211service.com
Möt forskarna som försöker förstå världens värsta skogsbränder
Det kommer inte att vara lätt att uppdatera den 47-åriga standarden för att förutsäga vad bränder kommer att göra – men det kommer att rädda liv. 16 december 2019
brand tornado Kristine Paulsen
Jason Forthofer hade bekämpat Sunrise Fire i södra Montana i mer än en vecka när han gjorde det största misstaget i sin karriär. Han arbetade med ett team vid brandkanten, grävde diken och tände kontrollerade flammor i den kvävande hettan, när han hörde ett rykte om en stuga i närheten som kunde behöva skydd.
Nyfikna och ivriga att hjälpa Forthofer och hans kollega Kevin Beck axlade sina väskor tidigt en morgon och tog sig upp på en gammal gruvled in i den närliggande skogen. Forthofer var till fots, medan Beck åkte på en fyrhjuling. Snart trängde de sig genom snår, grenar som fastnade i det tunga materialet i deras brandskyddande rockar. Kanske fanns det några moln ovanför; om det fanns, ignorerade Forthofer dem. Incidentmeteorologen som arbetade med teamet hade varnat för möjliga åskväder i flera dagar - typiskt för en Montana-sommar - men ingen hade inträffat.
Stugan, när de hittade den, var ungefär en halv mil från vägen, en ranglig gruvkoja lappad av metallskrot och omgiven av douglasgranar. De undersökte byggnaden: det såg ut som om folk hade varit där nyligen, men ingen var hemma nu. Sedan hörde Forthofer ett ljud som fick magen att släppa: det djupa mullret av åska. Topparna på de närliggande träden började svaja.
Beck hoppade på sin fyrhjuling och Forthofer joggade honom och tog sig till vägen så fort som den tjocka borsten tillåter. De hade tagit en dum risk genom att ignorera prognoserna – och de visste det. En annalkande storm kan lätt skjuta upp farliga vindar och skjuta okontrollerad eld mot dem med fruktansvärd hastighet.
Forthofers panik ökade när vindarna ökade. Trettio mil i timmen. Sedan 40. När de närmade sig vägen, bröt han in i en löpning, i vetskap om att lågorna kunde nå honom när som helst.
Svettiga och utmattade, skräckslagna över vad som kunde ha hänt, kom Forthofer och Beck tillbaka. De var säkra. Men en tanke spelade om och om igen i Forthofers huvud: Jag kunde ha dött precis där. Det är så brandmän dör.
Jason Forthofer står på taket till Missoula Fire Sciences Lab. Kristine Paulsen
Sunrise var bara en av 21 bränder som brände Montana under sommaren 2017. Men branden var mestadels släckt när Forthofer satt vid sitt skrivbord några veckor senare och betraktade sin upplevelse ur ett annat perspektiv. När han inte bekämpar bränder direkt, studerar Forthofer dem och arbetar med en grupp analytiker, biologer, dataprogrammerare och ingenjörer vid Missoula Fire Sciences Lab i Montana.
Hans dubbla roller - i frontlinjen och som forskare - exemplifierar labbets unika position i amerikansk skogsbrandbekämpning.
Det sammanhanget är kritiskt, och det är inget som de flesta forskare får, säger ekologen Matt Jolly, en av Forthofers kollegor. De försöker skriva om skogsbrand, skriva om kroneld [i trädkronor]. Och de har aldrig sett en!
Brandlabbet är kanske mest känt för de datorprogram som det producerar för att förutsäga beteende vid skogsbränder. 1972 använde en forskare vid namn Dick Rothermel en serie enkla experiment för att skapa en av de första matematiska modellerna som kunde förutsäga hur en brand kan sprida sig. Rothermel brände bränsle i sin vindtunnel och kontrollerade faktorer som vindhastighet och observerade sedan hans bränder när de växte. Han plottade resultaten på en graf och använde data för att härleda en uppsättning ekvationer som kunde tillämpas på skogsbränder överallt. Plötsligt kunde analytiker göra förutsägelser om hur en eldsvåda skulle spridas - och resultaten förändrade experternas sätt att tänka på och interagera med eld.
Matt Jolly ser en eld brinna i labbet. Kristine Paulsen
Idag ger Rothermel-modellen ryggraden för nästan alla datorprogram som används för att analysera beteenden vid skogsbränder i USA. Men även om hans arbete var avancerat för sin tid, tog Rothermel inte hänsyn till många av de faktorer som gör att bränder beter sig annorlunda i den verkliga världen än de gör i den begränsade miljön i ett labb. Hans forskning antog till exempel att tallbarr i en grund bränslebädd skulle brinna på samma sätt som samma barr staplade mycket högre. Modeller som Rothermels är bara riktigt giltiga för mängden data och experiment du körde, säger Forthofer. Utanför det intervallet är det vem som helst att gissa om kurvan fortsätter.
För att kompensera har brandbeteendeanalytiker fäst en nästan oändlig serie av justeringar och indata på Rothermels skelett så att de kan göra mer exakta förutsägelser om hur en viss brand kommer att utvecklas under loppet av timmar eller dagar. De innehåller data som beskriver allt från sluttningar till vegetation till kapellegenskaper och väderfaktorer. Det hela är en bedrift av teknik och uppfinningsrikedom, ett försök att förutsäga något som har använts i århundraden med att vara mystiskt och omöjligt att veta.
Men idag, efter decennier av torka och stigande temperaturer, har monstruösa eldsvådor över hela den amerikanska västern bringat systemets svagheter i fokus. Rothermels modell kan inte hantera allt som miljön kastar på den, från antalet döda träd som nu står i Amerikas skogar till fluktuerande vindhastigheter.
Ett porträtt av Harry T. Gisborne, pionjär inom skogsbrandsforskning, hälsar besökarna välkomna när de går in i laboratoriet. Kristine Paulsen
Verktygen är inte alltid rätt, förklarar Forthofer. De har nästan aldrig rätt, aldrig helt rätt. Och när de har fel kan det leda till verkliga och allvarliga konsekvenser: förlorade pengar, förlorade hem eller – värst av allt – förlorade liv.
Så, med infernos som äter genom tiotusentals hektar och dödar fler människor varje år, försöker Fire Lab bygga en helt ny modell för första gången på ett halvt sekel. Det finns mycket att ta igen.
En eftermiddag i juli 2019 ger Forthofer mig en rundtur i labbet, tillsammans med sin chef, Mark Finney. Brandbekämpning är aldrig långt borta för Forthofer – hans bror och fru var båda brandmän, och många av hans vänner är det fortfarande – och han har en solid fysik som någon som regelbundet vandrar med 100-pundspaket. Finney, däremot, är trådig och kantig, med silverfärgade tinningar och en tendens att tala i korta skurar.
Från och med byggnadens foajé finns det många unika detaljer. En uppstoppad bergsget presiderar över receptionen (vänligen rör inte geten, vädjar en närliggande skylt). Ett lapptäcke med löpeldstema från 2010 firar labbets 50-årsjubileum.
Utanför rasar moln över slätterna, men du skulle inte veta det inne i testlaboratoriets håliga, fönsterlösa utrymme, vars höga innerväggar är gjorda av korrugerad metall. Vi stannar framför en stor platta fylld med sand, som Forthofer och Finney förklarar är i huvudsak en gigantisk brännare. De pekar ut de anpassade propanstrålarna under, som gör att de kan kontrollera intensiteten på lågorna exakt och ta exakta mätningar när de brinner.
Labbet har fått smeknamnet Big Sandy, berättar Finney. (De har döpt liknande brännare Little Sandy och Big Bertha.) Ett av Big Sandys signaturexperiment mäter lågans längd, temperatur och tryck i en eld som startar i en rak linje. Rader av laserskurna papppinnar brinner upp en efter en i en nästan flytande rörelse när en rad lågor så höga som 8 fot breder ut sig över dem och bildar en våg av toppar och dalar.
Mätningar på Big Sandy har visat att dessa former orsakas av kall luft som intermittent trycker ner lågorna i deras bränslebädd och driver förbränningsprocessen. En videoinspelning som gjorts genom en flödesspåranalys lägger till tunna gröna linjer som gör det lättare att spåra den rörelsen. Den visar hur denna kalla luft snurrar in i en serie små virvlar, eller virvlar, när gaserna framför lågorna stiger och faller när de värms och svalnar. Utan den rörelsen skulle lågor inte röra sig framåt, förklarar Finney; de skulle helt enkelt flyta över sitt bränsle och så småningom gå ut.
På ett kontor i korridoren från Big Sandy tar brandanalytikern Chuck McHugh mig igenom en del av hans arbete. Modellerna han visar mig från tidigare skogsbränder ser ut som härvor av röda slingor och färgade fläckar överlagrade på kartor. I själva verket, förklarar han, dokumenterar de röda linjerna möjliga vägar som branden kan ta; de färgglada formerna visar hur många timmar det kan ta för branden att sprida sig till det området. På några av kartorna är dessa blobbar omgivna av bubblande fläckbränder, antändningar där programvaran gissade att gnistor kan hoppa bort från huvudbränningen. Det hela liknar en slemmögel, organisk och levande – vilket det på sätt och vis är.
Överallt där vi går försöker teamet bättre förstå och förutsäga brandbeteende. På övervåningen finns vindtunnlarna, där Forthofer och hans kollegor registrerar hur bränder påverkas av luft i olika hastigheter. Han visar också upp en hög, svart metallapparat vars böjda bas genererar det luftflöde som krävs för att skapa (och studera) 10-fots eldstornados. Vi avslutar vår rundtur i ett rum fullt av skum- och metallutrustning för att mäta hur värmen rör sig genom luften för att antända nytt bränsle när en brand startar. Hela platsen, förklarar de, kan ställas in på en specifik lufttemperatur och luftfuktighet eller öppnas för ventilation i nödfall.
Finney säger att all denna komplexitet visar att Rothermels arbete helt enkelt inte räcker till längre.
Mark Finney står framför Little Bertha, en utrustning som låter forskare testa hur eld rör sig uppför en sluttning. Kristine Paulsen
Bara för att du har en modell, säger han, betyder det inte att du förstår något.
Wildfire är full av småskaliga processer som Big Sandys virvlar. Varje del av forskningen som Fire Lab genomför är ett försök att studera en liten del av helheten. Och det är särskilt viktigt med element som vind, som både påverkar hur eld beter sig och fortsätter att påverkas av brand. Rothermel-modellen, hävdar Finney, kommer inte i närheten av att ta hänsyn till feedbackslingorna och konstiga beteendetrösklar i ett komplext system som det.
Chuck McHugh analyserar brandaktiviteten och sannolikheten för spridning. Hans beräkningar avgör om åtgärder måste vidtas – eller inga åtgärder alls.
Det är därför han är ute efter något nytt: en komplett teori som kan förklara brandbeteende, inte bara förutsäga det.
Strävan efter en komplett eldteori driver brandlabbets arbete inom ett antal områden, från vätskedynamik och konvektiv värmeöverföring till resonanstid - den period som en bränslepartikel som en tallbarr kommer att fortsätta att frigöra energi efter att den har antänts. Genom att kombinera alla dessa mindre modeller hoppas Forthofer och Finney skapa en större som kan förklara dessa fenomen i naturen.
Samma fysiska processer som gör att en gigantisk kronbrand med 200 fots lågor sprider sig är en del av en liten brand med en fots låga som sprider sig i vår tunnel, säger Forthofer.
Finneys skrivbord är tillägnat eld i alla dess former. Kristine Paulsen
Finney jämför sin uppgift med omvänd konstruktion av ett recept från en lista med ingredienser. Han och hans kollegor har redan satt ihop sina grundelement: strålning, konvektion, bränsle, värme, syre. Men vi har faktiskt inte mängderna av varje eller ordningen på varje eller beredningsinstruktionerna, säger han.
Även om Rothermels arbete har haft enorm inverkan, är det inte det enda spelet i stan. Kanada utvecklade sitt eget system, Prometheus, i början av 2000-talet. Forskare i Australien använder samtidigt sina egna datorprogram som passar in i outbacks bushfire. Rothermel-modellen är dock fortfarande standard. Alen Slijepcevic, biträdande chef för Country Fire Authority i den australiensiska delstaten Victoria, har tittat på Missoula Fire Labs uppdrag med intresse. Allt det arbetet kommer att ha en global implikation, ingen tvekan, säger han.
Inom brandlabbets konditioneringskammare, som är temperatur- och luftfuktighetskontrollerad, där exakt gjorda apparater används för brännskador. Kristine Paulsen
På andra håll har vissa institutioner vänt sig till ett annat tillvägagångssätt, känd som computational fluid dynamics (CFD), som modellerar hur vätskor och gaser rör sig. Tekniken delar upp ett område i ett nät av små enheter och beräknar hur varje del kan interagera med de andra. Resultaten kan efterlikna verkligt brandbeteende mer exakt.
Problemet är att detta kräver mycket mer datorkraft än ett program baserat på Rothermels system. Att köra en enskild CFD-modell kan ta dagar: National Weather Service måste använda superdatorer för att köra CFD-modeller som kan förutsäga vädret snabbare än i realtid. Detta gör det osannolikt att tekniken kommer att användas för att förutsäga beteendet hos skogsbränder inom kort: när en eldsvåda uppstår, knackar frontlinjeanalytiker ofta på hundratals simuleringar medan de arbetar på avlägsna platser där infrastrukturen vacklar och internetanslutningarna är dåliga. De behöver program som kan köras på en vanlig bärbar dator – och snabbt. När allt kommer omkring, som National Institute of Standards and Technologys matematiker Kevin McGrattan förklarar: Det är ingen idé att berätta för någon att orkanen skulle träffa New Orleans förra veckan.
Forthofer, Finney och deras kollegor hoppas att modellen de bygger kommer att representera en medelväg: smart nog att göra bättre förutsägelser, med CFD-liknande element som kan förklara faktorer som vindturbulens, men tillräckligt enkelt för att köra i fält.
McGrattan ser potential för en hybridmodell, även om han lägger till en betydande varning – att det första steget måste vara att utbilda fler människor att använda befintliga program. Vid ett möte nyligen berättade Forest Service-representanter att Rothermel-baserade modeller främst används för förplanerade, kontrollerade brännskador. När helvetet brakar löst i Somewhere, Kalifornien, finns det helt enkelt inte tid att få en person med den typen av expertis på plats som driver modellen, fick han veta.
Behovet av att uppdatera modeller av löpeld verkar mer pressande än någonsin. Stora och våldsamma skogsbränder har rasat oftare i delar av den amerikanska västern de senaste åren, såväl som runt om i världen.
I USA har antalet hektar som årligen bränts av skogsbränder ökat med 500 % sedan 1970-talet. Hundratals människor har dött och tusentals hem har förstörts detta årtionde bara i Kaliforniens bränder. Under 2018, den värsta skogsbrandssäsongen någonsin, såg stora eldsvådor som Carr-branden och Mendocino Complex-branden förstöra miljontals hektar i augusti; några månader senare dödade lägerbranden minst 86 människor och raderade hela staden Paradise.
En utrustning som kallas Hibachi låter forskare testa hur olika exemplar värms upp. Kristine Paulsen
Men att minska klyftan mellan modell och verklighet är bara det första steget för att ta itu med dessa katastrofer.
Brandmän tenderar att vara långsamma att lita på tekniken framför det de har observerat eller upplevt, särskilt när deras överlevnad står på spel. De lär sig att lita på sin intuition, precis som Forthofer gjorde när han tog bort åskvädervarningarna vid Sunrise Fire. Man tvingas fatta beslut i situationer där man har ofullständig kunskap, säger han. Och du är inte helt säker på trovärdigheten hos de saker du vet.
Men som hans Fire Lab-kollega Matt Jolly påpekar kan detta få fruktansvärda konsekvenser när förhållandena är så extrema att ingen har sett dem tidigare. När erfarenheten misslyckas blir verktygen allt mer värdefulla – och i takt med att klimatet förändras kommer erfarenheten att fortsätta att misslyckas allt oftare.
I en värld av brandbekämpning anses en incident 2013 som ägde rum i Yarnell Hill, Arizona, vara det värsta exemplet. Den juni dödades 19 brandmän när vindarna förändrades dramatiskt före ett åskväder som hade förutspåtts av National Weather Service. De hamnade instängda, vilket gör Yarnell Hill till den dödligaste skogsbranden för brandmän sedan 1933. Den skickar frossa upp på ryggraden, säger Forthofer och noterar parallellerna till sin egen erfarenhet. Det får inte hända.
Det är därför Jolly och Forthofer betonar träning och utbildning och delar nya verktyg med pålitliga brandmän som tidigt använder sig av brandmän som kommer att kämpa för dem till andra. Deras förmåga att kodväxla mellan språket för akademisk forskning och språket i hotshot-bataljoner kommer väl till pass.
Jolly i synnerhet tillbringar mycket av sin tid vid rundabordsmöten med brandchefer och incidentchefer, workshops för brandbeteendeanalytiker och andra professionella utbildningsevenemang och frågar Vad behöver du? Vad skulle göra det här verktyget bättre?
Den här videon av en gren som tänds har snabbats upp 18 gånger. Med tillstånd från Missoulas brandvetenskapslaboratorium
På sitt kontor på brandlabbet, med sin dotters konstprojekt och förlopp från ett liv utomhus, tar Jolly fram PowerPoint-presentationen som han använder för att visa upp labbets erbjudanden. Hans grånande hår floppar över hans panna när han gnuggar sina ögon upprepade gånger; han ser lite ut som en äldre rockstjärna morgonen efter en hård natt. (Det är han inte, och det är det inte.)
Han visar mig en mångfärgad karta baserad på ett brandfarlighetssystem som han hjälpte till att utveckla. De gröna områdena representerar normala väderförhållanden, medan röda representerar extrem värme, vind eller torrhet på en nivå som bara setts under 3 % av dagarna i den registrerade historien. Han skapade det här verktyget för att förhindra den typ av tragedi som hände vid Yarnell Hill, säger han till mig. Två tredjedelar av alla dödsfall i vildmarksbrandmän inträffar de dagar då potentialen är störst för extrema bränder.
Han bläddrar igenom flera av dessa kartor och pekar ut de röda fläckarna. Här var förhållandena innan en gräsbrand i Oklahoma som spred sig till tiotusentals hektar på en dag. Dessa röda fläckar representerar områden i Napa och Sonoma vid tidpunkten för bränderna som förtärde vinlandet 2016. Och den lilla röda pricken bredvid Los Angeles markerar Thomas Fire, första gången brandmän i Kalifornien arbetade med en löpeld på juldagen.
Han fortsätter genom bildspelet och leder mig genom kartor över Kaliforniens senaste bränder: Carr-elden, Mendocino-komplexelden, lägerelden som utplånade paradiset.
När bränsle brinner i Lilla Bertha visar det den vågliknande formation som lågorna tar på sig. Kristine Paulsen
Så du kunde producera dessa kartor med den data som skulle ha varit tillgänglig den dagen? Jag frågar. Han skakar på huvudet. Själva kartorna var tillgängliga för brandmän och analytiker på de dagarna , både innan de nådde platsen och medan de var där, berättar han.
Så hela idén om att vi inte såg det komma eller att det överraskade oss... Han biter sig i läppen. Vi måste bli bättre på det. En djupare förståelse för eld, eller en ny modell – det är meningslösa prestationer utan utbredd adoption, säger han. Om det inte förändrar beteendet är de värdelösa.
Gnistor skjuter ut ur skorstenen, som efterliknar eld i naturen. Kristine Paulsen
I korridoren föreställer sig Forthofer en förvandling av brandbekämpningskulturen. Att lära ut en uppdaterad modell, en ny teori som verkligen förklarar varför och hur den beter sig på vissa sätt, kan utlösa den förändringen. Det kan ge hans kollegor ett nytt sätt att förstå det de ser. Med tillräcklig ansträngning kunde det förhindra nära samtal som det han hade vid Sunset Fire, det kunde skydda människors hem, och viktigast av allt, det kunde rädda liv.
Mellan den dagen och idag ligger dock denna brandsäsong, och nästa, och den efter det. Längs vägen kommer Forthofer att tillbringa sina somrar med att bekämpa bränder och sina vintrar med att mäta dem i labbet med Finney. McHugh och hans medanalytiker kommer att fortsätta att locka sina modeller mot verkligheten, och Jolly kommer att fortsätta resa landet runt och prata med hotshots, brigadchefer och allmännyttiga chefer.
Och bränderna kommer att fortsätta.
—Alissa Greenberg ( @alissaleewrites ) är en oberoende journalist som rapporterar i skärningspunkten mellan kultur, vetenskap, näringsliv och internationella angelägenheter.