Flammer begynner å stige. Mike Heck hopper tilbake. Nøretrene slikker seg oppover, vakler i vinden, samles deretter i en virvel av flamme, en glødende tornado som vrir seg i oransje og rødt. “Der går det!” Sier en tilskuer. En annen plystrer i forbauselse.
Men ingen er bekymret. Heck satte brannen bevisst og antennet en væskepanne på gulvet i et rom foret med betongblokker for å inneholde flammene. En sugehette overhead forhindrer røyk fra å bølges inn i klasserommene i nærheten.
Hecks veileder, brannforsker Michael Gollner ved University of Maryland i College Park, tryller regelmessig frem slike brennende søyler, kjent som brannhvirvler, i laboratoriet hans. (Gollner og kolleger utforsker vitenskapen om disse fenomenene i den årlige gjennomgangen av væskemekanikk i 2018.) Fra dem og fra andre brennende eksperimenter tar han sikte på å lære hvordan flammer intensiveres og spres når byer og landskap brenner. Gollners mål er å bedre forstå hva som driver ild til å hoppe vei fra hus til hus og fra tre til tre.
Å samle ny innsikt i brannadferd har blitt stadig mer presserende ettersom villbranner har blitt mer ekstreme, særlig i det vestlige Nord-Amerika. Fra midten av 1980-tallet ble store skogbranner plutselig mye vanligere i vestlige amerikanske skoger, spesielt i de nordlige Rocky Mountains. Nylig har skogene i det nordvestlige Stillehavet hatt den største økningen i brannstørrelser, med en nesten 5000 prosent økning i brenneområdet fra 2003 til 2012 sammenlignet med gjennomsnittet 1973–1982. På landsbasis er det gjennomsnittlige arealet som ble brent i årene siden 2000 nesten dobbelt så høyt som det årlige gjennomsnittet for 1990-tallet.
Og bare de to siste årene har flere dødelige infernoer forbrent deler av California. Mer enn 5600 bygninger brant til grunn i og rundt Santa Rosa i oktober 2017. I juli i Redding, i juli, skapte en ruvende varm luft og aske en spinnende “firenado” som den i Gollners laboratorium - men mye større og voldsom nok å drepe en brannmann. Samme måned brant branner et stort område i Mendocino og tre andre fylker. Fire måneder senere døde 85 mennesker i leiren brann i paradis, mange av dem forbrente mens de prøvde å unnslippe bålet i bilene deres.
Record-Breaking Ravages
Alt i alt satte statens nylige branner rekorder for Californias største, dødeligste og mest ødeleggende villbranner. "Naturen har gitt en forbløffende hendelsesrekkefølge, som hver har overgått den før, " sier Janice Coen, en atmosfærisk forsker som studerer villmarkbranner ved National Center for Atmospheric Research i Boulder, Colorado. Hun og andre spør seg selv: “Er dette annerledes enn fortiden? Hva foregår her?"
Det totale antallet av alle amerikanske villbranner viser en samlet økning i løpet av de siste tiårene, selv om det er mye variasjon fra år til år. Totalt dekar brent i disse brannene viser en lignende, om enn litt mer dramatisk, oppadgående trend. Studier som har fokusert på vestlige amerikanske villbranner har vist en tydelig økning i antall store branner. (National Interagency Coordination Center / Knowable Magazine) Mange faktorer har drevet denne enestående utvidelsen av ødeleggelse av villfyr. Tiår med refleksivt slukking av branner så snart de antente, har tillatt branndrivende busker og trær å samle seg i ubrente områder. Klimaendringene gir varmere temperaturer, mindre regn og snøsekk og flere sjanser for brensel til å tørke ut og brenne. (Menneskeskapte klimaendringer har fått skylden for å nesten doble skogområdet brent i det vestlige USA siden 1984.) I mellomtiden beveger flere mennesker seg inn i villlandsområder, noe som øker sjansen for at noen vil antenne en brann eller være i skadelig måte når man begynner å vokse.
Coen og andre forskere tapper fysikk for å avsløre hva som får en vanlig brann til å eskalere til en episk megafire. For å gjøre dette, kjører noen forskere til kantene av villbranner og sonderer hemmelighetene sine med laser- og radarutstyr som kan se gjennom de bølgende røykskyene. Andre har utviklet banebrytende modeller som beskriver hvordan flammer renner over landskapet, drevet ikke bare av drivstoff og terreng, men også av hvordan brann og atmosfære føder tilbake på hverandre. Og enda andre, som Gollner, planlegger laboratorieforsøk for å finne ut hvorfor ett hus kan tenne mens naboen forblir uskadd.
Slike funn kan vise hvordan folk bedre kan forberede seg på en fremtid med mer intense skogbranner, og kanskje hvordan brannmannskap mer effektivt kan bekjempe dem.
Brannvær
Når det gjelder å kjempe om blader, "er det mye avhengig av hva folk har sett branner gjøre tidligere, " sier Neil Lareau, meteorolog ved University of Nevada, Reno. "Den personlige dype opplevelsen er virkelig verdifull, men den går i stykker når atmosfæren går over i det jeg vil kalle outlier-modus - når du skal være vitne til noe du aldri har sett før."
Så Lareau jobber for å samle informasjon om branner når de utfolder seg, og håper å en dag kunne levere spesifikke advarsler for brannmenn når de kjemper mot flammene. Han forstår faren mer enn mange akademiske forskere gjør: Han brukte tre somre på å prøve å komme så nært brann som han kunne, som en del av det anerkjente forskningsgruppen for brann-meteorologi ledet av Craig Clements fra San Jose State University i California.
I likhet med stormchasers som forfølger tornadoer på Midtvest-slettene, må brann-chasers være forberedt på hva som helst. De går gjennom brannmannstrening, lærer hvordan de kan forutse hvor brannlinjen kan bevege seg og hvordan de skal utplassere et brannskap i en nødsituasjon. De registrerer seg i det føderale nødstyringssystemet slik at de offisielt kan inviteres til områder der publikum ikke kan dra. Og de reiser med en sofistikert laserskanningsmaskin på baksiden av en av lastebilene sine for å trenge inn i asken og røykrommene stiger av en aktiv brann.
"Bare i kraft av å rette laser på ting, begynte vi å se ting folk ikke tidligere hadde dokumentert, " sier Lareau. Tidlige oppdagelser inkluderer hvorfor en brannsrør sprer seg ut når den stiger mens røykfylt luft skyves utover og klar luft brettes innover, og hvordan roterende luftkolonner kan dannes i plymen. "Det er dette fascinerende miljøet der brann og atmosfæriske prosesser samhandler med hverandre, " sier han.
Pyrocumulonimbus-skyer dannes og mater av varmen som stiger fra en fyrbål eller vulkanutbrudd. Når en røykflue stiger, avkjøles den og utvides, slik at fuktigheten i atmosfæren kan kondensere til en sky som kan skape lyn eller til og med firenadoer - i hovedsak en tordenvær som er født fra brannen. (Bureau of Meteorology, Australia / Knowable Magazine) Et av de mest dramatiske eksemplene på "brannvær" er tordenværlignende skyer som kan vises høyt over en brann. Kalt pyrocumulonimbus skyer, de dannes når det er relativt høy luftfuktighet i atmosfæren. En aske og varm luft stiger raskt fra brannen, ekspanderer og avkjøles når den blir høyere. På et tidspunkt, vanligvis rundt 15 000 fot høyt, kjøles det av nok til at vanndamp i luften kondenserer til en sky. Kondensasjonen frigjør mer varme i plommen, gjenoppliver den og genererer en lys hvit sky som kan tårne opp til 40.000 fot høy.
Under skybasen kan luft skynde seg oppover i hastigheter som nærmer seg 130 mil i timen, drevet av konveksjon innenfor røren, har San Jose State-teamet oppdaget. Jo mer brannen vokser, jo mer luft blir trukket inn i oppdateringsarbeidet, noe som intensiverer hele forbrenningen. Og i sjeldne tilfeller kan det til og med gyte en flammende tornado nedenfor.
Fødsel av en brennende tornado
Lareau så på en firenado-form nesten i sanntid under Carr-brannen, nær Redding, i juli 2018. I dette tilfellet var han ikke i nærheten med en laser i lastebilen sin, men satt ved en datamaskin og så på radardata. Værradarer, som de som brukes til din lokale prognose, kan spore hastigheten på små partikler som aske som beveger seg i luften. Da Carr-brannen utviklet seg, trakk Lareau opp radardata fra en militærbase nesten 90 mil fra den voksende brannen. Ved å se hvordan asken beveget seg i motsatte retninger på forskjellige nivåer i atmosfæren, kunne han se hvordan den atmosfæriske rotasjonen i plymen ble krympet og intensivert. I likhet med kunstløpere som trakk armene inn under et snurr, samlet rotasjonen seg og satte fart opp for å danne en sammenhengende virvel - en tornado innebygd i den større askeskummen.
Lareau og kollegene skrev det i desember i Geophysical Research Letters, og det er bare det andre kjente eksemplet, etter en 2003-brannorm i Australia, av en tornado som ble dannet på grunn av en pyrocumulonimbus-sky. Brannen gir den opprinnelige varmen som genererer skyen, som deretter genererer tornadoen. "Dynamikken som fører til rotasjonskollapsen er ikke bare drevet av brann, de drives også av skyen selv, " sier Lareau. "Det er virkelig det som er annerledes med denne saken, sammenlignet med din mer ildvarme i hagen."
Se for deg en vri midt i en forbrytelse, og det er lett å se hvorfor Carr-brannen var så ødeleggende. Med vindhastigheter på over 140 miles i timen, slo branntornadoen ned elektriske tårn, pakket et stålrør rundt en kraftstang og drepte fire mennesker.
Denne pyrocumulonimbus-skyen brølte over eksistensen over Willow-brannen nær Payson, Arizona, i 2004. Nedenfor er den mørke røykrommen; over er den oppsiktsvekkende hvite skyen av kondenserte vanndråper. (Eric Neitzel / Wikimedia Commons) Å forutsi Flames 'neste trekk
Den slags ødeleggelser er det som driver Coen til å modellere branner. Hun vokste opp like utenfor Pittsburgh, datter av en brannmann, og ble senere henrykt av hvordan vind, virvler og annen atmosfærisk sirkulasjon hjelper med å spre flammen. Avhengig av hvordan luften flyter over landskapet, kan en brann skifte dit den beveger seg - kanskje dele seg i to deler og deretter slå seg sammen igjen, eller dukke av små virvler eller virvler langs brannlinjen. "Skogbrukere tenker på branner som drivstoff og terreng, " sier Coen. "For oss som meteorologer ser vi mange fenomener vi kjenner oss igjen i."
På 1980- og 1990-tallet begynte meteorologer å koble sammen værmodeller, som beskriver hvordan luft strømmer over komplekst terreng, med de som forutsier brannadferd. Et slikt system, en datamodell som er utviklet ved US Forest Service's Missoula Fire Sciences Laboratory i Montana, brukes nå jevnlig av føderale etater for å spå hvor branner vil vokse.
Coen gikk et skritt videre og utviklet en felles atmosfære-og-brann-modell som inkluderer luftstrøm. Det kan for eksempel bedre simulere hvordan slynger seg virvel og bryte rundt topper i bratt terreng.
Modellen hennes ble sjokkerende ekte 8. november 2018, da hun etter planen holdt foredrag, "Understanding and Predicting Wildfires, " ved Stanford University. Kvelden før, mens hun jobbet med presentasjonen, så hun rapporter om at Pacific Gas and Electric Company vurderte å slå av utstyr i deler av Sierra Nevada-foten fordi sterk vind ble spådd.
Neste morgen dro hun til symposiet, men satte seg på ryggen og lette på Internett og hørte på nødradiofeeds. Mens kollegene snakket, fulgte hun skannertrafikken og hørte at en brann hadde antent seg i Nord-California og spredte seg raskt mot byen Paradise. "Det var da jeg måtte starte presentasjonen min, " sier hun. ”Jeg kunne fortelle ved vinden, hvor dårlig evakueringen gikk, at det skulle bli en fryktelig hendelse. Men på det tidspunktet visste vi ikke at det ville være den dødeligste i Californias historie. ”
De sterke vindene hun hadde hørt om viste seg å være avgjørende for hvordan brannen spredte seg og oppslukede paradiset. Sterk nedløpsvind presset flammene inn i den sterkt skogkledde byen. Det var helt forutsigbart i henhold til fysikken i modellene hennes, sier Coen: "Mange rare ting er fornuftige når du har sett på disse fine skalaene."
Et annet eksempel er Tubbs-brannen som ødela Santa Rosa i oktober 2017, og brølte over 12 mil på litt over tre timer. Coens modeller utforsker hvordan luftstrømmer kjent som Diablo-vindene beveger seg over landskapet. Det viser seg at et lag med stabil luft gled raskt over den komplekse topografien over Santa Rosa. Der det traff fjellrygger, genererte det utbrudd av høyhastighetsvind. Overraskende nok kom ikke vindsprengningene av de høyeste toppene, men snarere et mindre sett med topper som var medvind. Plasseringen av noen av disse vindsprengningene, som nådde opptil 90 mil i timen i henhold til hennes modell, tilsvarer hvor brannen antente - kanskje på grunn av feil i elektrisk utstyr. Coen beskrev arbeidet i Washington, DC, i desember på et møte i American Geophysical Union.
Coens modeller er også med på å forklare Redwood Valley-brannen, som startet i samme vindstorm som Tubbs-brannen. (Fjorten separate branner brøt ut i Nord-California i løpet av 48 timer, ettersom et høytrykksværsystem innover landet sendte Diablo-vinder susende offshore.) Men i dette tilfellet var det et syv kilometer bredt gap i fjellene som vindene var i stand til å skynde seg gjennom, komprimere og sette fart. Det var som en eneste smal elv av vind - som ville være vanskelig å få øye på med tradisjonelle vær- eller brannvarsler, sier Coen. "Hvis du så på værdataene og så at denne situasjonen var uvanlig sammenlignet med resten, ville sinnet ditt hatt en tendens til å avvise det, " sier hun.
Men prognoser må ta hensyn til de glippene av høyhastighets vindavlesning. De kan signalisere at noe veldig lokalisert - og veldig farlig - skjer.
Fra gnist til forbrenning
Forskere som Coen sporer spredningen av en branns omkrets for å forutsi hvor den aktive brannlinjen kan bevege seg. Men fysikk kan også hjelpe forskere å bedre forstå en annen type brannspredning: hva skjer når vindene fanger glør og hev dem mil foran brannfronten. Når de lander, kan glørne noen ganger ulme på plass i timevis før de antenner en haug med blader, en kortstokk eller noe annet brannfarlig. Det er et stort problem for brannmenn som prøver å finne ut hvor de skal bruke ressursene sine - om de skal holde seg på hovedbrannlinjen eller å jage der de tror at brannene kan tenne.
For å komme med dette spørsmålet, har University of Maryland Gollner jobbet med småskala fysikk om hva som skal til for en glød å tenne. Hans laboratorium er på Institutt for brannbeskyttelse, og det ser ut som delen. Butan lightere fyller skuffer. En boks med furu strå hviler på en hylle. Tykke brannbeskyttende hansker ligger på en avføring. Luften lukter mildt skarp, som en brøytediff akkurat slukket.
Langs den ene veggen på laboratoriet, under en stor ventilasjonshette, viser Gollner frem en metallkontraksjon litt flatere og bredere enn en skoeske. Det er her han lager en glød ved å tenne et korkformet stykke tre og legge det inn i boksen. En vifte blåser en konstant bris over det ulmende ildstedet, mens instrumenter under boksen måler temperaturen og varmestrømmen på overflaten den sitter på. Med denne enheten kan Gollner studere hva det tar for glørne å generere nok varme til å starte en brann. "Det er gjort mye studier på senger med gress og fine ting, " sier han. "Vi ønsket å forstå, hvordan tenner det dekk, tak eller konstruksjon?"
Det viser seg at en enkelt kule, eller en håndfull glør, ikke kan bygge opp så mye varme hvis den lander på et materiale som et dekk eller et tak. Men putt ett eller to dusin glør i Gollners enhet, og varmefluxen går dramatisk opp, melder han og kollegene i March Fire Safety Journal . "Du begynner å ha omstråling mellom dem, " sier han. "Det gløder, under vinden - det er bare vakkert."
University of Maryland brannforsker Michael Gollner demonstrerer et apparat som tester hvordan brann sprer seg i forskjellige vinkler. Når han hever tenningsflaten fra horisontalt til skråstilt, reagerer flammene annerledes - informasjon brannmenn kan bruke når de kjemper om voksende branner. (Alexandra Witze) Bare en liten haug med gløder kan generere omtrent 40 ganger varmen du vil føle fra solen på en varm dag. Det er like mye oppvarming, og noen ganger mer, som kommer fra selve brannen. Det er også nok å tenne de fleste materialer, for eksempel tre på en dekk.
Så hvis det er mange glør som flyr foran en brann, men disse gløttene lander relativt langt fra hverandre, kan det hende at de ikke bygger opp den strålingsvarmen som er nødvendig for å generere en brann. Men hvis glørene hoper seg opp, kanskje blåst av vinden i en sprekk på et dekk, kan de ulme sammen og deretter utløse en tenning, sier Gollner. De fleste hjem som brenner i det villland-urbane grensesnittet, tennes fra disse glørne, ofte timer etter at selve brannfronten har passert.
Å forstå varmestrømmen på disse små skalaene kan belyse hvorfor noen hus brenner mens andre ikke gjør det. Under Tubbs-brannen ble hjemmene på den ene siden av noen gater ødelagt, mens de på den andre siden knapt hadde noen skade. Det kan være fordi det første huset som antente utstrålte energi til naboen, som deretter brente nabohusene som domino på grunn av strålingsvarmen. Når hus er tett pakket sammen, er det bare så mye huseiere kan gjøre for å dempe faren ved å tømme børste og brennbart materiale rundt huset.
Kontrollere udyret
Gollner - en innfødt fra California som vokste opp med å evakuere fra branner - jobber nå med andre aspekter ved brannspredning, som det som trengs for et flammende vegetasjonsstykke å bryte av i høy vind og tenne andre busker motvind. Han studerer brannvirvler for å se om de kan brukes til å brenne av oljeslokker i havet, siden virvler brenner oljen raskere og mer rent enn en ikke-beskyttende brann. Og han begynner et prosjekt om helseeffektene av innånding av brannrøyk.
Foreløpig håper han forskningen hans kan bidra til å redde hjem og liv under en aktiv brann. "Du kommer aldri til å gjøre noe brannsikkert, " sier han. "Men etter hvert som du gjør det bedre, gjør du en stor forskjell." Hus bygget med skjold mot glør som kommer inn gjennom loftåpninger, eller bruker tennresistente materialer som asfalt i stedet for tre helvetesild, kan være mindre sannsynlig å tenne enn hjem som ikke er bygget til disse standardene. Hvis bare 10 hjem og ikke 1000 tennes under en ildstorm, kan brannmannskaper kanskje bedre styre den neste store forbrenningen, sier Gollner.
Når klimaet varmer og branner blir mer ekstreme, vet brannforskere at arbeidet deres er mer relevant enn noen gang. De presser på for å gjøre forskningsspørsmål der det teller — på frontlinjene med tjenestemenn i beredskapsledelse. Coen jobber for eksempel for å kjøre sine skreddsyremodeller raskere enn sanntid, slik at når den neste store brannen bryter ut, kan hun raskt forutsi hvor det kan gå gitt vinden og andre atmosfæriske forhold. Og Lareau utvikler måter å spore en branns spredning i nær sanntid.
Han bruker værinformasjon som den bakkebaserte radaren han brukte for å spore Carr firenado, samt satellitter som kan kartlegge brannomkretsen ved å studere varme som strømmer fra bakken. Etter hvert ønsker han å se et sanntids prediksjonssystem for branner som de som for tiden eksisterer for tordenvær, tornadoer, orkaner og andre værhendelser.
"Advarslene kommer ikke til å stoppe brannen, " sier Lareau. ”Men kanskje det vil hjelpe oss å bestemme hvor vi skal ta disse beslutningene. Dette er miljøer der minutter betyr noe. ”
Knowable Magazine er en uavhengig journalistisk innsats fra årlige anmeldelser. Alexandra Witze (@alexwitze) er en vitenskapsjournalist som bor i det villlands-urbane grensesnittet ovenfor Boulder, Colorado, hvor hun tidvis ser røyk fra branner i nærheten.
