Lángok emelkednek. Mike Heck visszalép. Az inak felfelé nyalogatnak, ingadoznak a szélben, majd láng örvényévé válnak, amelyben narancssárga és piros színű izzító tornádó van. - Ahova megy! - mondja egy szemlélő. Újabb sípoló döbbent.
De senkit sem aggódik. Heck szándékosan tüzet gyújtott, és egy üveg folyadékot gyújtott a beton blokkokkal bélelt helyiség padlóján a lángok visszaszorítására. A feletti szívószekrény megakadályozza, hogy a füst kiszivárogjon a közeli osztálytermekbe.
A Heck felügyelője, Michael Gollner, a Marylandi Egyetem tűztudósa, a College Parkban rendszeresen felvarázsolja az ilyen lángoló oszlopokat, az úgynevezett tűzhörgéseket. (Gollner és munkatársai a folyadék-mechanika 2018. évi éves áttekintésében fedezik fel ezeknek a jelenségeknek a tudományát.) Tőlük és más tüzes kísérletekből meg kívánja tanulni, hogy a lángok mikor erősödjenek és terjedjenek, amikor a városok és a tájak égnek. A Gollner célja, hogy jobban megértse, mi okozza a tüzet, hogy utat ugorjon át házról házra és fáról fára.
A tűz viselkedésével kapcsolatos új betekintés gyűjtése egyre sürgetőbbé válik, mivel a tűzoltások egyre szélsőségesebbek lettek, különösen Észak-Amerika nyugati részén. Az 1980-as évek közepétől kezdve a nagyméretű tűzvész hirtelen sokkal gyakoribbá vált az USA nyugati erdőiben, különösen az Északi Sziklás-hegységben. A közelmúltban a Csendes-óceán északnyugati részén fekvő erdőkben tapasztalható a legnagyobb tüzet a tűzoltás mérete: 2003 és 2012 között csaknem 5000 százalékkal nőtt az égési terület az 1973–1982 átlagához képest. Országos szinten a 2000 óta eltelt évek átlagos elégetett területe közel kétszerese az 1990-es évek éves átlagának.
És éppen az elmúlt két évben több halálos infernó égette el Kalifornia egyes részeit. Több mint 5600 épület égett a földre a Santa Rosa környékén és annak környékén 2017 októberében. Reddingban egy meleg levegővel és hamuval fenyegető csapda egy olyan forgó „firenado” -ot keltett fel, mint amilyen a Gollner laboratóriumában volt, de sokkal nagyobb és vad. megölni egy tűzoltót. Ugyanebben a hónapban tűzek hatalmas területet égettek Mendocino-ban és három másik megyében. Négy hónappal később 85 ember halt meg a paradicsomi tábortűzben, közülük sokan elégettek, miközben megpróbálták elmenekülni a kocsijaik lángjából.
Record-Breaking Ravages
Mindent egybevetve, az állam legutóbbi tüzei rekordot jelentettek Kalifornia legnagyobb, leghalálosabb és pusztítóbb tűzvészhelyzetére. „A természet elképesztő események sorozatát adott, amelyek mindegyike meghaladja az előzőket” - mondja Janice Coen, egy légköri tudós, aki vadon élő állatok tüzet tanulmányoz a Colorado Boulderben, a Nemzeti Légköri Kutatási Központban. Ő és mások azt kérdezik: „Ez különbözik-e a múltuktól? Mi történik itt?"
Az összes amerikai futótűz teljes száma általános növekedést mutat az elmúlt néhány évtizedben, bár nagyon sok az évenkénti változékonyság. Azokban a vadon élő tüzet okozott összes hektár hasonló, ha kissé drámaibb, felfelé mutató tendenciát mutat. Az amerikai nyugati tűzoltókra összpontosító tanulmányok az utóbbi években egyértelmű növekedést mutattak a nagy tüzek számában. (Nemzeti Interagency Koordinációs Központ / Tudható Magazin) Számos tényező vezette a tűzoltás példa nélküli kiterjedését. A tüzek reflexiós kipufogása évtizedek óta, amint meggyulladtak, lehetővé tette, hogy a tűzoltó cserjék és fák felgyülemlenek az éghatatlan területeken. Az éghajlatváltozás melegebb hőmérsékletet, kevesebb esőt és hózsákot eredményez, és nagyobb az esélye az üzemanyagok kiszáradására és égésére. (Az ember okozta éghajlatváltozást 1984 óta az Egyesült Államok nyugati részén elégetett erdőterület közel kétszeresére kényszerítik.) Mindeközben több ember költözött vadon élő térségekbe, növelve annak esélyét, hogy valaki tüzet gyújtson meg vagy sértse magát, amikor az egyik növekedni kezd.
Coen és más tudósok megérintik a fizikát, hogy felfedjék, mi okozza a hétköznapi lángok epikus megaforrássá válását. Ennek érdekében egyes kutatók a tüzek szélére haladnak, és titkaikat lézer- és radarberendezéssel tesztelik, amelyek áthatolnak a hullámzó füstfelhőkön. Mások fejlesztettek ki élvonalbeli modelleket, amelyek leírják, hogy a lángok hogyan futnak át a tájon, amelyet nemcsak az üzemanyagok és a terep vezet, hanem azt is, hogy a tűz és a légkör miként táplálkoznak egymással. És még mások, mint például Gollner, laboratóriumi kísérleteket terveznek annak kiderítésére, hogy miért gyulladhat meg egy ház, míg a szomszédja érintetlen marad.
Az ilyen megállapítások megmutathatják, hogy az emberek miként tudnak jobban felkészülni a jövőre intenzívebb tűzoltásokkal, és talán hogyan lehet a tűzoltók hatékonyabban harcolni velük.
Tűz időjárás
A lángok küzdelméről: „Nagyon támaszkodhatunk arra, amit az emberek a múltban láttak, amikor a tűz történt” - mondta Neil Lareau, a meteorológus a renói Nevada Egyetemen. "Ez a személyes mély tapasztalat valóban értékes, de akkor bomlik, amikor a légkör olyan formába kerül, amelyet én külsõ módnak neveznék - amikor valami tanúja leszel, amit még soha nem látott."
Tehát Lareau arra törekszik, hogy információkat gyűjtsön a tüzekről, amikor azok kibomlanak, remélve, hogy egy nap képesek lesznek külön figyelmeztetéseket kiadni a tűzoltók számára, amikor a lángok küzdenek. Több veszélyt ért, mint sok tudományos kutató: Három nyárot próbált a lehető legközelebb kerülni a tűzvészhez, a híres tűz-meteorológiai kutatócsoport részeként, amelyet Craig Clements vezet a kaliforniai San Jose Állami Egyetemen.
Mint a viharhordókat, akik tornádókat lógnak a középnyugati síkságon, a tűzvágókat bármire fel kell készülni. Tűzoltói képzésen mennek keresztül, megtanulva, hogyan lehet előre jelezni, hol mozoghat a tűzvezeték, és hogyan lehet vészhelyzetben elhelyezni egy tűzoltót. Regisztrálnak a szövetségi vészhelyzeti kezelési rendszerben, így hivatalosan meghívhatják őket olyan területekre, ahol a nyilvánosság nem mehet. Kifinomult lézer-letapogató géppel utazik az egyik teherautójuk hátsó részén, hogy áthatolhassanak az aktív tűzből felszálló hamu és füstgolyók.
"Csak azzal a céllal, hogy a lézerünket a dolgokra mutatták, látni kezdtük azokat a dolgokat, amelyeket az emberek még nem dokumentáltak a múltban" - mondja Lareau. A korai felfedezések között szerepel az, hogy miért terjed a tűz hulláma, amikor felemelkedik, miközben a füstös levegőt kifelé tolják, és a tiszta levegőt befelé hajtják, és hogy a forgó levegőoszlopok miként alakulhatnak ki a tűzben. "Itt van ez a lenyűgöző környezet, ahol a tűz és a légköri folyamatok kölcsönhatásba lépnek egymással" - mondja.
A Pyrocumulonimbus felhők formálják és táplálják a tűz vagy vulkánkitörés által felébredő hőt. Ahogy a füstgömb emelkedik, lehűti és kiterjeszti, lehetővé téve a légkörben lévő nedvesség felhőn kondenzálódását, amely villámlást vagy akár tűzoltókat okozhat - lényegében a tűzből származó zivatar. (Meteorológiai Iroda, Ausztrália / Tudható Magazin) A „tűz időjárása” egyik legdrámaibb példája a zivatarszerű felhők, amelyek tűz felett magasan megjelenhetnek. Pyrocumulonimbus-felhőknek nevezik azokat, amelyek viszonylag magas páratartalom mellett alakulnak ki. A hamu és a forró levegő gyorsan felszáll a tűzből, és növekszik, és lehűl, amint egyre magasabbra emelkedik. Egy ponton, általában körülbelül 15 000 láb magas, eléggé lehűl, hogy a levegőben lévő vízgőz felhőn kondenzálódjon. A páralecsapódás több hőt bocsát ki a vízcsatornába, újból élénkíti azt, és fényes fehér felhőt generál, amely akár 40 000 láb magasra képes toronyba kerülni.
A felhőalatta alatt a levegő az óránkénti 130 mérföldre megközelítő sebességgel felfelé rohanhat, amelyet a konvekció vezet a tollakon belül - fedezte fel a San Jose állam csapata. Minél inkább növekszik a tűz, annál több levegő kerül behúzásra, fokozva az egész éghajlatot. Ritka esetekben még egy lángoló tornádót is létrehozhat.
Tüzes tornádó születése
Lareau szinte valós időben figyelte a Firenado formáját a Carding tűzvészén, Redding közelében, 2018 júliusában. Ebben az esetben nem volt a közelben egy teherautójában lézerrel, hanem egy számítógépen ült, és a radar adatait nézte. Az időjárási radarok, hasonlóan a helyi előrejelzéshez használt radarhoz, nyomon követhetik a kis részecskék, például a levegőben mozgó hamu sebességét. A Carr tűz fejlődésével Lareau a radar adatait egy katonai bázistól húzta fel közel 90 mérföldre a növekvő tűztől. Megfigyelve, hogy a hamu a légkör különböző szintjein ellentétes irányban mozog, látta, hogy a légköri forgás a zsugorodásban csökken és fokozódik. Mint a műkorcsolyázók, amint egy centrifugálás közben behúzzák a karjukat, a forgatás összehúzódott és felgyorsult, hogy koherens örvényt képezzen - egy tornádót, amelyet a nagyobb hamufenékbe ágyaztak.
Ez csak a második ismert példa a 2003-as ausztráliai tűzvihar után egy tornádóra, amely a pyrocumulonimbus felhő miatt képződik, Lareau és munkatársai decemberben írták a Geophysical Research Letters-ben . A tűz biztosítja a kezdeti hőt, amely a felhőt hozza létre, amely aztán a tornádót hozza létre. „A forgás-összeomláshoz vezető dinamikát nem csak a tűz hajtja, hanem a felhő is hajtja” - mondja Lareau. "Valójában ez különbözik ebben az esetben, összehasonlítva a kerti fajtájú tűzhörgéssel."
Képzeljünk el egy csavarodót a gyulladás közepén, és könnyű belátni, miért volt a pusztító Carr-tűz. A szélsebesség 140 mérföld / órás sebességgel a tornádó lerobbant az elektromos tornyokról, acélcsövet tekercselt az erőoszlop körül és négy embert ölt meg.
Ez a pyrocumulonimbus felhő felébredt a Willow tűz fölött, 2004-ben az arizonai Payson közelében. Az alábbiakban látható a sötét füstgömb; fent látható a kondenzvízcseppek megdöbbentően fehér felhője. (Eric Neitzel / Wikimedia Commons) A lángok következő lépésének előrejelzése
Ezt a pusztítást az ösztönzi Coennek a tűzoltók modellezésére. Közvetlenül Pittsburgh-n kívül nőtt fel, a tűzoltó lánya, és később elbűvölte az, hogy a szél, örvény és más légköri keringés miként segíti a lángok terjedését. Attól függően, hogy a levegő hogyan áramlik át a tájon, a tűz elmozdulhat, ahol mozog - esetleg két részre osztódik, majd újra összeolvad, vagy kicsi örvényeket vagy örvényeket bukkan fel a tűzvonal mentén. "Az erdők a tüzekre gondolnak, mint üzemanyagra és terepre" - mondja Coen. "Számunkra meteorológusként sok olyan jelenséget látunk, amelyeket felismerünk."
A 1980-as és 1990-es években a meteorológusok összekapcsolták az időjárási modelleket, amelyek leírják, hogy a levegő hogyan áramlik át a bonyolult terepen, és azokkal, amelyek előrejelzik a tűz viselkedését. Az egyik ilyen rendszert, az amerikai erdészeti szolgálat Montanában található Missoula tűztudományi laboratóriumában kifejlesztett számítógépes modellt a szövetségi ügynökségek rendszeresen használják annak előrejelzésére, hogy hol alakulnak ki a tűzek.
Coen egy lépéssel tovább haladt, és kifejlesztett egy közös légkör-tűz modellt, amely magában foglalja a légáramot. Például jobban képes szimulálni, hogy a szél örvénylő és hogyan törhet a meredek terepen a csúcsok körül.
Modellje megdöbbentően valósággá vált 2018. november 8-án, amikor a „Tűz megértése és előrejelzése” című előadást tartották a Stanfordi Egyetemen. Tegnap este, miközben az előadásán dolgozott, jelentéseket látott, amelyek szerint a Pacific Gas and Electric Company a Sierra Nevada lábának részein fontolóra veszi a berendezések leállítását, mert erős szél volt előrejelzés.
Másnap reggel elment a szimpóziumra, de hátradőlt az interneten, és vészhelyzeti rádiócsatornákat hallgatott. Ahogy a kollégák beszélt, követte a szkennerforgalmat, amikor azt hallotta, hogy Észak-Kaliforniában tűz gyulladt fel, és gyorsan elterjedt a Paradicsom városába. "Ekkor kellett elindulnom a bemutatómba." - mondja. „A szél szerint meg tudtam mondani, milyen rosszul ment az evakuálás, hogy ez szörnyű esemény lesz. De akkor nem tudtuk, hogy ez a leghalálosabb kaliforniai történelemben lesz. "
Azok az erős szelek, amelyekről hallott, döntő jelentőségűek voltak a tűz terjedésének és a Paradicsom elárasztásának szempontjából. Az erős lejtős szelek a lángokat az erősen erdős városba nyomták. Coen szerint a fizika szerint a kiszámíthatóság teljesen kiszámítható volt: "Sok furcsa dolognak van értelme, miután megnéztük ezeket a finom körforgásokat."
Egy másik példa a Tubbs tűz, amely 2017 októberében elpusztította a Santa Rosa-t, alig több mint három óra alatt felindult 12 mérföldön. Coen modelljei feltárják, hogy a Diablo szeleknek nevezett légáramok hogyan mozognak a tájon. Kiderült, hogy egy stabil levegőréteg gyorsan elcsúszott a Santa Rosa felett fekvő komplex topográfia felett. Ahol hegyvidéki hegyek érkeztek, nagy sebességű szeleket okozott. Meglepő módon a szélszakadások nem a legmagasabb csúcsokról jöttek le, hanem egy kisebb szélsebességű csúcskészletre. A szélfúrások közül néhány, amelyek modellje szerint akár 90 mérföldnyire óránként is elérhettek, megfelel annak a helynek, ahol a tűz meggyújtott - talán az elektromos berendezések meghibásodása miatt. Coen decemberben, az amerikai geofizikai unió találkozóján írta le a washingtoni DC munkát.
Coen modelljei segítik a Redwood-völgy tüzet, amely ugyanabban a szélviharban kezdődött, mint a Tubbs. (Tizennégy különálló tűz tört ki Észak-Kaliforniában 48 órás időtartam alatt, mivel a magasnyomású időjárási rendszer a szárazföldön Diablo szeleket rohant partra.) De ebben az esetben a hegyekben hét mérföldes rés volt a szél. képes átjutni, összenyomva és felgyorsítva. Olyan volt, mint egy szűk folyószél, amelyet nehéz lenne észrevenni a hagyományos időjárási vagy tűzjelzésekkel - mondja Coen. "Ha az időjárási adatokat nézi, és látja, hogy ez a helyzet szokatlan a többihez képest, az agyad hajlamos elutasítani" - mondja.
Az előrejelzőknek azonban figyelniük kell a nagysebességű szélértékekre. Jelzi, hogy valami nagyon lokalizált - és nagyon veszélyes - folyamatban van.
A szikrától az égésig
A Coenhez hasonló kutatók nyomon követik a tűz kerületének terjedését, hogy megjósolják, hol mozoghat az aktív tűzvonal. De a fizika segíthet a tudósoknak a tűz elterjedésének egy másik típusának jobb megértésében is: mi történik, amikor a szél gyulladást szenved, és mérföldeken keresztül megtéveszti őket a tűz előtt. A leszálláskor ezek a parázsok időnként órákon át meghalhatnak, mielőtt meggyújtanának egy halom levél, egy fedélzet vagy valami más. Ez egy nagy probléma a tűzoltók számára, akik megpróbálják kitalálni, hol helyezhetik el erőforrásaikat - akár a fő tűzvonalon maradni, akár ott üldözni, ahol azt gondolják, hogy a tüzek meggyulladhatnak.
Ahhoz, hogy ezt a kérdést megválaszoljuk, a Maryland Gollner Egyetemen dolgozott ki annak a fizikának a kis léptékű fizikája, amely az ember meggyulladásához szükséges. Laboratóriuma a Tűzvédelmi Műszaki Tanszéken van, és úgy néz ki, hogy ez a része. A bután öngyújtók töltik a fiókokat. Egy doboz fenyőszalma nyugszik a polcon. Vastag tűzvédelmi kesztyű fekszik egy széken. A levegő enyhén heves szaga van, mint egy éppen oltott tűz zümmögése.
A laboratóriumi egyik fal mentén, egy nagy szellőzőház alatt, Gollner kicsit laposabb és szélesebb fémréteget mutat, mint egy cipődoboz. Itt hoz létre egy embert egy parafa alakú fadarab meggyújtásával és a dobozba helyezve. A ventilátor állandó szellőt fúj az izzó tűzjelző felett, míg a doboz alatt lévő műszerek mérik annak a felületnek a hőmérsékletét és hőáramát, amelyen ül. Ezzel az eszközzel a Gollner meg tudja tanulmányozni, hogy mennyire szükséges az égők ahhoz, hogy elegendő hőt termeljenek az épület tüzet okozva. "Sok vizsgálatot végeztek a füves ágyakról és a finom dolgokról" - mondja. "Meg akartuk érteni, hogy ez hogyan gyújtja meg a fedélzetet, a tetőt vagy a szerkezetet?"
Kiderül, hogy egy ember vagy egy maroknyi parázs nem képes felépíteni annyi hőt, ha az olyan anyagokra kerül, mint a fedélzet vagy a tető. De tegyen egy vagy két tucat gyantát a Gollner készülékébe, és a hőáram drámai módon felmegy - közölte kollégái a márciusi tűzbiztonsági folyóiratban . "Újra sugározni kezd egymás között" - mondja. "Izzó, a szél alatt - ez csak gyönyörű."
Michael Gollner, a Marylandi Egyetem tűztudósa egy olyan eszközt mutat be, amely megvizsgálja, hogyan terjed a tűz különböző szögekben. Amikor felemeli a gyújtás felületét vízszintesről billentésre, a lángok eltérően reagálnak - ez az információ a tűzoltók számára felhasználható a növekvő tűz elleni küzdelemben. (Alexandra Witze) Csak egy kis halom parázs generál körülbelül 40-szeres hőt, amelyet a napfénytől érezhetne egy forró napon. Ennyi fűtés, és néha több, mint maga a tűz. Ez is elég ahhoz, hogy a legtöbb anyagot meggyulladja, például a pakli faját.
Tehát ha nagyon sok parázs repül a tűz előtt, de ezek a parázsok viszonylag távol helyezkednek el egymástól, akkor előfordulhat, hogy nem termelik a spot tűz létrehozásához szükséges sugárzó hőt. De ha a parázs felhalmozódik, és esetleg a szél fújja egy fedélzet résébe, akkor egymáshoz elsimulhatnak, majd gyújtást indíthatnak - mondja Gollner. A vadon és a városi felületen égő házak többsége ezekből a szennyeződésekből gyullad ki, gyakran néhány órával azután, hogy maga a tűz elhaladt.
A hőáram megértése ezeknél a kis méreteknél kivilágíthatja, hogy egyes házak miért égnek, míg mások nem. A Tubbs tűz idején néhány utca egyik oldalán lévő házak megsemmisültek, míg a másik oldalon az aligha okoztak károkat. Ennek oka az lehet, hogy az első ház, amely meggyújtotta a szomszéd felé sugárzott energiát, amely aztán a sugárzó hő miatt szomszédos otthonokat égett, mint dominó. Ha a házak szorosan össze vannak csomagolva, akkor csak annyit tehet a háztulajdonos, hogy kefét és gyúlékony anyagokat tisztítson a ház körül, hogy enyhítse a veszélyt.
A fenevad irányítása
Gollner - a kaliforniai őslakos, aki a tűzoltásból nőtt fel - most a tűz terjedésének más szempontjain dolgozik, például amire szükség van egy lángoló növényzet darabjainak leszakításához erős szélben és a többi szélben lévő cserjék meggyújtására. Tanulja a tűz örvényeket, hogy megtudja, felhasználhatók-e az óceán olajszeleteinek elégetésére, mivel a örvények gyorsabban és tisztábban égetik el az olajat, mint egy nem forgó tűz. És elindít egy projektet a tűzfüst belélegzésének egészségügyi hatásairól.
Egyelőre azt reméli, hogy kutatása segíthet otthonok és életmentésekben egy aktív tűz idején. "Soha nem fogsz semmit tűzállóvá tenni" - mondja. „De ahogy javul, nagy változást hoz.” Azok a házak, amelyek pajzsokkal szemben épített pajzsokkal épülnek be a tetőtér nyílásain keresztül, vagy égésgátló anyagokat használnak, mint például aszfalt fa zsindely helyett, kisebb valószínűséggel gyulladnak meg, mint azok a házak, amelyeket nem építettek. ezeket a szabványokat. Ha csak tíz ház, és nem 1000 gyullad meg egy tűzvihar idején, a tűzoltók jobban tudják kezelni a következő nagy összeomlást - mondja Gollner.
Ahogy az éghajlat melegedése és a tüzek szélsőségesebbé válnak, a tűztudósok tudják, hogy munkájuk lényegesebb, mint valaha. Arra törekszenek, hogy kutatásukat ott számítsák, ahol számít - a vészhelyzet kezelési tisztviselőivel szemben. Coen például azon dolgozik, hogy gyorsabban futtassa tűzoltó modelljeit, mint a valósidejűek, így amikor a következő nagy tűz kitör, gyorsan meg tudja tudni mondani, hova megy a szél és más légköri viszonyok. És Lareau fejleszti a tűz terjedésének közel valós időben történő nyomon követésének módjait.
Időjárási információkat használ, mint például a Carr firenado nyomon követésére használt földi radar, valamint olyan műholdakat, amelyek a talajból áramló hő tanulmányozásával képesek feltérképezni a tűz kerületét. Végül azt akarja látni, hogy valós idejű előrejelző rendszert használjon a tűzvész, például zivatarok, tornádók, hurrikánok és egyéb időjárási események esetén.
"A figyelmeztetések nem állítják le a tüzet" - mondja Lareau. „De talán ez segít nekünk annak eldöntésében, hogy hol hozzuk ezeket a döntéseket. Ezek olyan környezetek, ahol a perc számít. ”
A Knowable Magazine egy független újságírói törekvés, amelyet az Annual Reviews készített. Alexandra Witze (@alexwitze) egy tudományos újságíró, amely a vadvidék és a városi határon él Boulder felett, Colorado, ahol alkalmanként füstöt lát a közeli tüzekből.
