deras intensitet – är mer komplexa än så.
Några grundläggande faktorer som temperatur och vindhastighet kan ge en grov uppskattning av risken. För att få en mer robust och korrekt bild av bränders beteende nu och i framtiden måste vi dock överväga mer.
Det är därför atmosfärsforskaren Ruby Leung ledde ett team av forskare i att designa ett nytt tillvägagångssätt för att projicera beteende vid skogsbränder. Ett nytt par modeller tar hänsyn till en utökad lista med 28 "skogeldsprediktorer" som projicerar beteenden vid skogsbränder nu och, när de paras ihop med modeller som uppskattar klimatförändringar, flera decennier in i framtiden.
Vegetationens torrhet, luftfuktigheten, antalet människor som bor i närheten – dessa och andra variabler kan ge en mer fullständig bild av hur sannolikt det är att en brand slår till, hur långt den brinner och hur mycket rök den släpper ut i. atmosfären.
Att projicera hur brandutsläppen ökar och minskar i morgondagens klimat var det ursprungliga målet med arbetet, sa Leung, som började i samarbete med Environmental Protection Agency och fick ytterligare stöd genom HyperFACETS, ett klimatvetenskapligt projekt sponsrat av Department of Energy's Office of Science . Även om framtida brandbeteende kommer att variera beroende på region, förväntas brandutsläppen öka.
"Vissa platser kommer att se en större ökning av brandutsläppen, medan andra kommer att se mindre," sa Leung. "Men överlag kommer hela USA att se ökande brandutsläpp i framtiden. Och det drivs av varmare temperaturer och ökande torrhet."
Det nya tillvägagångssättet använder artificiell intelligens för att peka ut vilka variabler som är viktigast för att förutsäga brännområde och röknivåer. Precis som ett artificiellt intelligent system skickligt kan sortera bilder av katter och hundar, så kan det också sortera vilka brandförutsägande variabler som är nyckeln för skickliga förutsägelser.
Föga överraskande är bränsletorrhet och bränslebelastning de främsta bidragsgivarna. Men vädermönster som utvecklas över år kan också öka risken avsevärt. Sådana mönster beaktas vanligtvis inte i konventionell brandbeteendemodellering.
Att spåra brandutsläppsnivåer är viktigt för dess utbredda risk för människors hälsa, sade Leung. Men den betydelsen kommer bara att växa när bränder brinner starkare.
"När vi tänker på föroreningar," sade Leung, "tänker vi ofta på utsläpp från bilavgaser eller från förbränning av fossila bränslen. Ändå kan föroreningar från utsläpp från skogsbränder överträffa dessa två och bli den största källan till föroreningar i framtiden när utsläppen från brand ökar samtidigt som antropogena utsläpp kommer att dämpas."
När forskare målar upp allt mer genomgripande bilder av morgondagens skogsbränder är det många som gynnas. Verksamhetsoperatörer är bättre rustade att skydda energiinfrastruktur från naturkatastrofer, beslutsfattare är mer informerade när de hanterar reaktioner på ett förändrat klimat, och forskarvärlden har en större förståelse för extremt väder. + Utforska vidare
