När skogsbrandsfronter går fram genom landskap eller samhällen på marken, de attackerar också från ovan, skjuter upp salvor av glödande glöd i luften. Även känd som brandmän, dessa fläckar av brinnande skräp kan glida i upp till 40 kilometer (ungefär 24 miles) innan de landar och kan orsaka upp till 90 % av hem- och företagsbränderna under skogsbränder.

Vägledning för att avvärja glödangrepp är sparsam, till stor del för att så lite är känt om glödens beteende. Men ett nytt instrument, dubbade en emberometer, kunde ge en glimt av deras sanna natur. I en tidning publicerad i Experiment i vätskor , forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) visar upp verktygets förmåga att karakterisera glödens storlek och bana, som kan ge insikter om deras hotnivå. Med NISTs nya verktyg, brandingenjörer kan vara bättre rustade för att skydda byggnader från glöd och kan producera data för att stödja kostnadseffektiv vägledning i byggregler.

De farliga förhållandena där glöden uppstår och deras till synes slumpmässiga natur har gjort mätningen av dem till en uppförsbacke. Ett sätt att gå till har varit att samla upp glöd från vattenfyllda kastruller, som gör det möjligt för forskare att räkna och dimensionera upp glöd efter att en brand har slocknat, men det målar långt ifrån en fullständig bild av vad som händer under glödexponeringar, där strukturer vimlas av flammande skräp.

Eftersom glöden agerar så oregelbundet, att mäta hur deras beteende förändras från en sekund till en annan medan de fortfarande är i luften är avgörande. NIST-förbränningsspecialisten Nicolas Bouvet och hans kollegor byggde det nya instrumentet för att göra just det.

Emberometern består av ett metallstativ, formad som ett stort H på sin sida, med pek-och-skjut digitalkameror fästa i änden av var och en av dess fyra armar. Forskarna designade den för att användas på mer än en kilometers avstånd och bäddade in dess elektroniska komponenter i brandsäkra material för att göra systemet utplacerbart under eldiga förhållanden.

Genom en metod som kallas partikelspårningshastighet, glödmätaren använder data från sina fyra perspektiv för att spåra vägen för starkt upplysta föremål (som glöd) när de passerar genom ett 2 kubikmeter (mer än 70 kubikfot) lådformat utrymme framför enheten. Systemet fångar också silhuetterna av varje glöd från fyra olika vinklar och slår samman perspektiven för att digitalt rekonstruera deras 3D-former.

Emberometern gjorde kort med de första experimenten, varav några testade enhetens förmåga att spåra brinnande träpinnar fästa vid änden av en roterande metallarm, och för att uppskatta storleken på små plastkulor som forskarna tappade framför kamerorna, sa Bouvet. Med de enkla testerna bakom sig, forskarnas nästa drag var att ta reda på om enheten kunde sätta siffror på riktiga glöd.

I NIST:s National Fire Research Laboratory - ett utrymme där experiment som involverar intensiva lågor kan utföras på ett säkert sätt - satte författarna upp emberometern medvinds av en eldbrandsgenerator som kan producera glödskurar i större skala.

På mindre än en minut, glödmätaren observerade hundratals glöd som snurrade förbi med hastigheter som varierade från tiotals till hundratals centimeter per sekund. Verktyget spårade de rörliga partiklarna och reproducerade deras former i 3D, som förut. Forskarna kontrollerade glödmätarens storleksarbete genom att samla glöd som hade fallit ner i vattenfyllda kastruller under experimentet och jämförde de sprutade träbitarna med sina digitala motsvarigheter.

"Emberometern jämför mycket bra med det som direkt samlas upp i vattentrågarna, " sa Bouvet. "Jag är mycket säker på spårningen, och för storleken är vi nöjda."

På grund av mängden och komplexiteten hos data som fångas av emberometern, att jämföra olika glödexponeringar kan vara en utmaning, även om uppgifterna är korrekta. Forskarnas lösning är ett visuellt hjälpmedel som kallas en brandros, som sammanfattar egenskaperna hos en exponering genom att paketera information om antalet och orienteringen av glöden genom rum och tid i en graf.

De potentiella fördelarna med emberometern är mångfaldiga. Ingenjörer kan lägga till djup till den grunda poolen av data om verkliga glödexponeringar genom att ta verktyget utomhus och även använda det för att säkerställa att glöd som produceras i labbet matchar fältmätningar.

I sista hand, mer verklighetstrogna glödexponeringar kan leda till bättre forskning om glödsäkra material, potentiellt leda till bättre skydd för strukturer under skogsbränder.

Mer utomhusforskning skulle också kunna göra begränsningsinsatser mer kostnadseffektiva, om forskare som använder glödmätare kopplar glödhotsnivåer till miljöförhållanden, som intensiteten av torka eller vind. Dessa data kan ge information om nya byggnormer och standarder som ger brandsäkerhetspersonal vägledning om att välja en skyddsgrad som är lämplig för de omgivande förhållandena.

"Vi vill kunna titta på bränsletypen, topografi och väder, och har en uppfattning om hur allvarlig en glödexponering kan vara för en struktur, Bouvet sa. "Byggnormer kan använda den informationen för att ge dig råd om hur du härdar din struktur. Om du är någonstans mitt på en gräsplan, det kommer inte att bli samma sak som om du är omgiven av höga träd."

NIST-teamets nästa steg är att ge sitt system en touch av artificiell intelligens. Eftersom enheten bara har fyra ögon, den kan inte alltid urskilja varje detalj i ett föremåls form. Men med maskininlärning, emberometern kunde fylla i döda fläckar, förbättra dess storlek rekonstruktionsmått.

Strax efter, forskarna planerar att provköra emberometern ute i naturen, där den kan möta glöd som föds ur verkliga – om än kontrollerade – vildmarksbränder. Genom att lära sig lektioner på fältet, teamet skulle kunna skärpa sin design ytterligare, förbereda glödmätaren för utbredd användning.