Plameni začnejo naraščati. Mike Heck skoči nazaj. Vege se ližejo navzgor, vihrajo v vetru, nato pa se zlijejo v vrtinec plamena, vžigalnik tornada, ki se vije v oranžni in rdeči barvi. "Tako gre!" Pravi eden od gledalcev. Še ena žvižga začudeno.
A nikogar ne skrbi. Heck je namerno prižgal ogenj in prižgal ponev s tekočino na tleh sobe, obložene z betonskimi bloki, da bi vseboval plamen. Sesalna napa nad glavo preprečuje, da bi se dim zadihal v bližnje učilnice.
Heckov nadzornik, požarni znanstvenik Michael Gollner z univerze v Marylandu v College Parku v svojem laboratoriju redno pričara tako utripajoče stebre, znane kot požarne vrtine. (Gollner in sodelavci raziskujejo znanost o teh pojavih v Letnem pregledu mehanike tekočin za leto 2018.) Iz njih in iz drugih ognjenih poskusov želi spoznati, kako se plameni krepijo in širijo, ko mesta in pokrajine gorijo. Gollnerjev cilj je bolje razumeti, kaj poganja ogenj, da preskoči pot od hiše do hiše in z drevesa na drevo.
Zbiranje novih vpogledov v vedenje požara postaja vse bolj nujno, saj so požari postajali vse bolj ekstremni, zlasti v zahodni Severni Ameriki. Od sredine 80. let prejšnjega stoletja so veliki požari nenadoma postali veliko pogostejši v zahodnih ameriških gozdovih, zlasti v severnih Skalnih gorah. V zadnjem času so se na pacifiškem severozahodu v gozdovih največje povečale velikosti požarov, od leta 2003 do 2012 se je skoraj 5000 odstotkov povečalo območje gorenja v primerjavi s povprečjem 1973–1982. Po vsem svetu je povprečna površina, zažgana v letih od leta 2000, skoraj podvojila letno povprečje za devetdeseta leta.
In samo v zadnjih dveh letih je več smrtno nevarnih napadov sežigalo dele Kalifornije. Oktobra 2017 je bilo do tal zgorenih več kot 5600 stavb v Santa Rosi in okoli njih. Julija v Reddingu se je vrtoglava množica vročega zraka in pepela sprožila vrtoglavega "ognjenika", kot je bil ta v Gollnerjevem laboratoriju - vendar veliko večjega in srditega ubiti gasilca. Istega meseca so požari požgali ogromno površino v Mendocinu in treh drugih okrajih. Štiri mesece pozneje je v tabornem ognju v raju umrlo 85 ljudi, veliko jih je sežigalo, ko so poskušali ubežati plamenu v svojih vozilih.
Rekordno uničevanje
Po vsem povedanem so nedavni požari države postavili rekorde za največje, najsmrtonosnejše in najbolj uničujoče požare v Kaliforniji. "Narava je pripravila presenetljivo zaporedje dogodkov, od katerih vsak presega prejšnji, " pravi Janice Coen, atmosferska znanstvenica, ki v Nacionalnem centru za atmosferske raziskave v Boulderju v Koloradu preučuje divjadi. Z njo se drugi vprašajo: "Ali se to razlikuje od preteklosti? Kaj se tukaj dogaja?"
Skupno število vseh divjih požarov v ZDA kaže na splošno povečanje v zadnjih nekaj desetletjih, čeprav je med letom veliko spremenljivosti. Skupni hektarji, požgani v teh divjih požarih, kažejo podoben, če nekoliko bolj dramatičen trend naraščanja. Študije, ki so bile osredotočene na zahodne ameriške prostoživeče požare, so v zadnjih letih pokazale očitno povečanje števila velikih požarov. (Nacionalni medresorski koordinacijski center / revija Knovable) Številni dejavniki so spodbudili to neprimerljivo širitev opustošenja prostoživečih požarov. Desetletja refleksno gašenja požarov takoj, ko so se vžgali, so omogočili nabiranje grmov in dreves na ognju, da se na negorelih območjih kopičijo. Podnebne spremembe prinašajo toplejše temperature, manj dežja in snežne odeje ter več možnosti, da se goriva izsušijo in izgorejo. (Od podnebnih sprememb, ki jih povzročajo ljudje, so skorajda podvojili gozdno območje, ki je zgorelo na zahodu ZDA od leta 1984.) Medtem se vse več ljudi seli v območja divjih območij, kar povečuje verjetnost, da bo kdo prižgal požar ali se poškodoval. eden začne rasti.
Coen in drugi znanstveniki se trudijo o fiziki, da bi lažje razkrili, kaj povzroči, da navaden plamen preide v epski megafire. Da bi to naredili, se nekateri raziskovalci zapeljejo do robov divjih požarov, ki svoje skrivnosti preizkušajo z lasersko in radarsko opremo, ki jo je mogoče videti skozi napihljive oblake dima. Drugi so razvili vrhunske modele, ki opisujejo, kako plameni dirkajo po pokrajini, ki jih poganjajo ne samo goriva in teren, ampak tudi kako se ogenj in atmosfera medsebojno napajata. In še drugi, kot je Gollner, načrtujejo laboratorijske poskuse, da bi ugotovili, zakaj se lahko ena hiša vname, medtem ko njen sosed ostane neokrnjen.
Takšne ugotovitve lahko kažejo, kako se lahko ljudje bolje pripravijo na prihodnost z intenzivnejšimi požari in morda, kako se lahko gasilci učinkoviteje borijo proti njim.
Vreme požara
Ko gre za boj proti plamenom, "se veliko zanašamo na to, kar so ljudje v preteklosti videli požare, " pravi Neil Lareau, meteorolog z univerze v Nevadi, Reno. "Ta osebna globoka izkušnja je res dragocena, vendar se pokvari, ko ozračje preide v tako imenovano zunanje stanje - ko boste priča nečemu, kar še nikoli niste videli."
Tako Lareau dela, da zbira informacije o požarih, ko se razgrnejo, v upanju, da bodo nekega dne lahko gasili posebne napotke za gasilce, ko se spopadajo z ognjem. Nevarnost razume več kot mnogi akademski raziskovalci: Tri poletja se je skušal čim bolj približati požarom kot del priznane raziskovalne skupine za meteorologijo, ki jo je vodil Craig Clements z univerze San Jose v Kaliforniji.
Tako kot lovci na nevihte, ki na srednjih zahodnih ravnicah zalezejo tornada, morajo biti tudi ognjeni lovci pripravljeni na karkoli. Grejo skozi usposabljanje gasilcev in se naučijo predvideti, kje se lahko požarna linija premika in kako v nujnih primerih namestiti požarno zavetišče. Registrirajo se pri zveznem sistemu za upravljanje v sili, tako da jih je mogoče uradno povabiti na območja, kjer javnost ne more iti. Potujejo s prefinjenim laserskim skeniranjem na zadnjem delu enega od svojih tovornjakov za prodiranje pepela in dima, ki se dvigajo pred aktivnim ognjem.
"Prav s tem, ko smo z laserjem usmerili na stvari, smo začeli videti stvari, ki jih ljudje v preteklosti niso dokumentirali, " pravi Lareau. Zgodnja odkritja vključujejo, zakaj se požar širi, ko se dviga, medtem ko se dimni zrak potisne navzven in se čist zrak zloži navznoter, in kako se v strugi lahko tvorijo vrteči se stolpci zraka. "Obstaja to fascinantno okolje, kjer se požari in atmosferski procesi medsebojno povezujejo, " pravi.
Pirocumulonimbusni oblaki tvorijo in napajajo toploto, ki izhaja iz požara ali vulkanskih izbruhov. Ko se dim dviga, se hladi in širi, kar omogoča, da se vlaga v atmosferi kondenzira v oblak, ki lahko ustvari strele ali celo ognjenike - v bistvu je nevihta, ki se rodi iz ognja. (Biro za meteorologijo, Avstralija / Knovable Magazine) Eden najbolj dramatičnih primerov "požarnega vremena" so nevihte, ki se lahko pojavijo nad ognjem. Imenujemo jih pirocumulonimbusni oblaki, nastanejo pri razmeroma visoki vlažnosti v ozračju. Iz ognja se hitro dvigne kopica pepela in vročega zraka, ki se širi in hladi, ko se stopnjuje. V nekem trenutku, običajno približno 15.000 čevljev, se dovolj ohladi, da se vodna para v zraku kondenzira v oblak. Kondenzacija sprošča več toplote v plinu, ga ponovno oživi in ustvari svetlo bel oblak, ki se lahko dvigne do 40.000 čevljev visoko.
Pod bazo oblaka lahko zrak hitri navzgor s hitrostjo, ki se približuje 130 milj na uro, ki jo poganja konvekcija znotraj plime, je odkrila ekipa zvezne države San Jose. Bolj ko ogenj naraste, več zraka se vleče v dvig, kar krepi celotno plamen. V redkih primerih lahko spodaj sproži celo plameni tornado.
Rojstvo ognjenega tornada
Lareau je v požaru Carr blizu Reddinga julija 2018 skoraj v realnem času opazoval obliko ognjenika. V tem primeru ni bil v bližini z laserjem v svojem tovornjaku, ampak je sedel za računalnikom in gledal radarske podatke. Vremenski radarji, kot so tisti, ki se uporabljajo za vašo lokalno napoved, lahko spremljajo hitrost majhnih delcev, kot je pepel, ki se premika po zraku. Ko se je razvil požar Carr, je Lareau iz vojaške baze skoraj 90 kilometrov od naraščajočega požara potegnil radarske podatke. Ko je opazoval, kako se pepel premika v nasprotnih smereh v različnih ravneh atmosfere, je lahko videl, kako se atmosfersko vrtenje znotraj plusa krči in intenzivira. Kot figurni drsalci, ki se med vrtenjem vlečejo v roke, se je vrtenje skrčilo in se pomikalo, da bi ustvarilo skladen vrtinec - tornado, vpet v večji pepelni pepel.
Le drugi znani primer tornada, ki se je zaradi pirocumulonimbusovega oblaka pojavil leta 2003 v Avstraliji, so Lareau in sodelavci decembra zapisali v Geophysical Research Letters . Ogenj zagotavlja začetno toploto, ki ustvarja oblak, ki nato ustvari tornado. "Dinamike, ki vodi do kolapsa vrtenja, ne poganja samo ogenj, ampak jih poganja tudi sam oblak, " pravi Lareau. "V tem primeru se resnično razlikuje v primerjavi z vašo vrtinsko vrtinčarsko raznovrstnostjo."
Predstavljajte si dvojček sredi spopada in enostavno je razbrati, zakaj je bil požar Carr tako uničujoč. S hitrostmi vetra, ki je presegla 140 milj na uro, je požarni tornado porušil električne stolpe, ovil jekleno cev okoli električnega droga in ubil štiri ljudi.
Ta pirocumulonimbusov oblak je zaživel nad ognjem Willow v bližini Paysona v Arizoni leta 2004. Spodaj je plapola temnega dima; zgoraj je presenetljivo bel oblak zgoščenih vodnih kapljic. (Eric Neitzel / Wikimedia Commons) Napovedovanje naslednjega premika plamenov
Tovrstno opustošenje je tisto, kar Coen poganja k oblikovanju divjih požarov. Odraščala je tik pred Pittsburghom, hčerjo gasilca, pozneje pa se je vključila v to, kako vetrovi, vrtinci in druga atmosferska cirkulacija pomagajo širiti plamen. Odvisno od tega, kako zrak teče čez pokrajino, se lahko ogenj premakne tam, kjer se giblje - morda se razdeli na dva dela in se nato ponovno združi ali izpuhti majhne vrtine ali vrtine po požarni liniji. "Gozdarji razmišljajo o požarih kot gorivu in na terenu, " pravi Coen. "Mi, kot meteorologi, vidimo veliko pojavov, ki jih prepoznamo."
V osemdesetih in devetdesetih letih prejšnjega stoletja so meteorologi začeli povezovati vremenske modele, ki opisujejo, kako zrak teče po kompleksnem terenu, s tistimi, ki napovedujejo vedenje požara. Eden takšnih sistemov, računalniški model, ki so ga razvili v laboratoriju za požarne vede ameriške službe za gozdove ZDA v Montani, zdaj zvezne agencije redno uporabljajo za napovedovanje, kje bodo požari naraščali.
Coen je šel še korak dlje in razvil skupni model vzdušja in ognja, ki vključuje zračni tok. Lahko na primer boljše simulira, kako vijugajo in se lomijo vrhov v strmem terenu.
Нямецкімі мовамі
Njen model je postal šokantno resničen 8. novembra 2018, ko naj bi na univerzi Stanford predavala pogovor "Razumevanje in napovedovanje divjih požarov". Prejšnjo noč, ko je delala na svoji predstavitvi, je videla poročila, da pacifiška družba za plin in elektriko razmišlja o ukinitvi opreme v delih vznožja Sierre Nevade, ker so napovedovali močan veter.
Naslednje jutro je odšla na simpozij, vendar je sedla zadaj in iskala internet in poslušala nujne radijske vire. Ko so govorili kolegi, je sledila prometu s skenerjem in slišala, da se je požar v Severni Kaliforniji vnel in se hitro razširil proti mestu Paradise. "Takrat sem se morala predstaviti, " pravi. "Po vetrovih bi lahko ugotovil, kako slaba je bila evakuacija, da bo šlo za grozen dogodek. Toda takrat nismo vedeli, da bo najsmrtonosnejši v zgodovini Kalifornije. "
Močni vetrovi, o katerih je slišala, so se izkazali za ključne za to, kako se je ogenj razširil in zajel Raj. Močni sunki vetra so plameni potisnili v močno gozdano mesto. Glede na fiziko v svojih modelih je bilo povsem predvidljivo, Coen pravi: "Veliko čudnih stvari je smiselno, ko pogledate te drobne kroge."
Drug primer je ogenj Tubbs, ki je oktobra 2017 opustošil Santa Rosa in se v 12 kilometrih vrtel čez 12 milj. Coenovi modeli raziskujejo, kako se zračni tokovi, znani kot Diablo vetrovi, premikajo po pokrajini. Izkaže se, da je plast stabilnega zraka hitro zdrsnila po kompleksni topografiji nad Santa Rosa. Tam, kjer je udaril v gorske grebene, je ustvarjal sunke hitrih vetrov. Presenetljivo, da se sunki vetra niso spuščali z najvišjih vrhov, temveč iz manjšega vrha, ki je bil navzdol. Lokacija nekaterih vetrov, ki so po njenem modelu dosegali do 90 milj na uro, ustreza mestu, kjer se je ogenj vžgal - morda zaradi okvare električne opreme. Coen je delo opisal v Washingtonu, decembra, na sestanku Ameriške geofizične zveze.
Coenovi modeli pomagajo tudi razložiti požar v dolini Redwood, ki se je začel v isti nevihti kot požar Tubbs. (Štirinajst ločenih požarov je izbruhnilo v Severni Kaliforniji v razponu od 48 ur, ko je visokotlačni vremenski sistem v notranjost poslal Diablo vetrove, ki so hiteli na morje.) Toda v tem primeru je bil v gorah širok sedem kilometrov vrzeli, zmožen hitenja skozi, stiskanje in pospeševanje. Bilo je kot ena sama ozka reka vetrov, ki bi jo bilo težko opaziti s tradicionalnimi napovedmi vremena ali požara, pravi Coen. "Če bi gledali vremenske podatke in videli, da je bila ta situacija v primerjavi s preostalimi nenavadna, bi jih vaš um odpuščal, " pravi.
Napovedovalci pa morajo biti pozorni na tiste kratke odčitke vetra s hitrostjo. Lahko bi signalizirali, da se dogaja nekaj zelo lokaliziranega - in zelo nevarnega.
Od iskrenja do izgorevanja
Raziskovalci, kot je Coen, spremljajo širjenje oboda požara, da bi napovedali, kam se lahko premika aktivna požarna linija. Toda fizika lahko znanstvenikom pomaga tudi bolje razumeti drugo vrsto širjenja ognja: kaj se zgodi, ko vetrovi ujamejo žerjavico in jih odnesejo kilometre pred ognjeno fronto. Ko pristanejo, lahko žerjavi včasih nekaj ur tlejo, preden vžgejo kup listov, palubo ali kaj drugega vnetljivega. To je velika težava za gasilce, ki poskušajo ugotoviti, kje namestiti svoje vire - naj ostanejo na glavni liniji požara ali pa preganjajo tam, kjer mislijo, da bi se lahko vžgali kraji.
Da bi se lotili tega vprašanja, je na univerzi v Marylandu Gollner pripravljal majhno fiziko tega, kar potrebuje, da se vžigalica vžge. Njegov laboratorij je na oddelku za protipožarno tehniko in videti je del. Butanski vžigalniki napolnijo predale. Škatla borove slame leži na polici. Debele ognjevarne rokavice ležijo na stolu. Zrak diši rahlo, kakor udarec požara, ki je pravkar ugasnil.
Vzdolž ene stene laboratorija, pod velikim prezračevalnim pokrovom, Gollner prikazuje kovinsko kontracepcijo, nekoliko lahkejšo in širšo kot škatla za čevlje. Tu ustvari žerjavico, tako da vžge kos lesa v obliki plute in ga položi znotraj škatle. Ventilator nad smrdečim ognjičem piha stalni vetrič, medtem ko instrumenti pod škatlo merijo temperaturo in toplotni tok površine, na kateri je sedel. Gollner lahko s to napravo preuči, koliko potrebujejo žerjavi, da ustvarijo dovolj toplote, da začnejo gradbeni požar. "Opravljenih je bilo veliko raziskav na gredicah trave in drobnih stvari, " pravi. "Želeli smo razumeti, kako vžiga vaš krov, streho ali zgradbo?"
Izkazalo se je, da ena sama žerjavica ali peščica žerjavice ne more nabrati toliko toplote, če pristane na materialu, kot sta paluba ali streha. Toda v Gollnerjevo napravo vstavite en ali dva ducata žerjavice in toplotni tok močno naraste, on in njegovi sodelavci poročajo v marčevski reviji o požarni varnosti . "Med njimi začnete ponovno sevati, " pravi. "Žari pod vetrom - lepa je."
Michael Gollner z univerze v Marylandu demonstrira napravo, ki preizkuša, kako se ogenj širi pod različnimi koti. Ko dvigne površino vžiga od vodoravne do nagnjene, plameni reagirajo drugače - informacije, ki jih lahko gasilci uporabljajo pri reševanju naraščajočih požarov. (Aleksandra Witze) Samo majhen kup žerjavice lahko ustvari približno 40-krat večjo toploto, ki bi jo občutili od sonca v vročem dnevu. Toliko ogrevanja in včasih tudi več, kolikor prihaja iz samega ognja. Dovolj je tudi, da vžgete večino materialov, na primer les palube.
Če torej pred ognjem leti veliko žerjavico, vendar pa žerjavice pristanejo relativno daleč drug od drugega, morda ne bodo nakopičile sevalne toplote, ki je potrebna za ustvarjanje žarišča. Če pa se žerjavica nabere, morda jo bo veter odpihnil v vrzel palube, se lahko tlejo skupaj in nato sprožijo vžig, pravi Gollner. Večina domov, ki gorijo v divje-urbanem vmesniku, se vname iz teh žerjavic, pogosto še nekaj ur po tem, ko je požarna fronta minila.
Razumevanje toplotnega toka na teh majhnih lestvicah lahko razsvetli, zakaj nekatere hiše gorijo, druge pa ne. Med ognjem na Tubbsu so bili uničeni domovi na eni strani nekaterih ulic, medtem ko tisti na drugi strani skoraj niso imeli škode. Mogoče zato, ker je prva hiša, ki je vžgala, izžarevala energijo na svojega soseda, ki je nato zaradi sevalne vročine požgal sosednje domove kot domine. Ko so hiše tesno napolnjene, lahko lastniki domov naredijo le toliko, da zmanjšajo nevarnost s čiščenjem čopiča in vnetljivega materiala okoli hiše.
Obvladovanje zveri
Gollner - domačin iz Kalifornije, ki je odraščal iz divjih požarov - zdaj dela na drugih vidikih širjenja ognja, kot je tisto, kar je potrebno, da se plameni kos vegetacije prekine v močnem vetru in vname druge grmičevje navzdol. Proučuje vrtinčenje ognja, da bi preveril, ali jih je mogoče uporabiti za kurjenje oljnih rezin v oceanu, saj vrtine gorijo olje hitreje in bolj čisto kot ogenj, ki ne kroji. In začenja projekt o vplivih na vdihavanje divjega dima na zdravje.
Za zdaj upa, da lahko njegove raziskave pomagajo rešiti domove in življenja med aktivnim požarom. "Nikoli ne boste naredili ničesar ognjevarnega, " pravi. "Toda ko boste boljši, boste naredili veliko razliko." Na domovih, zgrajenih s ščiti pred žerjavico, ki vstopa skozi podstrešne odprtine, ali z uporabo materialov, odpornih proti vžigu, kot je asfalt namesto lesnih skodel, se lahko vnamejo manj verjetno kot domovi, ki niso zgrajeni v ti standardi. Če se med ognjevarjem vname samo 10 domov in ne 1.000, bi gasilci morda bolje obvladali naslednjo veliko plamen, pravi Gollner.
Ko se podnebje segreva in požari postajajo vse bolj ekstremni, gasilci vedo, da je njihovo delo pomembnejše kot kdaj koli prej. Nastopajo, da svoje raziskave preučijo tam, kjer štejejo - na prvi liniji pri uradnikih za upravljanje v sili. Na primer, Coen si prizadeva, da bi svoje modele za gašenje požarov izvajala hitreje kot v realnem času, tako da bo ob izbruhu naslednjega velikega požara hitro napovedala, kam bi lahko šla zaradi vetra in drugih atmosferskih razmer. In Lareau razvija načine za spremljanje širjenja požara v skoraj realnem času.
Uporablja podatke o vremenu, kot je zemeljski radar, ki ga je uporabljal za sledenje Carrjevega ognjenika, kot tudi satelite, ki lahko preslikajo obod požara s študijem toplote, ki odteka s tal. Sčasoma želi videti sistem za napovedovanje požarov v realnem času, kakršen je trenutno za nevihte, tornada, orkane in druge vremenske dogodke.
"Opozorila ne bodo ustavila požara, " pravi Lareau. "Morda nam bo to pomagalo pri odločitvi, kje bomo sprejeli te odločitve. To so okolja, kjer so minute pomembne. "
Revija Knovable Magazine je neodvisno novinarsko prizadevanje letnih revij . Alexandra Witze (@alexwitze) je znanstvena novinarka, ki živi v divje-urbanem vmesniku nad Boulderjem v Koloradu, kjer občasno opazi dim iz bližnjih požarov.
