Επιστήμη των πυρκαγιών:μοντέλα υπολογιστών, drones και σάρωση λέιζερ βοηθούν στην ανάφλεξη των φλόγων και στην πρόληψη εκτεταμένων καταστροφών

Τα περασμένα μεσάνυχτα μιας Πέμπτης το βράδυ του Ιουνίου, ερευνητές στη Γιούτα εξακολουθούν να στέλνουν ενθουσιώδη μηνύματα ηλεκτρονικού ταχυδρομείου, ενημερώνοντας ο ένας τον άλλον για τη δράση της ημέρας. Η ομάδα μόλις τελείωσε μετά από μια τεράστια φωτιά που έπληξε μια απομακρυσμένη περιοχή του Εθνικού Δρυμού Fishlake στα νότια της πολιτείας. Και εξακολουθούν να βουίζουν.

Αυτό δεν ήταν πυρκαγιά. Είχε τεθεί επίτηδες. Νωρίς το απόγευμα στάλθηκαν ελικόπτερα ανάφλεξης για να ξεκινήσουν το έγκαυμα. Ο ατμοσφαιρικός επιστήμονας του Πανεπιστημίου της Γιούτα, Άνταμ Κοτσάνσκι, παρακολούθησε τις φλόγες να ξετυλίγονται.

«Υπήρχαν δύο ελικόπτερα με τους λεγόμενους πυρσούς ελικοπτέρων –κάτι σαν φλογοβόλα– μόλις κρεμασμένα από κάτω», θυμάται. «Πετούσαν εμπρός και πίσω, και επιπλέον υπήρχαν κάποια πληρώματα εδάφους με φακούς χειρός και άναψαν επίσης φωτιές στο έδαφος.»

Χρειάστηκε λίγος χρόνος για να ξεκινήσει, αλλά μόλις το έκανε, η φωτιά έκαιγε γρήγορα και βαριά για μερικές ώρες, καταβροχθίζοντας οκτώ χιλιόμετρα εθνικού δάσους προτού σβήσει μέχρι τη νύχτα.

Φλεγόμενη φιλοδοξία

Για τον Kochanski, αυτή ήταν μια μοναδική ευκαιρία να δοκιμάσει κάτι πάνω στο οποίο εργαζόταν.

Λίγες ώρες πριν από το έγκαυμα, καθόταν στον υπολογιστή του, χρησιμοποιώντας ένα μοντέλο που έφτιαχνε για να προσπαθήσει να προβλέψει πώς θα σβήσει η φωτιά. «Ήταν η πρώτη φορά που καταφέραμε να αρχικοποιήσουμε αυτές τις προβλέψεις στο πεδίο, ακριβώς στη μέση του πουθενά – τα πάντα εν κινήσει και στον φορητό υπολογιστή σας», λέει.

Εν τω μεταξύ, άλλοι ερευνητές χρησιμοποιούσαν drones εξοπλισμένα με κάμερες υπέρυθρης ακτινοβολίας, τεχνικές σάρωσης λέιζερ και όργανα σε πύργους διάσπαρτους γύρω από το δάσος για να παρακολουθούν κάθε πτυχή της φωτιάς, τον καπνό που βγήκε από αυτήν και τοπικές συνθήκες όπως η ταχύτητα του ανέμου. Ήταν ένα μεγάλο πείραμα.

Διαβάστε περισσότερα σχετικά με τις φυσικές καταστροφές:

• Οι κύριοι των φυσικών καταστροφών
• Πυρκαγιές:παρελθόν, παρόν και μέλλον – Καθ. Andrew Scott

Όχι όμως μόνο ένα μεγάλο πείραμα. Ίσως αναρωτιέστε γιατί είναι εντάξει να ανάψετε μια φωτιά σε ένα εθνικό δάσος, ακόμα κι αν είναι στο όνομα της επιστήμης. Λοιπόν, δεν είναι μόνο αυτό που συνέβη. Όπως εξηγεί η Nancy French, επιστήμονας του Michigan Tech University που βοήθησε στο συντονισμό της ομάδας, η φωτιά συνέβαινε ούτως ή άλλως. Ήταν αυτό που είναι γνωστό στη δασοκομία ως «προδιαγεγραμμένη πυρκαγιά» ή «ελεγχόμενο έγκαυμα», κάτι που πρόκειται να επιτύχει κάποιο οικολογικό στόχο. Σε αυτή την περίπτωση, είναι για την αποκατάσταση του οικοτόπου. Η πυρκαγιά σχεδιάστηκε προσεκτικά και κατάφερε να ανοίξει τόπο για νεαρά δέντρα, τα οποία βόσκουν οι άλκες.

«Αυτή η περιοχή ήταν υπερώριμη ερυθρελάτη και τώρα θα την ενθαρρύνουν πραγματικά να μετατραπεί σε βιότοπο που είναι προτιμότερο για τις άλκες», λέει ο French. "Αυτός είναι λοιπόν ο λόγος για την πυρκαγιά και αυτό που κάναμε ως επιστήμονες ήταν να γελιόμαστε πάνω από αυτό."

Στην πραγματικότητα, οι επιστήμονες δεν είχαν πολύ λόγο για το πώς ή πότε έγινε η πυρκαγιά. Με τις προκαθορισμένες πυρκαγιές, είναι το «αφεντικό των εγκαυμάτων» – κάποιος έμπειρος στο να βάλει τέτοιου είδους πυρκαγιές – που είναι υπεύθυνος για τη λήψη αποφάσεων.

Ο νούμερο ένα στόχος είναι η ασφάλεια:εάν υπάρχουν σημάδια ξηρασίας ή επικίνδυνων συνθηκών καύσης, η φωτιά ακυρώνεται. Το αφεντικό καύσης δίνει τον αντίχειρα μόνο όταν οι συνθήκες είναι πρώτα, ασφαλείς και, δεύτερον, είναι πιθανό να επιτευχθούν οι οικολογικοί στόχοι. Στην πραγματικότητα, στην πυρκαγιά Fishlake του Ιουνίου, η απόφαση να καεί ήρθε μετά από μια περίοδο βαθέως χιονιού, όταν τα «καύσιμα» – αυτό που οι επιστήμονες της πυρκαγιάς αποκαλούν τα δέντρα, μαζί με άλλα υλικά που καίνε – ήταν αρκετά στεγνά.

Όταν ήταν σαφές ότι το έγκαυμα προχωρούσε, οι επιστήμονες ήρθαν, φορτωμένοι με όργανα, για να μελετήσουν κάθε πτυχή του. Μια ομάδα εκ των προτέρων είχε ήδη κοιτάξει τα «καύσιμα» πριν από τη φωτιά και θα επέστρεφε ξανά μετά για να δει τι κάηκε. Στη συνέχεια συμμετείχαν ερευνητές στη μελέτη του τρόπου συμπεριφοράς της ίδιας της φωτιάς, παρακολουθώντας το νέφος καπνού και τη χημεία του καπνού. «Είναι μια αρκετά μεγάλη επέμβαση», λέει ο French.

Εκτός από τους επιστήμονες, το δασικό προσωπικό και τους συντονιστές ασφαλείας, υπήρχε ακόμη και κάποιος που είχε το αφοσιωμένο καθήκον της αποσυμπλοκής - βασικά, διασφαλίζοντας ότι τα drones δεν θα έβγαιναν ταυτόχρονα με τα ελικόπτερα.

Τι πήραν λοιπόν οι επιστήμονες από αυτή τη γιγάντια φλόγα; Σύμφωνα με τον French, θα χρειαστούν έξι μήνες έως ένα χρόνο για να αποκαλυφθούν πραγματικά τα αποτελέσματα, αλλά η ελπίδα είναι ότι θα έχουν ένα πλούσιο σύνολο πειραματικών δεδομένων με τα οποία θα παρέχουν μια νέα γενιά μοντέλων συμπεριφοράς φωτιάς και καπνού.

Αυτά τα μοντέλα αιχμής - που ονομάζονται «μοντέλα συζευγμένης φωτιάς-ατμόσφαιρας» - θα συνδυάζουν πληροφορίες σχετικά με τη φωτιά και τις τοπικές καιρικές συνθήκες για να παράγουν πιο ακριβή πρόβλεψη δασικών πυρκαγιών. Όπως εξηγεί ο Kochanski, τα τρέχοντα μοντέλα δεν υπολογίζουν πώς η ίδια η φωτιά επηρεάζει τον καιρό.

«Για τις πυρκαγιές σε άγρια ​​εδάφη, υπάρχει τόση πολλή ενέργεια που η φωτιά μπορεί να δημιουργήσει τον δικό της καιρό», λέει. «Έτσι τροποποιεί τους τοπικούς ανέμους, αλλάζει τη θερμοκρασία, μπορεί να δημιουργήσει τεράστια σύννεφα. Μπορεί να προκαλέσει βροχόπτωση, μόνο και μόνο λόγω της υγρασίας που προέρχεται από τη φωτιά.»

Διακριτικό φωτιάς

Ένα δεκαπενθήμερο μετά το μεγάλο έγκαυμα, ο Κοτσάνσκι μοιράζεται την πρόβλεψη που έκανε για τη φωτιά στο Fishlake μέσω Skype. Είναι λίγο τραχύ:μια δισδιάστατη απόδοση της φωτιάς από ψηλά, πάνω από έναν χάρτη του δάσους, με μικρά βέλη που δείχνουν προς την κατεύθυνση του ανέμου.

Η φωτιά είναι γκρι και υπάρχει μια περιπλανώμενη λακκούβα μπλε που υποτίθεται ότι αντιπροσωπεύει το λοφίο καπνού. Καθώς ο Kochanski εκτελεί την προσομοίωση, το λοφίο μεγαλώνει και απλώνεται, μετά υποχωρεί, πριν εξαφανιστεί. Εδώ, το μοντέλο προέβλεψε ότι θα έπεφτε βροχή και αυτό ακριβώς συνέβη στην πραγματικότητα. Μετά από δύο ώρες καύσης, έφτασαν οι βροχές και η φωτιά έσβησε.

Εκ πρώτης όψεως, φαινόταν ότι το μοντέλο λειτούργησε καλά. Η ομάδα ήταν ακόμη σε θέση να αποφασίσει από πού θα έπρεπε να δει τη φωτιά χωρίς να καπνιστεί, με βάση τις προβλέψεις του μοντέλου τους σχετικά με το πού θα πήγαινε ο καπνός. Αλλά σύμφωνα με τον Kochanski, η σκληρή δουλειά δεν έχει ξεκινήσει ακόμα.

Όλα τα δεδομένα που συλλέγονται επί τόπου πρέπει να ενσωματωθούν στο μοντέλο για να διαπιστωθεί εάν είναι σε θέση να αποτυπώσει την πραγματική λεπτομέρεια του εγκαύματος – το ύψος του νέφους καπνού, την ένταση της φωτιάς και ούτω καθεξής. Τα νέα δεδομένα θα βοηθήσουν την ομάδα να κάνει κάποιες βελτιώσεις για να λειτουργήσει ακόμα καλύτερα, πράγμα που σημαίνει ότι θα πρέπει να παράγει μια πιο ακριβή προσομοίωση αλλά και, τελικά, καλύτερη πρόβλεψη για μελλοντικές πυρκαγιές.

«Ενημερώνει πραγματικά τις γνώσεις που χρησιμοποιούνται για να κάνουν τα μοντέλα να λειτουργούν καλύτερα», λέει ο French. Ορισμένες από τις τεχνολογίες ανίχνευσης που διατίθενται τώρα είναι πολύ πιο εξελιγμένες, εξηγεί, από ό,τι χρησιμοποιήθηκε για την ενημέρωση παλαιότερων μοντέλων.

Και υπάρχουν σχέδια για συλλογή ακόμη περισσότερων δεδομένων αυτό το φθινόπωρο χρησιμοποιώντας ένα από τα υποτροχιακά αεροπλάνα ER-2 της NASA, ένα λεγόμενο ιπτάμενο εργαστήριο στοιβαγμένο με αισθητήρες, καθώς και ένα επιβατικό αεροπλάνο DC-8 που θα πετάξει μέσα από τη συλλογή καπνού δεδομένα για τη χημεία του. Όλα ακούγονται σαν πρώτης τάξεως επιστήμη, αλλά το έργο έχει δυσκολευτεί λόγω περικοπών στον προϋπολογισμό.

Από την οπτική γωνία των Γάλλων, έχουν πλέον δεδομένα καλής ποιότητας, αλλά η χρήση τους θα μπορούσε να είναι άχαρη εργασία εάν δεν βρουν κάποια επιπλέον χρηματοδότηση. Ακόμη και ο Kochanski παραδέχεται ότι η επεξεργασία των προσομοιώσεων από τον Fishlake μπορεί να είναι ένα έργο χόμπι μέχρι να μπορέσει να καταλάβει πώς να το πληρώσει.

Παρά τις περικοπές χρηματοδότησης, πολλοί από τους επιστήμονες στο εργοτάξιο στη φωτιά του Fishlake πλήρωσαν από τις τσέπες τους για να βρεθούν εκεί, κάτι που λέει πολλά για το πόσο πολύτιμο πιστεύουν ότι είναι το έργο. Αφορά εν μέρει τη σημασία των βελτιωμένων μοντέλων για την πρόβλεψη της συμπεριφοράς των δασικών πυρκαγιών.

Την τελευταία δεκαετία, οι πυρκαγιές έχουν καταναλώσει περίπου 16.000 έως 40.000 τετραγωνικά χιλιόμετρα γης των ΗΠΑ κάθε χρόνο, σύμφωνα με στατιστικά στοιχεία του Εθνικού Κέντρου Πυροσβεστικών Υπηρεσιών, και προκάλεσαν οικονομικές απώλειες συνολικού ύψους 5 δισεκατομμυρίων δολαρίων (£4 δις). Πέρυσι, η Καλιφόρνια υπέστη τις μεγαλύτερες και πιο θανατηφόρες πυρκαγιές στην ιστορία της, με μια πυρκαγιά στα βόρεια της πολιτείας να σκοτώνει τουλάχιστον 85 ανθρώπους. Σε παγκόσμιο επίπεδο, τα στατιστικά είναι εξίσου τρομακτικά.

Ο Kochanski λέει ότι το πείραμά τους αντιπροσωπεύει το πλησιέστερο δυνατό για να φτάσει κανείς σε μια πραγματική πυρκαγιά, ενώ διαθέτει όλο τον απαραίτητο εξοπλισμό παρακολούθησης πυρκαγιάς και καιρού. «Μπορείτε να φανταστείτε ότι αν μια φωτιά βρυχάται κάπου στην Καλιφόρνια, δεν υπάρχει τρόπος να βάλετε αρκετούς αισθητήρες. Δεν υπάρχει αρκετός χρόνος, υπάρχουν ανησυχίες για την ασφάλεια και κανείς δεν πρόκειται να επιτραπεί καν να πλησιάσει τη φωτιά περίμετρος. Επομένως, για πυρκαγιά σε άγρια ​​περιοχή, είναι αδύνατο."

Μπροστά από τη φλόγα

Ενώ μια πυρκαγιά μπορεί να απέχει 100 χιλιόμετρα από τον πλησιέστερο μετεωρολογικό σταθμό, η περιοχή καύσης στο Fishlake είχε πολλούς δικούς της σταθμούς. Με βάση αυτά τα πιο λεπτομερή δεδομένα, θα πρέπει να είναι δυνατή η κατασκευή μοντέλων και εργαλείων που μπορούν να βοηθήσουν τους ανθρώπους που πρέπει να λάβουν αποφάσεις σχετικά με τον τρόπο καταπολέμησης των πυρκαγιών. Θα μπορούσε να βοηθήσει τους πυροσβέστες να γνωρίζουν πώς είναι πιθανό να συμπεριφερθεί η φωτιά, ώστε να είναι ένα βήμα μπροστά.

Τα βελτιωμένα μοντέλα θα μπορούσαν επίσης να σημαίνουν καλύτερες προβλέψεις σχετικά με το πού και πότε είναι πιθανό να πάει ο καπνός. Ο Kochanski προτείνει τα συστήματα έγκαιρης προειδοποίησης θα μπορούσαν να δώσουν στις κοινότητες περισσότερο χρόνο για να αντιδράσουν, διασφαλίζοντας ότι οι ευάλωτες ομάδες παραμένουν μακριά από τον καπνό. Τα σχολεία, για παράδειγμα, θα μπορούσαν να προειδοποιηθούν να κρατούν τα παιδιά μέσα στις ώρες του διαλείμματος.

Προς το παρόν, είναι περισσότερο μια περίπτωση να πούμε στους ανθρώπους να μείνουν στο σπίτι καθώς ο καπνός ήδη πέφτει πάνω από το σπίτι τους, όταν είναι πολύ αργά επειδή έχουν ήδη κάνει σχέδια. «Αλλά αν μπορείτε να παρέχετε αυτές τις πληροφορίες νωρίτερα», λέει ο Kochanski, «Αν μπορείτε να πείτε στους ανθρώπους, «ε, μεταξύ 16.00 και 5.00 μ.μ. αύριο, θα σας καπνίσουν, οπότε απλώς προγραμματίστε ανάλογα», αυτή είναι μια διαφορετική ιστορία. P>

Δεν είναι μόνο αυτό όμως. Οι βελτιώσεις στη μοντελοποίηση πυρκαγιάς θα μπορούσαν επίσης να βοηθήσουν τους δασοκόμους, όπως εκείνους που πραγματοποίησαν το προβλεπόμενο έγκαυμα στο Fishlake. Το να βάλεις φωτιά δεν είναι συνήθως μια ακριβής επιστήμη. Τις περισσότερες φορές, λέει ο Kochanski, «απλώς πηγαίνουν με τα ένστικτά τους» – αν και βασίζονται σε άφθονη εμπειρία. Δεν είχαν ποτέ το επίπεδο δεδομένων που παρέχει αυτό το νέο πείραμα. Θα μπορούσε να αλλάξει εντελώς το παιχνίδι, βοηθώντας τους να καούν πιο αποτελεσματικά για να επιτύχουν τους οικολογικούς τους στόχους. Κάτι που, στο Fishlake, θα μπορούσε να λειτουργήσει καλά για τις άλκες.

Μόλις εκτιμήσετε όλα όσα ακολουθούν αυτό το πείραμα, δεν είναι δύσκολο να καταλάβετε γιατί οι επιστήμονες ήταν τόσο πρόθυμοι να προχωρήσει - ή γιατί ήταν τόσο ενθουσιασμένοι όταν όλα πήγαν σύμφωνα με το σχέδιο. Αλλά αυτό ήταν μόνο το μέρος της πυροτεχνίας. Για τον Kochanski, είναι η φύση της συλλογής δεδομένων που κάνει αυτό το έργο «απολύτως μοναδικό». Οπότε, είναι η σκληρή ουσία της ανάλυσης που πρέπει να αποδείξει την αξία της. Αυτό το μέρος, φαίνεται, θα μπορούσε να είναι περισσότερο αργό κάψιμο.

Πρόβλημα καύσης

Οι πυρκαγιές προκαλούν εκτεταμένες καταστροφές σε όλο τον κόσμο

• 13.131 - Ο μέσος αριθμός ετήσιων δασικών πυρκαγιών στην Ισπανία μεταξύ 2006-2015. Περισσότεροι από τους μισούς πιστεύεται ότι ξεκίνησαν από εμπρηστές.
• 9.500 - Η απόσταση που διανύθηκε, σε χιλιόμετρα, από τον καπνό από τις ρωσικές δασικές πυρκαγιές τον Ιούλιο του 2018. Ο καπνός έφτασε στη Γροιλανδία.
• 14.000 - Ο μέγιστος αριθμός πυροσβεστών που αναπτύχθηκαν ταυτόχρονα για την καταπολέμηση δασικών πυρκαγιών κατά τη διάρκεια της περιόδου αιχμής των πυρκαγιών στην Καλιφόρνια το 2018.
• 540 - Αριθμός ανθρώπων που εκκενώθηκαν από τα σπίτια τους στη δασική πυρκαγιά Treuenbrietzen του 2018 στη Γερμανία.
• 26 εκατ. $ - Πρόστιμο εταιρείας φοινικέλαιου για την καύση 10 τετραγωνικών χιλιομέτρων του δάσους Tripa, όπου εξακολουθούν να συνυπάρχουν τίγρεις, ελέφαντες, ρινόκεροι και ουρακοτάγκοι.
• 41.000 - Η έκταση, σε τετραγωνικά χιλιόμετρα, του δάσους των ΗΠΑ που κάηκε από πυρκαγιά το 2015. Αυτή είναι η μεγαλύτερη ετήσια απώλεια πυρκαγιάς στις ΗΠΑ από τότε που άρχισαν τα αρχεία.
• 39 μ - Η ποσότητα μεθανίου, σε τόνους, που απελευθερώνεται από τις δασικές πυρκαγιές κάθε χρόνο. Το μεθάνιο είναι πιο ισχυρό αέριο του θερμοκηπίου από το διοξείδιο του άνθρακα.
• 25 - Η ταχύτητα, σε km/h, της εξάπλωσης της πυρκαγιάς κατά τη διάρκεια της πυρκαγιάς στο State Mine, στην Αυστραλία, το 2013. Έκαψε 4,5 εκατομμύρια τετραγωνικά χιλιόμετρα.

Ακολουθήστε το Science Focus στο Twitter, το Facebook, το Instagram και Flipboard