NASA:s "Wildfire Digital Twin"-projekt kommer att utrusta brandmän och chefer för skogsbränder med ett överlägset verktyg för att övervaka skogsbränder och förutsäga skadliga luftföroreningshändelser och hjälpa forskare att observera globala bränder mer exakt.

Verktyget kommer att använda artificiell intelligens och maskininlärning för att förutsäga potentiella bränningsvägar i realtid, genom att slå samman data från in situ, luftburna och rymdburna sensorer för att producera globala modeller med hög precision.

Medan nuvarande globala modeller som beskriver spridningen av skogsbränder och rök har en rumslig upplösning på cirka 10 kilometer per pixel, skulle Wildfire Digital Twin producera regionala ensemblemodeller med en rumslig upplösning på 10 till 30 meter per pixel, en förbättring med två storleksordningar .

Dessa modeller kan genereras på bara några minuter. Som jämförelse kan nuvarande globala modeller ta timmar att producera.

Modeller med så hög rumslig upplösning som produceras med denna hastighet skulle vara oerhört värdefulla för första-responders och chefer för skogsbränder som försöker observera och begränsa dynamiska brännskador.

Milton Halem, professor i datavetenskap och elektroteknik vid University of Maryland, Baltimore County, leder Wildfire Digital Twin-projektet, som inkluderar ett team på mer än 20 forskare från sex universitet.

"Vi vill kunna förse brandmän med användbar information i rätt tid," sa Halem och tillade att på fältet, "det finns i allmänhet inget internet och ingen tillgång till stora superdatorer, men med vår API-version av modellen skulle de kunna kör den digitala tvillingen inte bara på en bärbar dator, utan till och med en surfplatta", sa han.

NASA:s FireSense-projekt är fokuserat på att utnyttja byråns unika geovetenskapliga och tekniska kapacitet för att uppnå förbättrad hantering av skogsbränder i hela USA.

NASA:s Earth Science Technology Office stöder denna ansträngning med sitt senaste programelement, Technology Development for support of Wildfire Science, Management, and Disaster Mitigation (FireSense Technology), som är dedikerat till att utveckla nya observationsmöjligheter för att förutsäga och hantera skogsbränder – inklusive teknologier som jorden System Digital Twins.

Earth System Digital Twins är dynamiska mjukvaruverktyg för modellering och prognoser av klimathändelser i realtid. Dessa verktyg förlitar sig på datakällor fördelade över flera domäner för att skapa ensembleprognoser som beskriver allt från översvämningar till hårt väder.

Förutom att hjälpa första responders skulle en Earth System Digital Twin dedikerad till att modellera skogsbränder också vara värdefull för forskare som övervakar trender för skogsbränder globalt. I synnerhet hoppas Halem att Wildfire Digital Twins kommer att förbättra vår förmåga att studera skogsbränder över globala boreala skogar av kallhärdiga barrträd, som binder stora mängder kol.

När dessa skogar brinner släpps allt kol ut i atmosfären igen. En studie, som släpptes i augusti 2023, fann att enbart boreala skogsbränder stod för 25 % av all global CO₂ utsläpp för det året hittills.

"Anledningen CO₂ Utsläppen från boreala skogsbränder sker i en ökande årlig takt beror på att den globala uppvärmningen ökar snabbare på höga breddgrader än resten av planeten, och som ett resultat av detta blir boreala somrar där längre, säger Halem. planeten kan ha värmts upp en grad Celsius sedan den förindustriella revolutionen, denna region har värmts upp långt över två grader."

Halems arbete bygger på andra löpeldsmodeller, särskilt NASA-Unified Weather Research and Forecasting (NUWRF)-modellen, utvecklad av NASA, och WRF-SFIRE, utvecklad av ett team av forskare med stöd från National Science Foundation. Dessa modeller simulerar fenomen som vindhastighet och molntäcke, vilket gör dem till den perfekta grunden för en Wildfire Digital Twin.

Specifikt arbetar Halems team på nya tekniker för att assimilera satellitdata som kommer att blanda information från rymdbaserade fjärrsensorer i deras Wildfire Digital Twin, vilket möjliggör förbättrade globala dataprognoser som kommer att vara användbara för både nödsituationer och vetenskapsuppdrag.

I oktober deltog Halems team i den första FireSense-fältkampanjen i samarbete med National Forest Service's Fire and Smoke Model Evaluation Experiment (FASMEE) för att observera rök när den reste mer än 10 miles under en kontrollerad bränning i Utah, med hjälp av en ceilometer. Nu matar teamet in den informationen i sin modellprogramvara för att hjälpa dem att spåra plymer mer exakt.

De är särskilt intresserade av att spåra partiklar mindre än 2,5 mikrometer, som är tillräckligt små för att passera genom en persons lungor och komma in i blodomloppet. Dessa partiklar, även kända som PM 2.5, kan orsaka allvarliga hälsoproblem även om en person inte är i närheten av en aktiv brännskada.

"När dessa bränder antänds och börjar brinna, producerar de rök, och denna rök färdas avsevärda sträckor. Det påverkar människor inte bara lokalt utan också på avstånd på tusentals kilometer eller mer", säger Halem.

Data från den kontrollerade bränningen kommer också att hjälpa Halem och hans team att kvantifiera förhållandet mellan aerosoler och nederbörd. Ökade aerosoler från skogsbränder har en enorm inverkan på molnbildning, vilket i sin tur påverkar hur nederbörd sker nedströms en påverkad brandbränna.

Att tillgodogöra sig all denna information när den strömmar från sensorer i realtid är avgörande för att detaljera den fulla effekten av skogsbränder på lokal, regional och global skala.

Tillhandahålls av NASA