野火:燃烧背后的科学©美国农业部林业局

野火科学:计算机模型、无人机和激光扫描帮助火势蔓延,防止大范围的破坏

专家认为,随着干燥、炎热的天气成为常态,未来可能会有更多的野火肆虐。这就是为什么科学家们使用最新的技术来监测故意点燃的火灾。

6月的一个周四晚上,午夜过后,犹他州的研究人员仍在发送兴奋的电子邮件,互相更新当天的活动。在该州南部的Fishlake国家森林的一处偏远地区发生大火之后,该小组刚刚结束工作。它们还在嗡嗡作响。

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这不是野火。这是故意设定的。下午早些时候,点火直升机被派来开始燃烧。犹他大学大气科学家亚当·科昌斯基(Adam Kochanski)观看了火焰的展开。

他回忆说:“当时有两架带着所谓的火炬的直升机——有点像火焰喷射器——悬挂在飞机下面。”“他们来回飞行,最重要的是一些地勤人员拿着手电,他们也在地面纵火。”

花了一段时间来才能去,但一旦它做到了,火灾速度快,沉重地烧了几个小时,消耗了八公里的国家森林,然后才进入夜晚。

燃烧的野心

对科昌斯基来说,这是一个测试他一直在研究的东西的独特机会。

在火灾发生前几个小时,他坐在电脑前,用他正在开发的模型试图预测火灾的结果。他表示:“这是我们第一次能够在这个领域初始化这些预测,就在一个荒无人烟的地方——一切都在忙碌中,都在你的笔记本电脑上。”

与此同时,其他研究人员正在使用装有红外摄像机、激光扫描技术和分布在森林周围塔楼上的仪器的无人机来跟踪火灾的各个方面、从火灾中冒出的烟雾以及风速等当地条件。这是一个大实验。

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但这不仅仅是一个大实验。也许你想知道为什么在国家森林里放火是可以的,即使是以科学的名义。事情并不是这样的。协助协调该小组的密歇根理工大学科学家南希·弗兰奇解释说,不管怎样,火灾还是发生了。这在林业中被称为“规定的火灾”或“控制燃烧”,旨在实现某些生态目标。在这种情况下,这是为了恢复栖息地。这场大火是经过精心策划的,并设法为年轻的白杨树让路,这些树被麋鹿吃草。

弗伦奇说:“这个地区曾经是过熟的云杉,现在他们将真正鼓励它变成麋鹿更喜欢的栖息地。”。“这就是火灾的原因,我们作为科学家所做的就是在火灾的基础上进行。”

事实上,这位科学家们没有在发生火灾的情况下或当火灾发生的情况下有很多说法。通过规定的火灾,这是“烧伤老板” - 在制定这些类型的火灾方面经历的人 - 谁负责决策。

首要目标是安全:如果有任何干旱或危险燃烧条件的迹象,火灾将被取消。只有在条件一是安全的,二是有可能实现生态目标的情况下,燃烧老板才会竖起大拇指。事实上,在6月的Fishlake大火中,燃烧的决定是在一段时间的大雪之后做出的,当时“燃料”——火灾科学家称之为树木以及其他燃烧的物质——已经足够干燥。

在主要火灾发生前的几天,点火火炬被用来制造较小的火灾
在主要火灾发生前的几天,点火火炬被用来制造较小的火灾

当火势明显时,科学家们带着仪器来研究火势的各个方面。一支先遣队在火灾发生前已经查看了“燃料”,随后将再次返回,查看燃烧的是什么。然后有研究人员参与研究火灾本身的行为,监测烟羽和烟雾的化学成分。“这是一个相当大的行动,”弗伦奇说。

除了科学家、林业工作人员和安全协调员,甚至还有人专门负责消除冲突——基本上就是确保无人驾驶飞机不会与直升机同时启动。

那么科学家们走出了这么巨人的火焰?根据法国人,它需要六个月到一年才能真正解开结果,但希望他们将拥有丰富的实验数据,并提供新一代火灾和烟斗的模型。

一架直升机在曼宁溪上空盘旋,点燃了一处大火
一架直升机在曼宁溪上空盘旋,点燃了一处大火

这些尖端型号 - 被称为“耦合火灾 - 大气模型” - 将与火灾的信息与当地天气状况结合起来,以产生更准确的森林火灾预测。正如司令士解释所示,目前的模型不考虑火灾本身如何影响天气。

他说:“对于野火来说,有如此多的能量,以至于大火可以产生自己的天气。”“所以它改变了当地的风,它改变了温度,它可以产生巨大的云。它可以产生降水,仅仅是因为火带来的水分。”

灭火器

两周后,大燃烧后,Kochanski分享了他在Skype的鱼饼中为火灾创建的预测。它有点粗糙:从上面的火灾的二维渲染,叠加在森林的地图上,少量箭头指向风的方向。

火是灰色的,有一个蓝色的漂流水坑,应该代表烟羽。当科昌斯基运行模拟时,羽流增长和扩散,然后后退,然后消失。在这里,模型预测会下雨,而这正是事实。燃烧了两个小时后,雨来了,火熄灭了。

从表面上看,这个模型似乎运行得很好。研究小组甚至能够根据模型对烟雾去向的预测,决定在不被烟熏的情况下从何处观察火灾。但据科昌斯基说,艰苦的工作还没有开始。

对于荒地火灾,火灾可以产生自己的天气

所有现场收集的数据都必须纳入模型中,以观察它是否能够捕捉到燃烧的真实细节——烟羽的高度,火灾强度等等。新的数据将帮助研究小组进行一些改进,使其工作得更好,这意味着它将产生更精确的模拟,并最终更好地预测未来的火灾。

French说:“这实际上是在更新用于使模型更好运行的知识。”。她解释说,现在可用的一些传感技术远比用于通知旧型号的技术复杂。

And there are plans to collect yet more data this autumn using one of NASA’s sub-orbital ER-2 planes, a so-called flying laboratory stacked with sensors, as well as a DC-8 passenger plane that will fly through the smoke plume collecting data about its chemistry. It all sounds like first-class science, but the project has struggled due to budget cuts.

从法国人的角度来看,他们现在拥有高质量的数据,但如果他们找不到额外的资金,利用这些数据可能是一项吃力不讨好的任务。甚至Kochanski也承认,在他弄清楚如何支付之前,从Fishlake进行模拟可能是一个爱好项目。

尽管资金被削减,但在Fishlake火灾现场的许多科学家还是掏出了自己的腰包来到现场,这充分说明了他们相信这项工作的价值。部分原因在于改进模型对于预测野火行为的重要性。

从森林火灾中飙升到窒息云中,以获得烟雾样品,然后可以进行化学分析
从森林火灾中飙升到窒息云中,以获得烟雾样品,然后可以进行化学分析

根据美国国家森林管理局的统计,在过去的十年里,每年大约有1.6万到4万平方公里的美国土地被野火吞噬国家机构间消防中心,造成了总计50亿美元(40亿英镑)的经济损失。去年,加州遭遇了其历史上最大、最致命的野火,其中一场发生在该州北部杀死至少85人.从全球来看,这些数据同样令人恐惧。

Kochanski说,他们的实验是在拥有所有必要的火灾和天气监测设备的情况下,最接近真实野火的实验。“你可以想象,如果加利福尼亚州某个地方发生火灾,就没有办法安装足够的传感器。时间不够,存在安全问题,甚至不允许任何人靠近火灾周边。因此,对于野地火灾来说,这是不可能的。”

在火焰之前

虽然野火可能在距离最近的气象站100公里的地方发生,但Fishlake的火灾区域有自己的几个气象站。基于这些更详细的数据,应该可以建立模型和工具,帮助人们做出如何扑灭野火的决定。它可以帮助消防员了解火灾可能的表现,这样他们就能领先一步。

改进后的模型还意味着可以更好地预测烟雾可能会在何时何地扩散。Kochanski建议,早期预警系统可以给社区更多时间作出反应,确保弱势群体远离烟雾。例如,学校可以被警告在课间休息时间让孩子呆在室内。

目前,在烟雾已经在他们的房子里漂流时告诉人们留在家里的情况下,为时已晚,因为他们已经制定了计划。但是,如果您可以先提供此信息,“Kochanski说:”如果您可以告诉别人,“嘿,明天下午4点和下午5点之间,您将被熏制出来,因此只计划”,这是一个不同的故事。“

但这并非所有人。对消防建模的改进也可以帮助像那些在鱼饼上进行规定的烧伤的人那样帮助林业工人。设置火灾通常不是精确的科学。大多数时候,Kochanski说,“他们只是通过他们的胆量” - 虽然基于大量经验。他们从未有这种新实验提供的数据水平。它可以完全改变游戏,帮助他们更有效地燃烧以满足他们的生态目标。在鱼饼上,这可能会为麋鹿锻炼。

一旦你欣赏在这个实验上骑的一切,这并不难看看为什么科学家们如此渴望,或者在这一切都去计划时它们是如此抽水。但这只是烟火部分。对于kochanski,它是数据收集的性质,使这个项目“绝对独特”。所以这是分析的细节,应该证明它的价值。这部分,似乎,可能更慢烧伤。

热点问题

野火在全世界造成广泛的破坏

  • 13,131- 西班牙2006 - 2015年之间的平均年森林火灾数。一半以上被认为是由纵火派开始的。
  • 9,500.–2018年7月俄罗斯森林火灾产生的烟雾所经过的距离(以公里为单位)。烟雾到达了格陵兰岛。
  • 14,000–2018年加利福尼亚州火灾高峰期同时部署扑救森林火灾的最大消防员人数。
  • 540–2018年德国Treuenbrietzen森林大火中从家中疏散的人数。
  • $ 26m.-一家棕榈油公司因烧毁特里帕森林10平方公里而被罚款。在特里帕森林,老虎、大象、犀牛和猩猩仍在共存。
  • 41,000- 2015年美国森林大火面积(平方公里)这是自有记录以来美国因火灾造成的最大年度损失。
  • 39米- 每年森林火灾释放的甲烷数量。甲烷是一种比二氧化碳更有效的温室气体。
  • 25.- 在2013年澳大利亚州矿区火灾期间,速度,以km / h在澳大利亚燃烧的速度。它燃烧了450万平方公里。


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