Flammer begynder at stige. Mike Heck springer tilbage. Slæderne slikker opad, svæver i vinden og samles derefter sammen i en hvirvel af flamme, en glødende tornado, der hvirver i orange og rød. ”Der går det!” Siger en tilskuer. En anden fløjter forbløffet.
Men ingen er bekymret. Heck satte ilden bevidst og antændte en væskepande på gulvet i et rum foret med betonblokke for at indeholde flammerne. En sugehætte overhead forhindrer røg i at bøje ind i nærliggende klasseværelser.
Hecks vejleder, brandforsker Michael Gollner fra University of Maryland i College Park, trylle regelmæssigt frem sådanne flammende søjler, kendt som ildkurve, i sit laboratorium. (Gollner og kolleger udforsker videnskaben om disse fænomener i den årlige 2018- gennemgang af væskemekanik .) Fra dem og fra andre fyrrige eksperimenter sigter han mod at lære, hvordan flammer intensiveres og spreder sig, når byer og landskaber brænder. Gollners mål er bedre at forstå, hvad der driver ild til at springe vej fra hus til hus og fra træ til træ.
At indsamle ny indsigt i brandadfærd er blevet mere presserende, efterhånden som ildebrande er blevet mere ekstreme, især i det vestlige Nordamerika. Fra midten af 1980'erne blev store vilde brande pludselig meget mere almindelige i vestlige amerikanske skove, især i de nordlige Rocky Mountains. For nylig har skove i det nordvestlige Stillehav været den største stigning i skovbrændstørrelser med en næsten 5.000 procent stigning i forbrændingsareal fra 2003 til 2012 sammenlignet med gennemsnittet 1973–1982. Landsdækkende er det gennemsnitlige areal, der er brændt i årene siden 2000, næsten det dobbelte af det årlige gennemsnit for 1990'erne.
Og lige i de sidste to år har flere dødbringende infernos forbrændt dele af Californien. Mere end 5.600 bygninger brændte til jorden i og omkring Santa Rosa i oktober 2017. Sidste juli i Redding skabte en tårnhøst af varm luft og aske en spændende “firenado” som den i Gollners laboratorium - men meget større og grimmelig nok at dræbe en brandmand. Den samme måned brændte brande et stort areal i Mendocino og tre andre amter. Fire måneder senere døde 85 mennesker i lejrbålet i paradis, mange af dem forbrændte, mens de forsøgte at undslippe bålet i deres biler.
Record-Breaking Ravages
Alt i alt satte statens nylige brande rekorder for Californiens største, dødeligste og mest destruktive vilde brande. ”Naturen har givet en forbløffende rækkefølge af begivenheder, der hver for sig overgår den forhenværende, ” siger Janice Coen, en atmosfærisk videnskabsmand, der studerer vilde ild ved National Center for Atmospheric Research i Boulder, Colorado. Hun og andre spørger sig selv: ”Er dette anderledes end fortiden? Hvad sker der her?"
Det samlede antal af alle amerikanske vilde brande viser en samlet stigning i de sidste par årtier, selvom der er meget variation fra år til år. Samlede hektar brændt i disse ildebrande viser en lignende, hvis lidt mere dramatisk, opadgående tendens. Undersøgelser, der har fokuseret på vestlige amerikanske vilde brande, har vist en klar stigning i antallet af store brande. (National Interagency Coordination Center / Kendeligt magasin) Mange faktorer har drevet denne hidtil uset udvidelse af ødelæggelse af vilde ild. Tiår med refleksivt slukning af brande, så snart de antændte, har tilladt, at ildebrændende buske og træer samles i uforbrændte områder. Klimaændringer bringer varmere temperaturer, mindre regn og snepakke og flere chancer for brændstof til at tørre ud og brænde. (Menneskeskabte klimaændringer er blevet skylden for næsten fordobling af skovområdet, der blev brændt i det vestlige USA siden 1984.) I mellemtiden flytter flere mennesker ind i vilde områder, hvilket øger chancen for, at nogen vil antænde en ild eller være i skade, når man begynder at vokse.
Coen og andre videnskabsfolk tapper fysik for at hjælpe med at afsløre, hvad der får en almindelig flamme til at eskalere til en episk megafire. For at gøre dette kører nogle forskere til kanterne af vilde brande og undersøger deres hemmeligheder med laser- og radarudstyr, der kan se gennem de bølgende røgskyer. Andre har udviklet banebrydende modeller, der beskriver, hvordan flammer løber hen over landskabet, drevet ikke kun af brændstof og terræn, men også af, hvordan ilden og atmosfæren føder tilbage på hinanden. Og endnu andre, som Gollner, udtænker laboratorieeksperimenter for at finde ud af, hvorfor et hus kan antænde, mens dets nabo forbliver uskadd.
Sådanne fund kan vise, hvordan folk bedre kan forberede sig på en fremtid med mere intense ildebrande, og måske hvordan brandmænd mere effektivt kan bekæmpe dem.
Brandvejr
Når det kommer til at kæmpe blæser, ”er der meget afhængighed af, hvad folk har set brande gøre i fortiden, ” siger Neil Lareau, en meteorolog ved University of Nevada, Reno. ”Den personlige dybe oplevelse er virkelig værdifuld, men den går i stykker, når atmosfæren går ind i det, jeg vil kalde outlier-tilstand - når du skal se noget, du aldrig har set før.”
Så Lareau arbejder for at indsamle information om brande, når de udfolder sig, i håb om en dag at kunne levere specifikke advarsler til brandmænd, når de kæmper mod flammerne. Han forstår faren mere end mange akademiske forskere gør: Han tilbragte tre somre på at forsøge at komme så tæt på ildebrande som han kunne, som en del af det berømte brandmeteorologi-forskerteam ledet af Craig Clements fra San Jose State University i Californien.
Ligesom stormchasers, der forfølger tornadoer på Midwest-sletterne, skal brandchasers være forberedt på noget. De gennemgår brandmandstræning, lærer, hvordan man kan forudse, hvor ildledningen kan bevæge sig, og hvordan man installerer et brandly i en nødsituation. De registrerer sig i det føderale nødadministrationssystem, så de officielt kan inviteres til områder, hvor offentligheden ikke kan gå. Og de rejser med en sofistikeret laserscanningsmaskine på bagsiden af en af deres lastbiler for at trænge ind i asken og røgstrålerne stiger op fra en aktiv ild.
”Bare i kraft af at rette vores laser på tingene, begyndte vi at se ting, som folk ikke tidligere havde dokumenteret, ” siger Lareau. Tidlige opdagelser inkluderer, hvorfor en brandspume spreder sig, når den stiger, mens røget luft skubbes udad og klar luft foldes indad, og hvordan roterende søjler af luft kan dannes inden i skubben. ”Der er dette fascinerende miljø, hvor ild og atmosfæriske processer interagerer med hinanden, ” siger han.
Pyrocumulonimbus-skyer dannes og nærer varmen, der stiger fra et ildebrand eller vulkanudbrud. Når en røgstrøm stiger op, afkøles den og udvides, så fugtigheden i atmosfæren kondenseres til en sky, der kan skabe lyn eller endda ildsteder - i det væsentlige et tordenvejr født af ilden. (Bureau of Meteorology, Australia / Knowable Magazine) Et af de mest dramatiske eksempler på ”brandvejr” er tordenvejr-lignende skyer, der kan vises højt over en ild. Kaldte pyrocumulonimbus skyer, de dannes når der er relativt høj luftfugtighed i atmosfæren. En aske og varm luft stiger hurtigt op fra ilden og ekspanderer og afkøles, når den bliver højere. På et tidspunkt, typisk ca. 15.000 fod højt, afkøles det nok, at vanddamp i luften kondenseres til en sky. Kondensationen frigiver mere varme i rosten, genopfrisker den og genererer en lys hvid sky, der kan tårne op til 40.000 fod høj.
Under skybasen kan luft skynde sig opad i hastigheder, der nærmer sig 130 miles i timen, drevet af konvektion inden i skummet, har San Jose State-teamet opdaget. Jo mere ilden vokser, jo mere luft trækkes ind i opdateringen, hvilket intensiverer hele forbrænding. Og i sjældne tilfælde kan det endda spawn en flammende tornado nedenfor.
Fødsel af en fyrrig tornado
Lareau så en firenado-form næsten i realtid under Carr-branden nær Redding i juli 2018. I dette tilfælde var han ikke i nærheden med en laser i sin lastbil, men sad ved en computer og så på radardata. Vejrradarer, ligesom dem, der bruges til din lokale prognose, kan spore hastigheden på små partikler som aske, der bevæger sig i luften. Da Carr-ilden udviklede sig, trak Lareau radardata fra en militærbase næsten 90 miles fra den voksende brand. Ved at se, hvordan asken bevægede sig i modsatte retninger på forskellige niveauer i atmosfæren, kunne han se, hvordan den atmosfæriske rotation inden i skummet blev mindre og intensiveret. Ligesom kunstskatere, der trækkede deres arme ind under en drejning, trak rotationen sig sammen og skyndte sig op for at danne en sammenhængende hvirvel - et tornado indlejret i den større askeskum.
Lareau og kolleger skrev i december i Geophysical Research Letters om det er kun det andet kendte eksempel, efter en storm i 2003 i Australien, af en tornado, der blev dannet på grund af en pyrocumulonimbus-sky. Ilden giver den oprindelige varme, der genererer skyen, der derefter genererer tornadoen. ”Den dynamik, der fører til rotationskollaps, drives ikke bare af ild, de er også drevet af selve skyen, ” siger Lareau. ”Det er virkelig det, der er anderledes ved denne sag sammenlignet med din mere havevarmebrandvirvel.”
Forestil dig en twister midt i en forbrænding, og det er let at se, hvorfor Carr-ilden var så ødelæggende. Med vindhastigheder på over 140 miles i timen bankede brandtornadoen ned elektriske tårne, pakket et stålrør omkring en kraftstang og dræbte fire mennesker.
Denne pyrocumulonimbus sky brølede til eksistens over Willow-ilden nær Payson, Arizona, i 2004. Nedenfor er den mørke røgstrøm; ovenfor er den overraskende hvide sky af kondenserede vanddråber. (Eric Neitzel / Wikimedia Commons) Forudsigelse af Flames 'næste træk
Den slags ødelæggelse er det, der driver Coen til at model opbrande. Hun voksede op lige uden for Pittsburgh, datter af en brandmand, og blev senere henrykt af, hvordan vinde, hvirvler og anden atmosfærisk cirkulation hjælper med til at sprede flammer. Afhængigt af hvordan luften flyder over landskabet, kan en ild skifte, hvor den bevæger sig - måske opdele i to dele og derefter fusionere igen eller sprænge små hvirvler eller hvirvler langs ildlinjen. ”Skovbrugere tænker på brande som brændstof og terræn, ” siger Coen. "For os som meteorologer ser vi en masse fænomener, vi genkender."
I 1980'erne og 1990'erne begyndte meteorologer at forbinde vejrmodeller, der beskriver hvordan luft strømmer over komplekst terræn med dem, der forudsiger brandopførsel. Et sådant system, en computermodel udviklet ved US Forest Service's Missoula Fire Sciences Laboratory i Montana, bruges nu regelmæssigt af føderale agenturer til at forudsige, hvor brande vil vokse.
Coen gik et skridt videre og udviklede en fælles atmosfære-og-ild-model, der inkorporerer luftstrøm. Det kan for eksempel bedre simulere, hvordan vinde hvirvel og bryde rundt om toppe i stejle terræn.
Hendes model blev chokerende reel den 8. november 2018, da hun skulle holde et foredrag, ”Forståelse og forudsigelse af vilde bål” på Stanford University. Natten før, mens hun arbejdede med sin præsentation, så hun rapporter om, at Pacific Gas and Electric Company overvejede at lukke udstyr i dele af Sierra Nevada foden, fordi der var forventet stærk vind.
Næste morgen gik hun til symposiet, men sad bagpå og søgte på Internettet og lytter til nødradiofeeds. Mens kollegerne talte, fulgte hun scannertrafik og hørte, at en brand havde antændt i Nord-Californien og spredt sig hurtigt mod byen Paradise. ”Det var da jeg var nødt til at starte med i min præsentation, ” siger hun. ”Jeg kunne fortælle ved vinden, hvor dårligt evakueringen gik, at det ville blive en frygtelig begivenhed. Men på det tidspunkt vidste vi ikke, at det ville være den mest dødbringende i Californiens historie. ”
De stærke vinde, hun havde hørt om, viste sig at være afgørende for, hvordan ilden spredte sig og indhyllede paradiset. Stærk nedkørselsvind pressede flammerne ind i den stærkt skovklædte by. Det var helt forudsigeligt i henhold til fysikken i hendes modeller, siger Coen: "En masse underlige ting giver mening, når du har kigget på disse finskala cirkulationer."
Et andet eksempel er Tubbs-ilden, der ødelagde Santa Rosa i oktober 2017 og brølede over 12 miles på lidt over tre timer. Coens modeller undersøger, hvordan luftstrømme kaldet Diablo-vindene bevæger sig over landskabet. Det viser sig, at et lag af stabil luft gled hurtigt over den komplekse topografi over Santa Rosa. Hvor det ramte bjergkanter genererede det bursts af højhastighedsvind. Overraskende nok kom vindudbruddene ikke fra de højeste toppe, men snarere et mindre sæt toppe, der var medvind. Placeringen af nogle af disse vindbølger, som nåede op til 90 mil i timen ifølge hendes model, svarer til hvor ilden antændes - måske på grund af elektrisk udstyr. Coen beskrev arbejdet i Washington, DC, i december på et møde i American Geophysical Union.
Coens modeller hjælper også med at forklare Redwood Valley-ilden, der startede i samme stormstorm som Tubbs-ilden. (Fjorten separate brande brød ud i Nord-Californien i løbet af 48 timer, da et vejrsystem med højt tryk inde i landet sendte Diablo-vinde, der stormede offshore.) Men i dette tilfælde var der en afstand på syv kilometer bred i bjergene, som vinden var i stand til at haste igennem, komprimere og fremskynde. Det var som en enkelt smal flod af vinde - som det ville være svært at få øje på med traditionelle vejr- eller brandprognoser, siger Coen. ”Hvis du kiggede på vejrdataene og så, at denne ene situation var usædvanlig sammenlignet med resten, ville dit sind have en tendens til at afvise det, ” siger hun.
Men prognoser er nødt til at være opmærksomme på disse blips af højhastighedsvindmåling. De kunne signalere, at der foregår noget meget lokaliseret - og meget farligt.
Fra gnist til forbrænding
Forskere som Coen sporer spredningen af en brands omkreds for at forudsige, hvor den aktive brandlinie kan bevæge sig. Men fysik kan også hjælpe videnskabsmænd med bedre at forstå en anden type brandudbredelse: hvad der sker, når vinden fanger gløder og hæver dem mil foran ildfronten. Når de lander, kan glørne undertiden ulme på plads i timevis, før de antændes en bunke med blade, et dæk eller noget andet brandfarligt. Det er et stort problem for brandmænd, der prøver at finde ud af, hvor de skal indsætte deres ressourcer - hvad enten de skal forblive på hovedbranden eller for at jage, hvor de tror, at brandbrande kan antændes.
For at få dette spørgsmål har Gollner tilbage på University of Maryland arbejdet på den lille skala, hvad det kræver for en ember at antænde. Hans laboratorium er i Afdelingen for Brandbeskyttelse, og det ser den del ud. Butan lightere fylder skuffer. En kasse med fyrretræs hviler på en hylde. Tykke brandbeskyttende handsker ligger ovenpå en afføring. Luften lugter mildt skarpt, ligesom den brand, der lige er slukket.
Langs den ene væg i laboratoriet, under en stor ventilationshætte, viser Gollner en metalkonstruktion lidt fladere og bredere end en skoboks. Det er her, han skaber en glød ved at antænde et korkformet stykke træ og sætte det ind i kassen. En ventilator blæser en konstant brise over det ulmende ildebrand, mens instrumenter under kassen måler temperaturen og varmestrømmen på den overflade, den sidder på. Med denne enhed kan Gollner undersøge, hvad det kræver for glør at generere nok varme til at starte en bygningsbrand. ”Der er foretaget en masse undersøgelser på senge med græs og fine ting, ” siger han. ”Vi ønskede at forstå, hvordan antænder det dit dæk, dit tag eller din struktur?”
Det viser sig, at en enkelt ember eller en håndfuld gløder ikke kan opbygge så meget varme, hvis den lander på et materiale som et dæk eller et tag. Men læg et eller to dusin glemmer i Gollners enhed, og varmefluxen går dramatisk op, rapporterer han og hans kolleger i March Fire Safety Journal . ”Du begynder at have genstråling imellem dem, ” siger han. ”Det gløder under vinden - det er bare smukt.”
University of Maryland brandforsker Michael Gollner demonstrerer en enhed, der tester, hvordan brand spreder sig i forskellige vinkler. Når han løfter tændingsoverfladen fra vandret til skrå, reagerer flammerne forskelligt - information, som brandmænd kan bruge, når de kæmper med voksende brande. (Alexandra Witze) Bare en lille bunke glør kan generere cirka 40 gange den varme, du vil føle fra solen på en varm dag. Det er lige så meget opvarmning, og nogle gange mere, som kommer fra selve ilden. Det er også nok at antænde de fleste materialer, såsom træet på et dæk.
Så hvis der er en masse gløder, der flyver foran en brand, men disse gløder lander relativt langt fra hinanden, opbygger de muligvis ikke den strålingsvarme, der er nødvendig for at generere en brandbrand. Men hvis glørene hoper sig op, måske blæses af vinden i en spalte på et dæk, kan de ulme sammen og derefter udløse en antændelse, siger Gollner. De fleste hjem, der brænder i det vildt-bymæssige grænseflade tænder fra disse gløder, ofte timer efter, at selve brandfronten er passeret.
At forstå varmestrømmen på disse små skalaer kan belyse, hvorfor nogle huse brænder, mens andre ikke gør det. Under Tubbs-ilden blev boliger på den ene side af nogle gader ødelagt, mens dem på den anden side næppe havde nogen skade. Det kan skyldes, at det første hus, der antændte udstrålte energi til sin nabo, som derefter brændte nabohuse som domino på grund af den strålende varme. Når huse er tæt pakket sammen, er der kun så meget husejere kan gøre for at afbøde faren ved at rydde børste og brandfarligt materiale rundt om i huset.
Kontrollere udyret
Gollner - en californisk indfødt, der voksede op med at evakuere fra ildebrande - arbejder nu på andre aspekter af ildspredning, ligesom det, der kræves for et flammende stykke vegetation at bryde ud i høj vind og antænde andre buske modvind. Han studerer brandhvirvler for at se, om de kan bruges til at afbrænde oliesløg i havet, da hvirvler brænder olien hurtigere og mere rent end en ikke-beskyttende brand. Og han er i gang med et projekt om de sundhedsmæssige virkninger af indånding af ildebranden.
For øjeblikket håber han, at hans forskning kan hjælpe med at redde hjem og liv under en aktiv brand. ”Du vil aldrig gøre noget brandsikkert, ” siger han. ”Men når du gør det bedre, gør du en stor forskel.” Huse, der er bygget med skjolde mod gløder, der kommer ind gennem loftsåbninger, eller bruger antændelsesresistente materialer som asfalt i stedet for træspåner, kan være mindre tilbøjelige til at antænde end huse, der ikke er bygget til disse standarder. Hvis kun 10 hjem og ikke 1.000 antændes under en ildstorm, kan brandmænd muligvis bedre kunne styre den næste store forbrænding, siger Gollner.
Efterhånden som klimaet varmer og brande bliver mere ekstreme, ved brandforskere, at deres arbejde er mere relevant end nogensinde. De presser på for at gøre deres forskningsspørgsmål, hvor det tæller - i frontlinjerne med beredskabsembedsmænd. Coen arbejder for eksempel for at køre hendes ildspidsmodeller hurtigere end realtid, så når den næste store ild udbryder, kan hun hurtigt forudsige, hvor det kan gå i betragtning af vinden og andre atmosfæriske forhold. Og Lareau udvikler måder til at spore en ilds spredning på i nær realtid.
Han bruger vejrinformation som den jordbaserede radar, han brugte til at spore Carr firenado, samt satellitter, der kan kortlægge brandomkretsen ved at studere varme, der strømmer fra jorden. Til sidst vil han se et realtidsforudsigelsessystem for ildebrande som dem, der i øjeblikket findes for tordenvejr, tornadoer, orkaner og andre vejrbegivenheder.
”Advarslerne stopper ikke branden, ” siger Lareau. ”Men måske vil det hjælpe os med at beslutte, hvor vi skal tage disse beslutninger. Dette er miljøer, hvor minutter betyder noget. ”
Knowable Magazine er en uafhængig journalistisk indsats fra årlige anmeldelser. Alexandra Witze (@alexwitze) er en videnskabsjournalist, der bor i det vilde / urbane interface over Boulder, Colorado, hvor hun lejlighedsvis ser røg fra brande i nærheden.
