211service.com
Poznaj naukowców próbujących zrozumieć najgorsze pożary na świecie
Aktualizacja 47-letniego standardu przewidywania skutków pożarów nie będzie łatwa, ale uratuje życie. 16 grudnia 2019 r.
ogniste tornado Kristine Paulsen
Jason Forthofer walczył z Sunrise Fire w południowej Montanie przez ponad tydzień, kiedy popełnił największy błąd w swojej karierze. Pracował z zespołem na skraju pożaru, kopiąc okopy i kontrolowane odpalanie ognia w dusznym upale, kiedy usłyszał plotkę o pobliskiej chacie, która może wymagać ochrony.
Ciekawi i chętni do pomocy, Forthofer i jego kolega Kevin Beck pewnego ranka zarzucili swoje plecaki na ramiona i wspięli się starym szlakiem górniczym do pobliskiego lasu. Forthofer szedł pieszo, a Beck jechał czterokołowcem. Wkrótce przedzierali się przez zarośla, gałęzie zaczepiły ciężki materiał ich ognioodpornych płaszczy. Może nad głową było kilka chmur; jeśli tak było, Forthofer zignorował je. Meteorolog incydentu współpracujący z zespołem ostrzegał przez kilka dni o możliwych burzach – typowych dla lata w Montanie – ale żadna się nie pojawiła.
Kabina, kiedy ją znaleźli, znajdowała się około pół mili od drogi, chwiejną chałupę górniczą zmontowaną ze złomu i otoczoną daglezjami. Obejrzeli budynek: wyglądał, jakby ludzie byli tam niedawno, ale teraz nikogo nie było w domu. Wtedy Forthofer usłyszał dźwięk, od którego opadł mu żołądek: głęboki grzmot. Wierzchołki pobliskich drzew zaczęły się kołysać.
Beck wskoczył na swój czterokołowiec, a Forthofer pobiegł z nim, kierując się na drogę tak szybko, jak pozwalały na to gęste zarośla. Podjęli głupie ryzyko, ignorując prognozy – i wiedzieli o tym. Zbliżająca się burza mogłaby z łatwością wzniecić niebezpieczne wiatry, popychając w ich stronę niekontrolowany ogień z straszliwą prędkością.
Panika Forthofera narastała, gdy wzmagały się wiatry. Trzydzieści mil na godzinę. Potem 40. Kiedy zbliżyli się do drogi, rzucił się do biegu, wiedząc, że płomienie mogą go dosięgnąć w każdej chwili.
Spocony i wyczerpany, przerażony tym, co mogło się stać, Forthofer i Beck wrócili. Byli bezpieczni. Ale jedna myśl przewijała się w kółko w głowie Forthofera: Mogłem tam umrzeć. Tak umierają strażacy.
Jason Forthofer stoi na dachu laboratorium Missoula Fire Sciences. Kristine Paulsen
Wschód słońca był tylko jednym z 21 pożarów, które spłonęły w Montanie latem 2017 roku. Ale pożar został w większości ugaszony, gdy kilka tygodni później Forthofer usiadł przy swoim biurku i rozważył swoje doświadczenie z innej perspektywy. Kiedy nie walczy bezpośrednio z pożarami, Forthofer bada je, współpracując z grupą analityków, biologów, programistów komputerowych i inżynierów z Missoula Fire Sciences Lab w Montanie.
Jego podwójna rola – na linii frontu i jako naukowca – jest przykładem wyjątkowej pozycji laboratorium w walce z pożarami w Ameryce.
Ten kontekst jest krytyczny i nie jest to coś, co większość naukowców rozumie, mówi ekolog Matt Jolly, jeden z kolegów Forthofera. Próbują pisać o pożarze, piszą o pożarze korony [w koronach drzew]. I nigdy takiego nie widzieli!
Laboratorium Ognia jest prawdopodobnie najbardziej znane z programów komputerowych, które produkuje do prognozowania zachowań związanych z pożarami. W 1972 roku naukowiec Dick Rothermel zastosował serię prostych eksperymentów, aby stworzyć jeden z pierwszych modeli matematycznych, który mógł przewidzieć, jak może się rozprzestrzeniać pożar. Paląc paliwo w swoim tunelu aerodynamicznym, Rothermel kontrolował takie czynniki, jak prędkość wiatru, a następnie obserwował jego pożary, gdy narastały. Wykreślił wyniki na wykresie i wykorzystał dane do wydedukowania zestawu równań, które można zastosować do pożarów wszędzie. Nagle analitycy mogli przewidzieć sposób rozprzestrzeniania się pożaru – a wyniki zmieniły sposób myślenia ekspertów i interakcji z ogniem.
Matt Jolly obserwuje płonący w laboratorium ogień. Kristine Paulsen
Obecnie model Rothermel stanowi podstawę dla prawie każdego programu komputerowego używanego do analizy zachowań pożarów w Stanach Zjednoczonych. Ale chociaż jego prace były jak na tamte czasy zaawansowane, Rothermel nie wziął pod uwagę wielu czynników, które sprawiają, że pożary zachowują się inaczej w prawdziwym świecie niż w ograniczonym środowisku laboratorium. Jego badania zakładały na przykład, że igły sosnowe w płytkim złożu paliwowym palą się w taki sam sposób, jak te same igły ułożone znacznie wyżej. Modele takie jak Rothermel są naprawdę ważne tylko dla zakresu danych i eksperymentów, które przeprowadziłeś, mówi Forthofer. Poza tym zakresem nikt nie zgadnie, czy krzywa dalej się rozwija.
Aby to zrekompensować, analitycy zachowania ognia wprowadzili niemal niekończącą się serię poprawek i danych wejściowych do szkieletu Rothermel, aby mogli dokładniej przewidywać, jak poszczególny pożar będzie się rozwijał w ciągu godzin lub dni. Zawierają dane opisujące wszystko, od zbocza przez roślinność po charakterystykę baldachimu i czynniki pogodowe. Całość jest wyczynem technologicznym i pomysłowością, próbą przewidzenia czegoś, co przez wieki było tajemnicze i niepoznawalne.
Jednak dzisiaj, po dziesięcioleciach suszy i rosnących temperatur, potworne pożary na całym amerykańskim Zachodzie zwróciły uwagę na słabości systemu. Model Rothermel nie radzi sobie ze wszystkim, co rzuca na niego środowisko, od liczby martwych drzew stojących obecnie w lasach Ameryki po zmienne prędkości wiatru.
Portret Harry'ego T. Gisborne'a, pioniera badań nad pożarami lasów, wita odwiedzających, gdy wchodzą do laboratorium. Kristine Paulsen
Narzędzia nie zawsze są odpowiednie, wyjaśnia Forthofer. Prawie nigdy nie mają racji, nigdy nie mają racji. A kiedy się mylą, może to prowadzić do prawdziwych i poważnych konsekwencji: utraty pieniędzy, utraty domów lub – co najgorsze – utraty życia.
Tak więc, gdy piekło pożera dziesiątki tysięcy hektarów i zabija każdego roku więcej ludzi, Laboratorium Ognia próbuje zbudować zupełnie nowy model po raz pierwszy od pół wieku. Jest wiele do nadrobienia.
Pewnego popołudnia w lipcu 2019 r. Forthofer oprowadza mnie po laboratorium w towarzystwie swojego szefa, Marka Finneya. Dla Forthofera straż pożarna nigdy nie jest daleko — jego brat i żona byli strażakami, a wielu z jego przyjaciół nadal tak jest — a on ma solidną sylwetkę kogoś, kto regularnie wędruje ze 100-funtowymi paczkami. Dla kontrastu, Finney jest żylasty i kanciasty, ze srebrzystymi skroniami i ma tendencję do mówienia krótkimi seriami.
Począwszy od foyer budynku, obfituje w specyficzne akcenty. W recepcji stoi wypchana koza górska (proszę nie dotykać kozła, błaga o znak w pobliżu). Patchworkowa kołdra z motywem pożaru z 2010 roku upamiętnia 50. rocznicę powstania laboratorium.
Na zewnątrz chmury pędzą po równinach, ale nie wiedziałbyś o tym w przepastnej, pozbawionej okien przestrzeni laboratorium badawczego, którego wysokie ściany wewnętrzne wykonano z blachy falistej. Zatrzymujemy się przed ogromną płytą wypełnioną piaskiem, która, jak wyjaśniają Forthofer i Finney, jest w zasadzie gigantycznym palnikiem. Wskazują na niestandardowe dysze propanowe pod spodem, które pozwalają im precyzyjnie kontrolować intensywność płomieni i dokonywać dokładnych pomiarów podczas ich spalania.
Finney mówi mi, że laboratorium nazwało stół Big Sandy. (Podobne palniki nazwali Little Sandy i Big Bertha.) Jeden z charakterystycznych eksperymentów Big Sandy mierzy długość płomienia, temperaturę i ciśnienie w ogniu, który zaczyna się w linii prostej. Rzędy wyciętych laserowo tekturowych palców spalają się jeden po drugim w niemal płynnym ruchu, gdy linia płomieni o wysokości do 8 stóp rozpościera się na nich, tworząc falę wzniesień i dolin.
Pomiary przeprowadzone na Big Sandy wykazały, że te kształty są spowodowane zimnym powietrzem, które sporadycznie spycha płomienie w dół do złoża paliwa, napędzając proces spalania. Nagranie wideo poddane analizie śladu przepływu dodaje cienkie zielone linie, które ułatwiają śledzenie tego ruchu. Pokazuje, jak to zimne powietrze wiruje w serię małych wirów, gdy gazy przed płomieniami unoszą się i opadają, gdy się nagrzewają i ochładzają. Bez tego ruchu płomienie nie poruszałyby się naprzód, wyjaśnia Finney; po prostu unosiłyby się nad paliwem i w końcu znikały.
W biurze na końcu korytarza od Big Sandy analityk pożarowy Chuck McHugh przeprowadza mnie przez część swojej pracy. Modele, które mi pokazuje z poprzednich pożarów, wyglądają jak plątaniny czerwonych zawijasów i kolorowych plam nałożonych na mapy. W rzeczywistości, wyjaśnia, czerwone linie dokumentują możliwe ścieżki, którymi może obrać ogień; kolorowe kształty wskazują, ile godzin może zająć pożarowi rozprzestrzenienie się na ten obszar. Na niektórych mapach te plamy są otoczone bulgoczącymi punktowymi ogniskami, zapłonami, w których oprogramowanie odgadło, że iskry mogą odskoczyć od głównego ognia. Całość przypomina śluzowatą pleśń, organiczną i żywą – którą w pewnym sensie jest.
Wszędzie, gdzie idziemy, zespół stara się lepiej zrozumieć i przewidzieć zachowanie ognia. Na górze znajdują się tunele aerodynamiczne, w których Forthofer i jego koledzy rejestrują, w jaki sposób powietrze przy różnych prędkościach wpływa na pożary. Pokazuje również wysoki, czarny metalowy aparat, którego zakrzywiona podstawa generuje przepływ powietrza niezbędny do wytworzenia (i zbadania) 10-stopowych tornad ognia. Kończymy naszą wycieczkę w pomieszczeniu pełnym piankowo-metalowych urządzeń do mierzenia, jak ciepło przemieszcza się w powietrzu, aby zapalić nowe paliwo, gdy zaczyna się pożar. Całe miejsce, jak wyjaśniają, można ustawić na określoną temperaturę i wilgotność powietrza lub otworzyć do wentylacji w sytuacjach awaryjnych.
Finney mówi, że cała ta złożoność pokazuje, że praca Rothermel już nie wystarcza.
Mark Finney stoi przed Little Bertha, sprzętem, który pozwala naukowcom sprawdzić, jak ogień porusza się po zboczu. Kristine Paulsen
To, że masz model, mówi, nie oznacza, że coś rozumiesz.
Wildfire jest pełen procesów na małą skalę, takich jak wiry Big Sandy. Każda część badań, które podejmuje Laboratorium Ognia, jest próbą zbadania maleńkiej części dużego obrazu. Jest to szczególnie ważne w przypadku żywiołów, takich jak wiatr, który zarówno wpływa na zachowanie ognia, jak i pod jego wpływem. Model Rothermel, argumentuje Finney, nie zbliża się nawet do wyjaśnienia pętli sprzężenia zwrotnego i progów dziwnych zachowań w złożonym systemie, takim jak ten.
Chuck McHugh analizuje aktywność ognia i prawdopodobieństwo jego rozprzestrzeniania się. Jego kalkulacje określają, czy należy podjąć działania, czy w ogóle ich nie podejmować.
Dlatego szuka czegoś nowego: kompletnej teorii, która może wyjaśnić zachowanie ognia, a nie tylko go przewidzieć.
Pogoń za kompletną teorią ognia napędza prace Laboratorium Ognia w wielu obszarach, od dynamiki płynów i konwekcyjnego przenoszenia ciepła po czas rezonansu – okres, w którym cząsteczka paliwa, taka jak igła sosny, będzie nadal uwalniać energię po zapaleniu. Łącząc wszystkie te mniejsze modele, Forthofer i Finney mają nadzieję stworzyć większy, który może wyjaśnić te zjawiska w środowisku naturalnym.
Te same procesy fizyczne, które powodują rozprzestrzenianie się gigantycznego ognia w koronie z płomieniami o długości 200 stóp, są częścią małego ognia z płomieniem o długości jednej stopy rozprzestrzeniającym się w naszym tunelu, mówi Forthofer.
Biurko Finney jest dedykowane do ognia we wszystkich jego formach. Kristine Paulsen
Finney porównuje swoje zadanie do inżynierii wstecznej przepisu z ustalonej listy składników. On i jego koledzy złożyli już swoje podstawowe elementy: promieniowanie, konwekcja, paliwo, ciepło, tlen. Ale tak naprawdę nie mamy ilości każdego z nich ani kolejności każdego z nich ani instrukcji przygotowania, mówi.
Chociaż praca Rothermel wywarła ogromny wpływ, nie jest to jedyna gra w mieście. Kanada opracowała własny system Prometheus na początku XXI wieku. Tymczasem naukowcy z Australii używają własnych programów komputerowych, które pasują do dziwactw pożaru buszu w Outback. Model Rothermel pozostaje jednak standardem. Alen Slijepcevic, zastępca szefa Krajowego Urzędu Straży Pożarnej w australijskim stanie Victoria, z zainteresowaniem obserwował misję Missoula Fire Lab. Cała ta praca będzie miała bez wątpienia globalny wpływ, mówi.
Wewnątrz komory kondycjonowania Fire Lab, która jest kontrolowana temperaturowo i wilgotnościowo, gdzie do oparzeń wykorzystuje się precyzyjnie wykonaną aparaturę. Kristine Paulsen
W innym miejscu niektóre instytucje zastosowały inne podejście, znane jako obliczeniowa dynamika płynów (CFD), które modeluje ruch płynów i gazów. Technika dzieli obszar na siatkę małych jednostek i oblicza, w jaki sposób każdy element może wchodzić w interakcje z innymi. Wyniki mogą dokładniej naśladować rzeczywiste zachowanie ognia.
Kłopot polega na tym, że wymaga to znacznie większej mocy obliczeniowej niż program oparty na systemie Rothermel. Uruchomienie pojedynczego modelu CFD może zająć kilka dni: National Weather Service musi korzystać z superkomputerów, aby uruchomić modele CFD, które mogą przewidywać pogodę szybciej niż w czasie rzeczywistym. Sprawia to, że mało prawdopodobne jest, aby technologia ta w najbliższym czasie była wykorzystywana do przewidywania zachowań pożarów: gdy wybuchnie pożar, analitycy z pierwszej linii często przeprowadzają setki symulacji, pracując w odległych lokalizacjach, w których infrastruktura słabnie, a połączenia internetowe są słabe. Potrzebują programów, które można uruchomić na standardowym laptopie — i to szybko. W końcu, jak wyjaśnia matematyk National Institute of Standards and Technology Kevin McGrattan: Nie ma sensu mówić komuś, że huragan miał uderzyć w Nowy Orlean w zeszłym tygodniu.
Forthofer, Finney i ich koledzy mają nadzieję, że budowany przez nich model będzie reprezentował kompromis: wystarczająco inteligentny, aby dokonywać lepszych prognoz, z elementami podobnymi do CFD, które mogą uwzględniać czynniki takie jak turbulencje wiatru, ale wystarczająco prostym, aby działać w terenie.
McGrattan dostrzega potencjał modelu hybrydowego, chociaż dodaje istotne zastrzeżenie — że pierwszym krokiem musi być przeszkolenie większej liczby osób w zakresie korzystania z istniejących programów. Na niedawnym spotkaniu przedstawiciele Służby Leśnej powiedzieli mu, że modele oparte na Rothermel są używane głównie do wcześniej zaplanowanych, kontrolowanych oparzeń. Kiedy w Somewhere w Kalifornii rozpętuje się piekło, po prostu nie ma czasu, aby osoba z takim doświadczeniem w terenie kierowała modelem, powiedziano mu.
Potrzeba unowocześniania modeli pożarów pożarów wydaje się pilniejsza niż kiedykolwiek. W ostatnich latach w niektórych częściach amerykańskiego Zachodu, a także na całym świecie, coraz częściej szalały wielkie i okrutne pożary.
W Stanach Zjednoczonych liczba akrów spalanych rocznie przez pożary wzrosła o 500% od lat 70. XX wieku. W tej dekadzie w samych pożarach Kalifornii zginęły setki ludzi, a tysiące domów zostało zniszczonych. W 2018 roku, w najgorszym w historii sezonie pożarów, wielkie pożary, takie jak Carr Fire i Mendocino Complex Fire, zniszczyły w sierpniu miliony akrów; kilka miesięcy później pożar obozowy zabił co najmniej 86 osób i wymazał całe miasto Paradise .
Urządzenie o nazwie The Hibachi pozwala naukowcom przetestować, jak nagrzewają się różne próbki. Kristine Paulsen
Jednak zmniejszenie przepaści między modelem a rzeczywistością to dopiero pierwszy krok do rozwiązania tych katastrof.
Strażacy powoli ufają technologii w stosunku do tego, co zaobserwowali lub doświadczyli, zwłaszcza gdy stawką jest ich przetrwanie. Uczą się polegać na swojej intuicji, tak jak zrobił to Forthofer, kiedy odrzucił ostrzeżenia o burzach podczas Sunrise Fire. Jesteś zmuszony do podejmowania decyzji w sytuacjach, w których masz niepełną wiedzę – mówi. I nie jesteś do końca pewien wiarygodności rzeczy, które znasz.
Ale jak zauważa jego kolega z Fire Lab, Matt Jolly, może to mieć straszne konsekwencje, gdy warunki są tak ekstremalne, że nikt ich wcześniej nie widział. Kiedy doświadczenie zawodzi, narzędzia stają się coraz bardziej wartościowe – a wraz ze zmianą klimatu doświadczenie będzie zawodzić coraz częściej.
W świecie pożarnictwa za najgorszy przykład uważa się incydent z 2013 roku, który miał miejsce w Yarnell Hill w Arizonie. W czerwcu 19 strażaków zginęło, gdy wiatry zmieniły się dramatycznie przed burzą przewidzianą przez National Weather Service. W końcu znaleźli się w pułapce, co uczyniło Yarnell Hill najbardziej śmiercionośnym pożarem dla strażaków od 1933 roku. Wywołuje dreszcze w kręgosłupie, mówi Forthofer, zauważając podobieństwa do własnego doświadczenia. To nie powinno się zdarzyć.
Właśnie dlatego Jolly i Forthofer kładą nacisk na szkolenia i edukację, dzieląc się nowymi narzędziami z niezawodnymi strażakami, którzy wcześnie je stosują, którzy będą wspierać je w stosunku do innych. Przydaje się ich zdolność do przełączania kodów między żargonem badań akademickich a językiem batalionów hotshot.
W szczególności Jolly spędza dużo czasu na spotkaniach przy okrągłym stole z kierownikami ds. pożarów i dowódców incydentów, warsztatach dla analityków zachowań przeciwpożarowych i innych profesjonalnych szkoleniach, zadając pytania „Czego potrzebujesz? Co uczyniłoby to narzędzie lepszym?
Ten film z zapalaniem się gałęzi został przyspieszony 18-krotnie. Dzięki uprzejmości laboratorium przeciwpożarowego Missoula
W swoim biurze w Fire Lab, wyklejonym projektami artystycznymi córki i efemerydami z życia spędzonego na świeżym powietrzu, Jolly otwiera prezentację PowerPoint, której używa, by pochwalić się ofertą laboratorium. Siwiejące włosy opadają mu na czoło, gdy wielokrotnie przeciera oczy; wygląda trochę jak starsza gwiazda rocka rano po ciężkiej nocy. (Nie jest i nie jest.)
Pokazuje mi wielokolorową mapę opartą na systemie oceny zagrożenia pożarowego, który pomógł opracować. Obszary zielone reprezentują normalne warunki pogodowe, podczas gdy czerwienie reprezentują ekstremalne upały, wiatr lub suchość na poziomie obserwowanym przez zaledwie 3% dni w zarejestrowanej historii. Stworzył to narzędzie, aby zapobiec tragedii, która wydarzyła się w Yarnell Hill, mówi mi. Dwie trzecie wszystkich ofiar śmiertelnych pożarów na terenach dzikich ma miejsce w tych dniach, kiedy prawdopodobieństwo wystąpienia ekstremalnych pożarów jest największe.
Przegląda kilka z tych map, wskazując czerwone plamy. Oto warunki przed pożarem trawy w Oklahomie, który w ciągu jednego dnia rozprzestrzenił się na dziesiątki tysięcy akrów. Te czerwone plamy reprezentują obszary w Napa i Sonoma w czasie pożarów, które pochłonęły kraj winny w 2016 roku. Ta mała czerwona kropka obok Los Angeles oznacza Thomas Fire, pierwszy raz, kiedy strażacy w Kalifornii rozpalili pożar w Boże Narodzenie.
Kontynuuje pokaz slajdów, prowadząc mnie przez mapy największych ostatnich pożarów Kalifornii: pożaru Carra, pożaru kompleksu Mendocino, pożaru obozu, który zniszczył raj.
Gdy paliwo płonie w Małej Bercie, pokazuje falową formację, którą przyjmują płomienie. Kristine Paulsen
Więc byłeś w stanie stworzyć te mapy przy użyciu danych, które byłyby dostępne tego dnia? Pytam. Kręci głową. Same mapy były dostępne dla strażaków i analityków w te dni , zarówno zanim dotarli na miejsce, jak i kiedy tam byli, mówi mi.
A więc cały pomysł, że tego nie przewidzieliśmy lub że nas zaskoczyło… Przygryza wargę. Musimy to zrobić lepiej. Głębsze zrozumienie ognia lub nowy model — to bezsensowne osiągnięcia bez powszechnego przyjęcia, mówi. Jeśli to nie zmienia zachowania, są bezużyteczne.
Z komina wystrzeliwują iskry, które w naturze imitują ogień. Kristine Paulsen
W głębi korytarza Forthofer wyobraża sobie transformację kultury pożarniczej. Nauczenie zaktualizowanego modelu, nowej teorii, która naprawdę wyjaśnia, dlaczego i jak zachowuje się w określony sposób, może wywołać tę zmianę. Mogłoby to zapewnić jego współpracownikom nowy sposób rozumienia tego, co widzą. Z wystarczającym wysiłkiem może zapobiec bliskim wezwaniom, takim jak ten, które miał przy Sunset Fire, może chronić domy ludzi, a co najważniejsze, może ratować życie.
Jednak pomiędzy tym dniem a dniem dzisiejszym leży ta pora pożarów, następna i następna. Po drodze Forthofer spędzi lata na zwalczaniu pożarów, a zimy na mierzeniu ich w laboratorium z Finneyem. McHugh i jego koledzy analitycy będą nadal nakłaniać swoje modele do rzeczywistości, a Jolly będzie nadal podróżował po kraju, rozmawiając z gorącymi strzałami, dowódcami brygad i kierownikami zakładów użyteczności publicznej.
A pożary będą się powtarzać.
—Alissa Greenberg ( @alissaleeWites. ) jest niezależnym dziennikarzem, który relacjonuje na styku kultury, nauki, biznesu i spraw międzynarodowych.