Vlammen beginnen op te stijgen. Mike Heck springt terug. De ranken likken omhoog, wankelen in de wind en smelten samen in een draaikolk van vlammen, een gloeiende tornado kronkelend in oranje en rood. "Daar gaat het!", Zegt een toeschouwer. Nog een fluit van verbazing.
Maar niemand maakt zich zorgen. Heck stak opzettelijk het vuur aan, waarbij een pan met vloeistof op de vloer van een kamer met betonnen blokken ontstak om de vlammen te bedwingen. Een afzuigkap boven het hoofd voorkomt dat rook de nabijgelegen klaslokalen binnendringt.
De supervisor van Heck, brandwetenschapper Michael Gollner van de Universiteit van Maryland in College Park, roept regelmatig zulke brandende pijlers op, bekend als vuurwervelingen, in zijn laboratorium. (Gollner en collega's onderzoeken de wetenschap van deze fenomenen in het Jaaroverzicht 2018 van Fluid Mechanics .) Van hen, en van andere vurige experimenten, wil hij leren hoe vlammen intensiveren en zich verspreiden naarmate steden en landschappen branden. Het doel van Gollner is om beter te begrijpen wat vuur drijft om van huis naar huis en van boom naar boom te springen.
Het verzamelen van nieuwe inzichten in brandgedrag is steeds urgenter geworden omdat bosbranden extremer zijn geworden, vooral in het westen van Noord-Amerika. Vanaf het midden van de jaren tachtig werden grote bosbranden plotseling veel gebruikelijker in de westelijke Amerikaanse bossen, vooral in de noordelijke Rocky Mountains. Meer recent hebben bossen in het noordwesten van de Stille Oceaan de grootste toename van het aantal bosbranden gezien, met een toename van het verbrandingsgebied met bijna 5.000 procent van 2003 tot 2012 vergeleken met het gemiddelde van 1973-1982. Landelijk is het gemiddelde verbrande areaal in de jaren sinds 2000 bijna het dubbele van het jaargemiddelde voor de jaren negentig.
En pas in de afgelopen twee jaar hebben verschillende dodelijke helden delen van Californië verbrand. Meer dan 5.600 gebouwen brandden in oktober 2017 in en rond Santa Rosa af. Afgelopen juli in Redding, bracht een torenhoge pluim van hete lucht en as een draaiende "firenado" voort zoals die in Gollner's lab - maar veel groter en woest genoeg om een brandweerman te doden. Dezelfde maand verbrandden branden enorme oppervlakten in Mendocino en drie andere provincies. Vier maanden later stierven 85 mensen in het kampvuur in het paradijs, velen van hen verbrandden terwijl ze probeerden te ontsnappen aan de brand in hun auto's.
Recordbrekende verwoestingen
Alles bij elkaar brachten de recente branden van de staat records voor de grootste, dodelijkste en meest destructieve bosbranden in Californië. "De natuur heeft een verbazingwekkende opeenvolging van gebeurtenissen gegeven, die alle eerder overtroffen", zegt Janice Coen, een atmosferische wetenschapper die bosbranden bestudeert bij het National Center for Atmospheric Research in Boulder, Colorado. Zij en anderen vragen zich af: “Is dit anders dan vroeger? Wat is hier aan de hand?"
Het totale aantal bosbranden in de VS is de afgelopen decennia over het algemeen toegenomen, hoewel er een grote variatie is van jaar tot jaar. Totaal aantal hectaren verbrand in die bosbranden vertoont een vergelijkbare, zij het iets dramatischere, opwaartse trend. Studies die zich op westerse Amerikaanse bosbranden hebben gericht, hebben de afgelopen jaren een duidelijke toename van het aantal grote branden laten zien. (National Interagency Coordination Center / Knowable Magazine) Vele factoren hebben deze ongekende uitbreiding van natuurbrandvernietiging gedreven. Decennia van reflexief blussen van branden, zodra ze ontsteken, hebben het mogelijk gemaakt om brandende struiken en bomen op te hopen in onverbrande gebieden. Klimaatverandering brengt warmere temperaturen, minder regen en snowpack en meer kansen voor brandstoffen om uit te drogen en te verbranden. (Door de mens veroorzaakte klimaatverandering wordt beschuldigd van het bijna verdubbelen van het bosgebied dat sinds 1984 in de westelijke Verenigde Staten is verbrand.) Ondertussen trekken meer mensen naar wildlandgebieden, waardoor de kans groter wordt dat iemand een brand zal ontsteken of in gevaar zal komen wanneer men begint te groeien.
Coen en andere wetenschappers tikken op fysica om te helpen onthullen wat de oorzaak is dat een gewone bles escaleert tot een epische megafire. Om dit te doen, rijden sommige onderzoekers naar de randen van bosbranden en onderzoeken hun geheimen met laser- en radarapparatuur die door de golvende rookwolken kan kijken. Anderen hebben geavanceerde modellen ontwikkeld die beschrijven hoe vlammen door het landschap racen, niet alleen aangedreven door brandstoffen en terrein, maar ook door hoe het vuur en de atmosfeer op elkaar terugkomen. En weer anderen, zoals Gollner, werken laboratoriumexperimenten uit om erachter te komen waarom een huis kan ontbranden terwijl zijn buurman ongeschonden blijft.
Zulke bevindingen kunnen aantonen hoe mensen zich beter kunnen voorbereiden op een toekomst met meer intense bosbranden, en misschien hoe brandweerlieden hen effectiever kunnen bestrijden.
Vuur weer
Als het gaat om het bestrijden van vlammen, "is er veel vertrouwen op wat mensen in het verleden hebben gezien", zegt Neil Lareau, een meteoroloog aan de Universiteit van Nevada, Reno. "Die persoonlijke diepe ervaring is echt waardevol, maar het breekt af wanneer de atmosfeer in de modus van de uitschieter gaat - als je getuige bent van iets dat je nog nooit eerder hebt gezien."
Daarom werkt Lareau aan het verzamelen van informatie over branden terwijl deze zich ontvouwen, in de hoop ooit specifieke waarschuwingen voor brandweerlieden te kunnen afleveren terwijl ze tegen de vlammen vechten. Hij begrijpt het gevaar meer dan veel academische onderzoekers: hij bracht drie zomers door met het proberen zo dicht mogelijk bij bosbranden te komen, als onderdeel van het gerenommeerde onderzoeksteam voor vuur-meteorologie onder leiding van Craig Clements van de San Jose State University in Californië.
Net als de stormjagers die tornado's op de Midwest-vlaktes achtervolgen, moeten vuurjagers op alles voorbereid zijn. Ze volgen een training voor brandweermannen, leren hoe ze kunnen anticiperen op waar de vuurlijn zich kan verplaatsen en hoe ze in geval van nood een schuilplaats kunnen inzetten. Ze registreren zich bij het federale noodbeheersysteem, zodat ze officieel kunnen worden uitgenodigd in gebieden waar het publiek niet kan komen. En ze reizen met een geavanceerde laserscanner in de achterkant van een van hun vrachtwagens om de as en rookpluimen binnen te dringen die van een actief vuur opstijgen.
"Gewoon omdat we onze laser op dingen richtten, begonnen we dingen te zien die mensen in het verleden niet hadden gedocumenteerd, " zegt Lareau. Vroege ontdekkingen omvatten waarom de pluim van een vuur zich verspreidt terwijl deze stijgt terwijl rokerige lucht naar buiten wordt geduwd en heldere lucht naar binnen wordt gevouwen, en hoe roterende luchtkolommen zich in de pluim kunnen vormen. "Er is een fascinerende omgeving waar vuur en atmosferische processen op elkaar inwerken", zegt hij.
Pyrocumulonimbuswolken vormen en voeden zich met de hitte die oprijst door een natuurbrand of vulkaanuitbarsting. Terwijl een rookpluim stijgt, koelt het uit en zet het uit, waardoor het vocht in de atmosfeer kan condenseren in een wolk die bliksem of zelfs firenado's kan veroorzaken - in wezen een onweersbui die uit het vuur wordt geboren. (Bureau of Meteorology, Australië / Knowable Magazine) Een van de meest dramatische voorbeelden van "vuurweer" zijn de onweerachtige wolken die hoog boven een vuur kunnen verschijnen. Ze worden pyrocumulonimbus-wolken genoemd en vormen zich wanneer er een relatief hoge luchtvochtigheid in de atmosfeer is. Een pluim van as en hete lucht stijgt snel uit het vuur, expandeert en koelt naarmate het hoger wordt. Op een gegeven moment, meestal ongeveer 15.000 voet hoog, koelt het voldoende af zodat waterdamp in de lucht condenseert in een wolk. De condensatie geeft meer warmte af aan de pluim, stimuleert deze en genereert een helder witte wolk die tot 40.000 voet hoog kan torenen.
Onder de wolkenbasis kan lucht omhoog vliegen met snelheden die 130 mijl per uur naderen, aangedreven door convectie in de pluim, heeft het team van de staat San Jose ontdekt. Hoe meer het vuur groeit, des te meer lucht wordt de luchtstroom in getrokken, waardoor de hele brand wordt geïntensiveerd. En in zeldzame gevallen kan het zelfs een vlammende tornado hieronder spawnen.
Geboorte van een vurige Tornado
Lareau keek bijna in realtime naar een firenado-vorm tijdens de Carr-brand, nabij Redding, in juli 2018. In dit geval was hij niet in de buurt met een laser in zijn vrachtwagen, maar zat hij achter een computer naar radargegevens te kijken. Weerradars, zoals die worden gebruikt voor uw lokale voorspelling, kunnen de snelheid van kleine deeltjes zoals as in de lucht volgen. Terwijl de Carr-brand zich ontwikkelde, haalde Lareau radargegevens op van een militaire basis bijna 90 mijl van de groeiende brand. Door te kijken hoe de as op verschillende niveaus in de atmosfeer in tegengestelde richting bewoog, kon hij zien hoe de atmosferische rotatie in de pluim krimpt en zich versterkte. Net als kunstschaatsers die hun armen naar binnen trokken tijdens een draaiing, samentrok en versnelde de rotatie om een coherente draaikolk te vormen - een tornado ingebed in de grotere aspluim.
Het is pas het tweede bekende voorbeeld, na een brandstorm van 2003 in Australië, van een tornado die ontstaat door een pyrocumulonimbus-wolk, schreef Lareau en zijn collega's in december in Geophysical Research Letters . Het vuur levert de initiële warmte die de wolk genereert, die vervolgens de tornado genereert. "De dynamiek die leidt tot de instorting van de rotatie wordt niet alleen aangedreven door vuur, ze worden ook aangedreven door de wolk zelf, " zegt Lareau. "Dat is echt wat anders is aan deze zaak, vergeleken met je meer tuinvariaties."
Stel je een twister voor midden in een vuurzee, en het is gemakkelijk te zien waarom het Carr-vuur zo verwoestend was. Met windsnelheden van 140 mijl per uur sloeg de brandtornado elektrische torens neer, wikkelde een stalen pijp rond een elektriciteitspaal en doodde vier mensen.
Deze pyrocumulonimbus-wolk brulde in 2004 boven het wilgenvuur nabij Payson, Arizona. Hieronder is de donkere rookpluim; boven is de verrassend witte wolk van gecondenseerde waterdruppeltjes. (Eric Neitzel / Wikimedia Commons) De volgende zet van Flames voorspellen
Dat soort verwoesting is wat Coen drijft om bosbranden te modelleren. Ze groeide op net buiten Pittsburgh, de dochter van een brandweerman, en raakte later in de ban van hoe wind, wervelingen en andere atmosferische circulatie de verspreiding van vlammen helpen aansturen. Afhankelijk van hoe de lucht door het landschap stroomt, kan een vuur verschuiven waar het zich verplaatst - misschien splitst het in twee delen en gaat het weer samen, of knalt het kleine wervelingen of wervelingen langs de vuurlijn. "Bosbouwers beschouwen branden als brandstof en terrein, " zegt Coen. "Voor ons, als meteorologen, zien we veel fenomenen die we herkennen."
In de jaren tachtig en negentig begonnen meteorologen weermodellen, die beschrijven hoe lucht over complex terrein stroomt, te koppelen aan modellen die brandgedrag voorspellen. Een dergelijk systeem, een computermodel dat is ontwikkeld in het Missoula Fire Sciences Laboratory van de US Forest Service in Montana, wordt nu regelmatig gebruikt door federale agentschappen om te voorspellen waar branden zullen groeien.
Coen ging nog een stap verder en ontwikkelde een gezamenlijk atmosfeer-en-vuurmodel met luchtstroom. Het kan bijvoorbeeld beter simuleren hoe wind wervelt en rond pieken in steil terrein breekt.
Haar model werd schokkend echt op 8 november 2018, toen ze was gepland om een lezing te geven, 'Understanding and Predicting Wildfires', aan Stanford University. De avond ervoor, tijdens het werken aan haar presentatie, zag ze rapporten dat de Pacific Gas and Electric Company overweegt om apparatuur in delen van de uitlopers van de Sierra Nevada te sluiten omdat er sterke wind werd voorspeld.
De volgende ochtend ging ze naar het symposium, maar zat achterin op internet te zoeken en te luisteren naar noodradiofeeds. Terwijl collega's spraken, volgde ze het scannerverkeer en hoorde dat er een brand was ontstoken in Noord-Californië en zich snel had verspreid naar de stad Paradise. "Dat was het moment waarop ik mijn presentatie moest lanceren", zegt ze. “Ik kon door de wind zien, door hoe slecht de evacuatie ging, dat het een vreselijke gebeurtenis zou worden. Maar op dat moment wisten we niet dat dit de meest dodelijke in de geschiedenis van Californië zou zijn. '
Die sterke wind waarover ze had gehoord, bleek cruciaal voor de verspreiding van het vuur en het paradijs. Sterke neerwaartse wind duwde de vlammen de zwaar beboste stad in. Volgens de fysica in haar modellen was het volledig voorspelbaar, zegt Coen: "Veel rare dingen zijn logisch als je naar deze fijne circulaties kijkt."
Een ander voorbeeld is het Tubbs-vuur dat Santa Rosa in oktober 2017 verwoestte en in iets meer dan drie uur 12 mijl brulde. De modellen van Coen onderzoeken hoe luchtstromen die bekend staan als de Diablo-wind door het landschap bewegen. Het bleek dat een laag stabiele lucht snel over de complexe topografie boven Santa Rosa gleed. Waar het bergruggen raakte, veroorzaakte het uitbarstingen van hoge snelheidswinden. Verrassend kwam de wind niet uit de hoogste pieken, maar eerder uit een kleinere reeks pieken die tegen de wind in zaten. De locatie van sommige van die windstoten, die volgens haar model tot 90 mijl per uur bereikten, komt overeen met waar de brand ontstak - misschien vanwege storingen in elektrische apparatuur. Coen beschreef het werk in Washington, DC, in december tijdens een bijeenkomst van de American Geophysical Union.
De modellen van Coen helpen ook bij het verklaren van de brand in Redwood Valley, die begon in dezelfde storm als de Tubbs-brand. (Veertien afzonderlijke branden braken uit in Noord-Californië in een tijdsbestek van 48 uur, toen een hogedruk-weersysteem het binnenland Diablo-winden naar de kust stuurde.) Maar in dit geval was er een zeven-mijl brede kloof in de bergen die winden waren kan erdoorheen rennen, comprimeren en versnellen. Het was als een enkele smalle rivier van wind - die moeilijk te herkennen zou zijn met traditionele weers- of brandvoorspellingen, zegt Coen. "Als je naar de weergegevens zou kijken en zou zien dat deze ene situatie ongebruikelijk was in vergelijking met de rest, dan zou je geest de neiging hebben deze te negeren, " zegt ze.
Maar voorspellers moeten aandacht besteden aan die flitsen van snelle windsnelheden. Ze zouden kunnen aangeven dat er iets heel gelokaliseerd - en zeer gevaarlijk - aan de hand is.
Van vonk tot verbranding
Onderzoekers zoals Coen volgen de verspreiding van de omtrek van een brand om te voorspellen waar de actieve vuurlijn zou kunnen bewegen. Maar natuurkunde kan wetenschappers ook helpen om een ander type branduitbreiding beter te begrijpen: wat gebeurt er als de wind sintels vangt en ze mijlen voor het vuurfront ophoopt. Wanneer ze landen, kunnen die sintels soms uren op hun plaats smeulen voordat ze een stapel bladeren, een dek of iets anders ontvlambaar ontsteken. Dat is een groot probleem voor brandweerlieden die proberen te achterhalen waar ze hun middelen moeten inzetten - of ze nu aan de hoofdvuurlinie moeten blijven of moeten achtervolgen waar ze denken dat spotbranden kunnen ontbranden.
Om deze vraag te beantwoorden, heeft Gollner aan de Universiteit van Maryland de kleinschalige fysica van wat een sintel nodig heeft om te ontbranden, uitgewerkt. Zijn laboratorium is op de afdeling Fire Protection Engineering, en het ziet er zo uit. Butaanaanstekers vullen laden. Een doos met dennenstro rust op een plank. Dikke brandwerende handschoenen liggen boven op een kruk. De lucht ruikt mild zuur, als de geur van een brand die net is gedoofd.
Langs een muur van het laboratorium, onder een grote ventilatiekap, pronkt Gollner met een metalen apparaat dat een beetje platter en breder is dan een schoenendoos. Hier maakt hij een sintel door een kurkvormig stuk hout aan te steken en in de doos te plaatsen. Een ventilator blaast een constant briesje over het smeulende vuurmerk, terwijl instrumenten onder de kast de temperatuur en warmtestroom meten van het oppervlak waarop het zit. Met dit apparaat kan Gollner bestuderen wat er nodig is voor sintels om voldoende warmte te genereren om een bouwbrand te veroorzaken. "Er is veel onderzoek gedaan naar grasbedden en fijne spullen, " zegt hij. "We wilden begrijpen, hoe ontsteekt het je terras, je dak of je structuur?"
Het blijkt dat een enkele sintel, of een handvol sintels, niet zoveel warmte kan opbouwen als het op een materiaal zoals een dek of een dak landt. Maar stop een of twee dozijn sintels in het apparaat van Gollner en de warmteflux stijgt dramatisch, melden hij en zijn collega's in het March Fire Safety Journal . "Je begint opnieuw straling tussen hen te hebben, " zegt hij. "Het gloeit, onder de wind - het is gewoon mooi."
Brandweerwetenschapper Michael Gollner van de Universiteit van Maryland demonstreert een apparaat dat test hoe brand zich vanuit verschillende hoeken verspreidt. Wanneer hij het ontstekingsoppervlak verhoogt van horizontaal naar gekanteld, reageren de vlammen anders - informatie die brandweerlui kunnen gebruiken bij het bestrijden van groeiende branden. (Alexandra Witze) Slechts een kleine stapel sintels kan ongeveer 40 keer de warmte genereren die u op een warme dag van de zon zou voelen. Dat is net zoveel verwarming, en soms meer, als afkomstig is van het vuur zelf. Het is ook voldoende om de meeste materialen, zoals het hout van een terras, te doen ontbranden.
Dus als er veel sintels voor een brand vliegen, maar die sintels landen relatief ver van elkaar, dan bouwen ze mogelijk niet de stralingswarmte op die nodig is om een vlekbrand te genereren. Maar als de sintels zich ophopen, misschien door de wind in een spleet van een dek geblazen, kunnen ze samen smeulen en vervolgens een ontsteking veroorzaken, zegt Gollner. De meeste huizen die branden in de wildland-stedelijke interface ontbranden uit deze sintels, vaak uren nadat het vuurfront zelf is gepasseerd.
Inzicht in de warmteflux op deze kleine schalen kan verhelderen waarom sommige huizen branden, terwijl andere dat niet doen. Tijdens de Tubbs-brand werden huizen aan de ene kant van sommige straten verwoest, terwijl die aan de andere kant nauwelijks schade hadden. Dat kan zijn omdat het eerste huis dat energie naar zijn buurman heeft uitgestraald, dat vervolgens naburige huizen als domino's heeft verbrand vanwege de stralingswarmte. Wanneer huizen dicht op elkaar staan, kunnen er maar zoveel huiseigenaren het gevaar verminderen door borstel en brandbaar materiaal rondom het huis op te ruimen.
Beheersing van het beest
Gollner - een inwoner van Californië die opgroeide met het evacueren van bosbranden - werkt nu aan andere aspecten van branduitbreiding, zoals wat nodig is om een vlammend stuk vegetatie af te breken in harde wind en andere struiken in de wind te ontsteken. Hij bestudeert vuurwervelingen om te zien of ze kunnen worden gebruikt om olievlekken in de oceaan af te branden, omdat wervelingen de olie sneller en zuiverder verbranden dan een niet-roterend vuur. En hij begint een project over de gezondheidseffecten van het inademen van natuurbrandrook.
Voor nu hoopt hij dat zijn onderzoek kan helpen om huizen en levens te redden tijdens een actieve brand. "Je gaat nooit iets vuurvast maken, " zegt hij. "Maar als je het beter maakt, maak je een groot verschil." Huizen gebouwd met schilden tegen sintels die door zolderopeningen binnenkomen, of met behulp van ontstekingsbestendige materialen zoals asfalt in plaats van houten gordelroos, zullen minder waarschijnlijk ontbranden dan huizen die niet zijn gebouwd om die normen. Als slechts 10 huizen en niet 1.000 ontbranden tijdens een vuurstorm, kunnen brandweerlui misschien de volgende grote brand beter beheren, zegt Gollner.
Naarmate het klimaat warmer wordt en branden extremer worden, weten brandwetenschappers dat hun werk relevanter is dan ooit. Ze proberen hun onderzoek ertoe te brengen waar het telt - in de frontlinie met BHV-ers. Coen werkt bijvoorbeeld om haar wildvuurmodellen sneller te laten draaien dan realtime, zodat ze bij het volgende grote vuur snel kan voorspellen waar het zou kunnen gaan, gegeven de wind en andere atmosferische omstandigheden. En Lareau ontwikkelt manieren om de verspreiding van een brand in bijna realtime te volgen.
Hij gebruikt weersinformatie zoals de grondradar die hij gebruikte om de Carr firenado te volgen, evenals satellieten die de brandperimeter in kaart kunnen brengen door de warmte te bestuderen die van de grond stroomt. Uiteindelijk wil hij een realtime voorspellingssysteem zien voor bosbranden zoals die momenteel bestaan voor onweersbuien, tornado's, orkanen en andere weersomstandigheden.
"De waarschuwingen zullen het vuur niet doven", zegt Lareau. “Maar misschien helpt het ons om te beslissen waar we die beslissingen nemen. Dit zijn omgevingen waar minuten ertoe doen. ”
Knowable Magazine is een onafhankelijk journalistiek streven van Annual Reviews. Alexandra Witze (@alexwitze) is een wetenschapsjournalist die woont in de wildland-stedelijke interface boven Boulder, Colorado, waar ze af en toe rook ziet van nabijgelegen branden.
