Plamenovi počinju rasti. Mike Heck skače unatrag. Vretena se ližu prema gore, lebde na vjetru, a zatim se stapaju u vrtlog plamena, žarulja sa žarnom žutom žutom narančastom i crvenom bojom. "Evo!" Kaže jedan gledatelj. Još jedan zviždi od zaprepašćenja.
Ali nikoga nije briga. Heck je namjerno zapalio vatru, zapalivši lonac s tekućinom na podu sobe prekrivene betonskim blokovima da sadrže plamen. Usisna kapuljača odozgo sprječava da dim puhne u obližnje učionice.
Heckov nadzornik, vatrogasac Michael Gollner sa Sveučilišta Maryland u College Parku, u svome laboratoriju redovito dočarava takve blistave stupove, poznate kao vrtložni požari. (Gollner i njegove kolege istražuju nauku o tim pojavama u Godišnjem pregledu mehanike fluida za 2018. godinu) Iz njih, kao i iz drugih vatrenih eksperimenata, želi naučiti kako se plamen pojačava i širi dok gori gradovi i pejzaži. Gollnerov cilj je bolje razumjeti što pokreće vatru da preskoči svoj put od kuće do kuće i s drveta na stablo.
Stjecanje novih uvida u ponašanje od požara postaje sve hitnije jer su požari postajali sve ekstremniji, posebno u zapadnoj Sjevernoj Americi. Počev od sredine 1980-ih, velike divlje vatre odjednom su postale mnogo češće u zapadnim američkim šumama, posebno u sjevernim Stjenovitim planinama. U novije vrijeme šume na pacifičkom sjeverozapadu zabilježile su najveći porast veličina požara, s gotovo 5000 posto povećanja površine spaljivanja od 2003. do 2012. u usporedbi sa prosjekom 1973–1982. U cijeloj zemlji prosječna površina koja je izgorjela u godinama od 2000. gotovo je dvostruko veća od godišnjeg prosjeka za devedesete godine.
I samo u posljednje dvije godine, nekoliko smrtonosnih napadača spaljivalo je dijelove Kalifornije. Više od 5.600 građevina izgorjelo je do temelja u Santa Rosa i oko nje u listopadu 2017. Prošlog srpnja u Reddingu, visoki topli zrak i pepeo iznjedrio je vrtoglavi "firenado" poput onog u Gollnerovoj laboratoriji - ali mnogo veći i dovoljno bjesomučan ubiti vatrogasca. Istog mjeseca požari su gorjeli velike površine u Mendocinu i tri druge županije. Četiri mjeseca kasnije, 85 ljudi je poginulo u kampu u Raju, od kojih su mnogi spaljivani pokušavajući izbjeći plamen u svojim automobilima.
Razarački rekordi
Sve u svemu, nedavni požari u državi postavili su rekorde za najveće, najsmrtonosnije i najrazornije požare u Kaliforniji. "Priroda je dala zapanjujući slijed događaja, a svaki je nadmašio onaj prije", kaže Janice Coen, atmosferska znanstvenica koja proučava požar divljih životinja u Nacionalnom centru za atmosferska istraživanja u Boulderu, Colorado. Ona i drugi se pitaju: "Je li to drugačije od prošlosti? Što se ovdje događa?"
Ukupni broj svih požara u SAD-u pokazuje ukupno povećanje tijekom posljednjih nekoliko desetljeća, iako postoji mnogo varijacija tijekom godine. Ukupna hektara izgorjela u tim divljim požarima pokazuju sličan, iako malo dramatičniji uzlazni trend. Studije usredotočene na zapadne američke požare pokazale su očit porast broja velikih požara posljednjih godina. (Nacionalni međuresorni koordinacijski centar / Časopis " Mnogo je čimbenika potaknulo ovo neviđeno širenje devastacije divljih vatra. Desetljeća refleksno gašenja požara čim su zapalili omogućili su da se grmlje i drveće na vatri nakuplja u neizgorjelim područjima. Klimatske promjene donose toplije temperature, manje kiše i snježnih pahuljica, a više šanse da se goriva osuše i izgaraju. (Za klimatske promjene uzrokovane čovjekom krive se za gotovo udvostručenje šumskog područja spaljenog u zapadnim Sjedinjenim Državama od 1984.) U međuvremenu, sve više ljudi seli u divlja područja, povećavajući vjerojatnost da će netko zapaliti požar ili nanijeti štetu ako jedan počinje rasti.
Coen i drugi znanstvenici dodiruju fiziku kako bi otkrili što uzrokuje da jedan običan plamen eskalira u epsku megafire. Da bi se to postiglo, neki istraživači voze se do rubova požara, istražujući svoje tajne laserskom i radarskom opremom koja se može vidjeti kroz nabujale oblake dima. Drugi su razvili najsuvremenije modele koji opisuju kako se plamen utrkuje po krajoliku, vođen ne samo gorivima i terenom, već i kako se vatra i atmosfera međusobno hrane. I drugi, poput Gollnera, osmišljavaju laboratorijske eksperimente kako bi otkrili zašto se jedna kuća može zapaliti, a njezin susjed ostaje netaknut.
Ovakvi nalazi mogu pokazati kako se ljudi mogu bolje pripremiti za budućnost s intenzivnijim požarima, a možda i kako se vatrogasci mogu učinkovitije boriti protiv njih.
Vatreno vrijeme
Kad je riječ o borbenim paljbama, "dosta se oslanjamo na ono što su ljudi vidjeli požari u prošlosti", kaže Neil Lareau, meteorolog sa Sveučilišta u Nevadi, Reno. "To osobno duboko iskustvo je zaista dragocjeno, ali raspada se kad atmosfera pređe u ono što bih nazvao vanjskim načinom rada - kada ćete biti svjedoci nečemu što nikad prije niste vidjeli."
Tako Lareau radi na prikupljanju podataka o požarima dok se odvijaju, nadajući se da će jednoga dana moći uputiti specifična upozorenja za vatrogasce dok se bore sa plamenom. Razumije opasnost više nego što to čine mnogi akademski istraživači: Proveo je tri ljeta pokušavajući se približiti divljim požarima, kao dio poznatog istraživačkog tima za meteorologiju koji je vodio Craig Clements sa Sveučilišta San Jose u Kaliforniji.
Poput olujnih lovaca koji hodaju tornada po ravnicama Srednjeg zapada, vatrogasci moraju biti spremni na sve. Prolaze obuku vatrogasaca, učeći kako predvidjeti gdje se vatrogasna linija može kretati i kako u hitnim slučajevima razmjestiti vatrogasno sklonište. Registriraju se u saveznom sustavu upravljanja u kriznim situacijama, tako da mogu biti službeno pozvani na područja u koja javnost ne može ići. I putuju sa sofisticiranom mašinom za lasersko skeniranje u stražnjem dijelu jednog od svojih kamiona za prodiranje pepela i dima koji se dižu iz aktivne vatre.
"Upravo smo tako što smo svojim laserom usmjerili na stvari počeli smo viđati stvari koje ljudi dosad nisu dokumentirali", kaže Lareau. Rana otkrića uključuju zašto se vatreni pljusak širi dok se diže, dok se dimni zrak gura prema van, a čist zrak se ugura prema unutra, i kako se unutar pljuska mogu formirati okretni stupići zraka. "Postoji fascinantno okruženje u kojem vatra i atmosferski procesi djeluju jedni s drugima", kaže on.
Pirocumulonimbus oblaci tvore i hrane toplinu koja izbija iz vatre divljih vatri ili vulkana. Kako se dimni dim diže, on se hladi i širi, dopuštajući vlazi u atmosferi da se kondenzira u oblak koji može stvoriti munje ili čak vatre - u stvari grmljavinu koja se rodila iz vatre. (Biro za meteorologiju, Australija / Knovable Magazine) Jedan od najdramatičnijih primjera "vatrenog vremena" su oblaci poput oluje koja se mogu pojaviti visoko iznad vatre. Nazvani pirocumulonimbus oblaci, nastaju kada je u atmosferi relativno visoka vlažnost. Splav pepela i vrućeg zraka brzo se uzdiže iz vatre, šireći se i hladeći kako raste. U nekom se trenutku, obično obično visok oko 15 000 stopa, dovoljno hladi da se vodena para unutar zraka kondenzira u oblak. Kondenzacija oslobađa više topline u pljusak, pojačavajući ga i stvarajući svijetli bijeli oblak koji može visiti do 40 000 stopa.
Ispod baze oblaka zrak može poletjeti prema gore brzinom približavajući se 130 miljama na sat, pokretana konvekcijom unutar pljuska, otkrio je tim države San Jose. Što više vatra raste, to se više zraka uvlači u uzlazni jak, pojačavajući čitav plamen. A u rijetkim se slučajevima čak može i roditi plameni tornado.
Rođenje vatrenog tornada
Lareau je promatrao oblik vatrenog oružja gotovo u stvarnom vremenu za vrijeme požara na Carru, u blizini Reddinga, u srpnju 2018. U ovom slučaju on nije bio u blizini s laserom u svom kamionu, već je sjedio za računalom i gledao radarske podatke. Vremenski radari, poput onih koji se koriste za vašu lokalnu prognozu, mogu pratiti brzinu sitnih čestica poput pepela koji se kreće u zraku. Kako se razvijala vatra Carr, Lareau je izvukao radarske podatke iz vojne baze gotovo 90 milja od rastuće vatre. Promatrajući kako se pepeo kreće u suprotnim smjerovima u različitim razinama atmosfere, mogao je vidjeti kako se atmosferska rotacija unutar pljuska smanjuje i pojačava. Poput figurnih klizača koji se uvijaju za vrijeme rotacije, rotacija se stezala i ubrzala kako bi oblikovala koherentan vrtlog - tornado ugrađen u veći pepeo.
To je tek drugi poznati primjer, nakon burne oluje 2003. godine u Australiji, tornada nastalog zbog oblaka pirocumulonimbusa, napisali su Lareau i kolege u prosincu u Geofizičkim istraživačkim pismima . Vatra pruža početnu toplinu koja stvara oblak, koja potom stvara tornado. "Dinamika koja dovodi do kolapsa rotacije nije vođena samo vatrom, već ih pokreće i sam oblak", kaže Lareau. "To je uistinu ono što se razlikuje u ovom slučaju u usporedbi s vašom vrtložnošću vatre više sorte."
Zamislite twister usred sukoba i lako je vidjeti zašto je Carr požar bio tako razoran. Uz brzinu vjetra od preko 140 milja na sat, vatreni tornado srušio je električne kule, omotao čeličnu cijev oko stupa struje i usmrtio četiri osobe.
Taj je pirocumulonimbus oblak zazvonio nad vatrom Willow blizu Paysona, Arizona, 2004. Ispod tamnog dima; iznad je zapanjujući bijeli oblak kondenziranih kapljica vode. (Eric Neitzel / Wikimedia Commons) Predviđanje plamena sljedeći korak
Upravo takva devastacija pokreće Coen na modeliranje požara. Odrasla je neposredno ispred Pittsburgha, kćerka vatrogasaca, a kasnije je postala očarana kako vjetrovi, vrtloženje i druga atmosferska cirkulacija pomažu u širenju plamena. Ovisno o tome kako zrak prolazi pokraj krajolika, vatra se može premjestiti na mjesto na kojem se kreće - možda se podijeliti na dva dijela, a zatim se ponovo spojiti ili iskočiti male vrtloge ili vrtloge duž linije vatre. "Šumari misle o požarima kao gorivu i terenu", kaže Coen. "Mi kao meteorolozi vidimo mnogo pojava koje prepoznajemo."
U 1980-im i 1990-im meteorolozi su počeli povezivati vremenske modele, koji opisuju kako zrak prolazi preko složenog terena, s onima koji predviđaju ponašanje od požara. Jedan takav sustav, računalni model razvijen u Laboratoriji za nauku o požaru u Missouli američke službe u Montani, sada redovito koriste savezne agencije za predviđanje gdje će požari narasti.
Coen je otišao korak dalje i razvio zajednički model atmosfere i vatre koji uključuje protok zraka. Na primjer, može bolje simulirati kako vjetrovi propadaju i probijaju se oko vrhova strmih terena.
Njezin je model postao šokantno stvaran 8. studenoga 2018., kada je trebala održati predavanje „Razumijevanje i predviđanje požarišta“ na Sveučilištu Stanford. Noć prije, radeći na svom predstavljanju, vidjela je izvještaje da Pacific Gas and Electric Company razmatra mogućnost zatvaranja opreme u dijelovima podnožja Sierre Nevade jer su prognozirali jaki vjetrovi.
Sljedećeg jutra otišla je na simpozij, ali sjedila je straga pretražujući Internet i slušajući hitne radio feedove. Dok su kolege govorile, pratila je promet skenera, slušajući kako je požar zapaljen u sjevernoj Kaliforniji i brzo se proširio prema gradu Paradiseu. "Tada sam morala krenuti u prezentaciju", kaže ona. "Mogao bih prema vjetrovima reći, koliko loše evakuacija ide, da će to biti grozan događaj. Ali u tom trenutku nismo znali da će biti najsmrtonosnija u povijesti Kalifornije. "
Snažni vjetrovi koje je čula za njih pokazali su se ključni za način na koji se vatra širila i zahvatila Raj. Snažni vjetrovi koji su spuštali plamen gurali su plamen u grad koji je šumovit. Prema fizikama svojih modela, Coen kaže da je to potpuno predvidljivo: "Mnogo čudnih stvari ima smisla nakon što pogledate ove krupne krugove."
Drugi primjer je vatra iz Tubbsa koja je opustošila Santa Rosa u listopadu 2017., jureći preko 12 kilometara u nešto više od tri sata. Coenovi modeli istražuju kako se protoci zraka poznati kao Diablo vjetrovi kreću po krajoliku. Ispada da je sloj stabilnog zraka brzo prešao preko složene topografije iznad Santa Rosa. Tamo gdje je pogodio planinske grebene, stvarao je praske brzinskih vjetrova. Iznenađujuće, nalet vjetra nije sišao s najviših vrhova, već je manji skup vrhova koji su bili napuhani. Položaj nekih tih udara vjetra, koji su prema njenom modelu dosezali i do 90 milja na sat, odgovara mjestu gdje se vatra zapalila - možda zbog kvara električne opreme. Coen je opisao djelo u Washingtonu, DC, u prosincu, na sastanku Američke geofizičke unije.
Coenovi modeli također pomažu objasniti požar u dolini Redwood, koji je započeo u istoj oluji kao i požar u Tubbsu. (Četrnaest zasebnih požara izbio je u sjevernoj Kaliforniji u razmaku od 48 sati, jer je vremenski sustav pod visokim pritiskom u unutrašnjost poslao Diablo vjetrove koji su jurili na obalu.) Ali u ovom je slučaju u planinama postojao jaz u širini od sedam milja, u stanju projuriti, sabijajući se i ubrzavajući. Bilo je to poput jedne uske rijeke vjetrova - koju bi bilo teško uočiti s tradicionalnim vremenskim prognozama ili prognozama požara, kaže Coen. "Kad biste gledali vremenske podatke i vidjeli da je ova jedna situacija neuobičajena u usporedbi s ostalim, vaš um će je skloniti odbaciti", kaže ona.
Ali prognostičari moraju obratiti pozornost na one kratke očitanja brzine vjetra. Mogli su signalizirati da se događa nešto vrlo lokalizirano - i vrlo opasno.
Od iskre do izgaranja
Istraživači poput Coena prate širenje oboda vatre kako bi predvidjeli kuda bi se mogla kretati linija aktivne vatre. Ali fizika može i znanstvenicima pomoći da bolje razumiju drugu vrstu širenja vatre: što se događa kad vjetrovi zahvate žetve i povuku ih kilometrima ispred vatrene fronte. Kad slete, te žernjavice ponekad mogu zasmetati satima prije nego što zapale hrpu lišća, palubu ili nešto drugo zapaljivo. To je veliki problem vatrogascima koji pokušavaju otkriti gdje će rasporediti svoje resurse - bilo da ostanu na glavnoj vatrogasnoj liniji ili jure gdje misle da mogu upaliti požar.
Da bi se pozabavili ovim pitanjem, na Sveučilištu u Marylandu Gollner je razrađivao sitnu fiziku onoga što je potrebno za paljenje ugljena. Njegova je laboratorija u Odjelu za zaštitu od požara, a čini se da je dio. Butanski upaljači pune ladice. Kutija od borove slame leži na polici. Debele rukavice protiv vatre leže iznad stolca. Zrak blago miriše oštro, poput puhanja vatre koja se upravo ugasila.
Duž jednog zida laboratorija, ispod velikog ventilacijskog poklopca, Gollner pokazuje metalnu kontracepciju malo ravne i šire od kutije za cipele. Tu stvara žuljevicu tako što zapaljuje komad drveta u obliku plute i stavlja ga unutar okvira. Ventilator puše stalni povjetarac nad tinjajućim vatrenim mlazom, dok instrumenti ispod kutije mjere temperaturu i toplinski tok površine na kojoj sjedi. Pomoću ovog uređaja Gollner može proučiti što je potrebno za žir da stvori dovoljno topline za pokretanje građevinskog požara. "Mnogo je studija učinjeno na krevetima s travama i sitnim stvarima", kaže on. "Htjeli smo shvatiti, kako se to zapali na vašu palubu, krov ili konstrukciju?"
Ispada da niti jedan žubor ili nekoliko žetvi ne mogu sakupiti toliko topline ako padnu na materijal poput palube ili krova. Ali stavite jednu ili dvije desetine žetve u Gollner-ov uređaj i toplinski tok drastično poraste, on i njegovi kolege izvijestili su u ožujku Vatrogasna sigurnost . "Počeli ste ponovo zračiti između njih", kaže on. "Sjaji se, pod vjetrom - jednostavno je lijepo."
Michael Gollner sa sveučilišta u Marylandu, demonstrira uređaj koji testira kako se vatra širi pod različitim kutovima. Kada podigne površinu paljenja s horizontalne na nagnutu, plamenovi reagiraju drugačije - informacije koje vatrogasci mogu upotrijebiti u gašenju rastućih požara. (Aleksandra Witze) Samo mala hrpa žetve može stvoriti oko 40 puta veću toplinu koju biste osjećali od sunca za vrućeg dana. Toliko grijanja, a ponekad i više, proizlazi iz same vatre. Također je dovoljno zapaliti većinu materijala, poput drva palube.
Dakle, ako ispred vatre leti mnogo žetve, ali one gore što se nalaze relativno udaljene jedna od druge, možda neće stvoriti zračenje topline potrebne za stvaranje točkaste vatre. Ali ako se žuljevica nagomilava, možda ih će vjetar raznijeti u pukotinu palube, one se zajedno mogu tinjati i pokrenuti paljenje, kaže Gollner. Većina kuća koje izgorijevaju na sučelju divlje zemlje i grada zapalju se iz tih žljebova, često satima nakon što prođe požarni front.
Razumijevanje toplinskog toka na tim malim mjerilima može rasvijetliti zašto neke kuće izgaraju, a druge ne. Za vrijeme požara u Tubbsu uništene su kuće s jedne strane nekih ulica, dok one s druge strane gotovo da i nisu imale oštećenja. To je možda zato što je prva kuća koja je zapalila zračila energiju svoga susjeda, koji je tada zbog radijacijske topline spalio susjedne kuće poput domina. Kad su kuće usko nabijene zajedno, samo toliko vlasnika kuća može učiniti da ublaži opasnost uklanjanjem četke i zapaljivog materijala oko kuće.
Kontroliranje zvijeri
Gollner - podrijetlom Kalifornije koji je odrastao evakuirajući se od požara - sada radi na drugim aspektima širenja vatre, poput onoga što je potrebno da se plameni komad vegetacije raspukne pri jakom vjetru i zapali druge grmlje niz vjetar. On proučava vrtloženje vatre da vidi može li ih se koristiti za spaljivanje mrlja nafte u oceanu, budući da vrtloge izgaraju ulje brže i čistije od vatre koja ne zagađuje. I započinje projekt o zdravstvenim učincima udisanja dima iz vatre.
Za sada se nada da će mu istraživanja pomoći spasiti domove i živote tijekom aktivne požara. "Nikada nećete napraviti ništa vatrootporno", kaže on. "Ali što vam je bolje, napravite veliku razliku." Kuće sagrađene oklopom protiv žetve koja ulazi kroz potkrovne otvore ili upotrebom materijala otpornih na paljenje poput asfalta umjesto šindre od drva, može se manje vjerovatno zapaliti od kuća koje nisu izgrađene ti standardi. Ako se tijekom vatrene oluje zapali samo 10 domova, a ne 1.000, vatrogasci bi mogli bolje upravljati sljedećim velikim sukobom, kaže Gollner.
Kako klimatsko zagrijavanje i požari postaju sve ekstremniji, vatrogasci znaju da je njihov rad relevantniji nego ikad prije. Oni se trude da svoje istraživanje imaju na mjestu gdje se broji - na prve linije s dužnosnicima za upravljanje u hitnim situacijama. Coen, na primjer, radi na pokretanju svojih modela za gašenje požara brže nego u stvarnom vremenu, tako da kad izbije sljedeći veliki požar, brzo može predvidjeti kuda bi mogla otići s obzirom na vjetar i druge atmosferske uvjete. I Lareau razvija načine za praćenje širenja požara u skoro stvarnom vremenu.
On koristi vremenske informacije poput zemaljskog radara koji je koristio za praćenje Carr-ovog vatrogasaca, kao i satelite koji mogu preslikati obod vatre proučavajući toplinu koja teče s tla. Na kraju želi vidjeti sustav predviđanja u divljini u stvarnom vremenu poput onih koji trenutačno postoje za grmljavinske oluje, tornada, uragane i druge vremenske događaje.
"Upozorenja neće zaustaviti vatru", kaže Lareau. „Ali možda će nam to pomoći da odlučimo gdje ćemo donijeti te odluke. Ovo su okruženja u kojima su minute važne. "
Knovable Magazine je neovisna novinarska nastojanja časopisa Annual Review . Alexandra Witze (@alexwitze) znanstvena je novinarka koja živi na sučelju divlje zemlje i grada iznad Bouldera u državi Colorado, gdje povremeno vidi dim iz obližnjih požara.
