211service.com
Møt forskerne som prøver å forstå verdens verste skogbranner
Det vil ikke være lett å oppdatere den 47 år gamle standarden for å forutsi hva branner vil gjøre – men det vil redde liv. 16. desember 2019
brann tornado Kristine Paulsen
Jason Forthofer hadde kjempet mot Sunrise Fire i det sørlige Montana i mer enn en uke da han gjorde den største feilen i karrieren. Han jobbet med et team ved brannkanten, gravde skyttergraver og tente på kontrollerte bakbrenningsflammer i den kvelende varmen, da han hørte et rykte om en hytte i nærheten som kunne trenge beskyttelse.
Nysgjerrige og ivrige etter å hjelpe, tok Forthofer og hans kollega Kevin Beck sekkene sine tidlig en morgen og tok seg opp en gammel gruvesti inn i skogen i nærheten. Forthofer var til fots, mens Beck kjørte en firehjuling. Snart presset de seg gjennom kratt, grener som fanget det tunge materialet i deres brannhemmende kåper. Kanskje var det noen skyer over hodet; hvis det var det, ignorerte Forthofer dem. Hendelsemeteorologen som jobbet med teamet hadde advart om mulige tordenvær i flere dager - typisk for en Montana-sommer - men ingen hadde blitt til.
Hytta, da de fant den, var omtrent en halv mil fra veien, en vaklevoren gruvehytte lappet sammen av skrapmetall og omgitt av douglasgraner. De undersøkte bygningen: det så ut som om folk nylig hadde vært der, men ingen var hjemme nå. Så hørte Forthofer en lyd som fikk magen til å falle: den dype tordenen. Toppen av trærne i nærheten begynte å svaie.
Beck hoppet på sin firehjuling og Forthofer jogget ham, og tok seg til veien så fort som den tykke børsten tillot. De hadde tatt en dum risiko ved å ignorere prognosene – og de visste det. En storm som nærmer seg kan lett sette opp farlig vind, og skyve ukontrollert ild mot dem i forferdelig hastighet.
Forthofers panikk økte etter hvert som vinden økte. Tretti miles i timen. Så 40. Da de nærmet seg veien, brøt han inn i et løp, vel vitende om at flammene kunne nå ham når som helst.
Svette og utslitte, livredde for hva som kunne ha skjedd, kom Forthofer og Beck tilbake. De var trygge. Men en tanke spilte om og om igjen i Forthofers sinn: Jeg kunne ha dødd akkurat der. Det er slik brannmenn dør.
Jason Forthofer står på taket til Missoula Fire Sciences Lab. Kristine Paulsen
Soloppgang var bare en av 21 branner som brant Montana sommeren 2017. Men brannen var stort sett under kontroll da Forthofer satt ved skrivebordet hans noen uker senere og vurderte opplevelsen hans fra et annet perspektiv. Når han ikke bekjemper branner direkte, studerer Forthofer dem, og jobber med en gruppe analytikere, biologer, dataprogrammerere og ingeniører ved Missoula Fire Sciences Lab i Montana.
Hans doble roller - i frontlinjen og som forsker - eksemplifiserer laboratoriets unike posisjon i amerikansk skogbrannbekjempelse.
Den konteksten er kritisk, og det er ikke noe de fleste forskere får, sier økolog Matt Jolly, en av Forthofers kolleger. De prøver å skrive om skogbrann, skrive om kronebrann [i trekroner]. Og de har aldri sett en!
Fire Lab er kanskje mest kjent for dataprogrammene den produserer for å forutsi skogbrannoppførsel. I 1972 brukte en forsker ved navn Dick Rothermel en rekke enkle eksperimenter for å lage en av de første matematiske modellene som kunne forutsi hvordan en brann kunne spre seg. Rothermel brente drivstoff i vindtunnelen, kontrollerte faktorer som vindhastighet og observerte deretter brannene hans mens de vokste. Han plottet resultatene på en graf og brukte dataene til å utlede et sett med ligninger som kunne brukes på skogbranner overalt. Plutselig kunne analytikere komme med spådommer om hvordan en brann ville spre seg – og resultatene endret måten eksperter tenker på og samhandler med brann.
Matt Jolly ser en ild brenne i laboratoriet. Kristine Paulsen
I dag gir Rothermel-modellen ryggraden for nesten alle dataprogrammer som brukes til å analysere skogbrannadferd i USA. Men selv om arbeidet hans var avansert for sin tid, tok ikke Rothermel hensyn til mange av faktorene som får branner til å oppføre seg annerledes i den virkelige verden enn de gjør i det begrensede miljøet til et laboratorium. Forskningen hans antok for eksempel at furunåler i et grunt drivstoffbed ville brenne på samme måte som de samme nålene stablet mye høyere. Modeller som Rothermels er egentlig bare gyldige for utvalget av data og eksperimenter du kjørte, sier Forthofer. Utenfor det området er det noen som kan gjette om kurven fortsetter.
For å kompensere har brannatferdsanalytikere festet en nesten endeløs serie av justeringer og input på Rothermels skjelett slik at de kan gi mer nøyaktige spådommer om hvordan en bestemt brann vil utvikle seg i løpet av timer eller dager. De inneholder data som beskriver alt fra skråning til vegetasjon til kalesjekarakteristikker og værfaktorer. Det hele er en bragd av teknologi og oppfinnsomhet, et forsøk på å forutsi noe som har vært brukt i århundrer på å være mystisk og ukjent.
Men i dag, etter flere tiår med tørke og stigende temperaturer, har monstrøse branner over hele det amerikanske vesten satt systemets svakheter i fokus. Rothermels modell kan ikke takle alt miljøet kaster på seg, fra antallet døde trær som nå står i Amerikas skoger til svingende vindhastigheter.
Et portrett av Harry T. Gisborne, pioner innen skogbrannforskning, hilser besøkende velkommen når de går inn i laboratoriet. Kristine Paulsen
Verktøyene er ikke alltid riktige, forklarer Forthofer. De har nesten aldri rett, aldri helt rett. Og når de tar feil, kan det føre til reelle og alvorlige konsekvenser: tapte penger, tapte hjem, eller – verst av alt – tapte liv.
Så, med inferno som spiser gjennom titusenvis av hektar og dreper flere mennesker hvert år, prøver Fire Lab å bygge en helt ny modell for første gang på et halvt århundre. Det er mye å ta igjen.
En ettermiddag i juli 2019 gir Forthofer meg en omvisning i laboratoriet, akkompagnert av sjefen hans, Mark Finney. Brannslokking er aldri langt unna for Forthofer – hans bror og kone var begge brannmenn, og mange av vennene hans er det fortsatt – og han har den solide kroppsbygningen til en som regelmessig går tur med 100-pund-sekker. Finney, derimot, er seig og kantete, med sølvfargede stenger og en tendens til å snakke i korte støt.
Fra og med bygningens foaje er det mange særegne detaljer. En utstoppet fjellgeit presiderer over resepsjonsområdet (Vennligst ikke rør geiten, ber et nærliggende skilt). Et lappeteppe med skogbranntema fra 2010 til minne om laboratoriets 50-årsjubileum.
Utenfor raser skyer over slettene, men du ville ikke vite det inne i det hule, vindusløse rommet til testlaboratoriet, hvis høye indre vegger er laget av bølgepapp. Vi stopper foran en stor helle fylt med sand, som Forthofer og Finney forklarer egentlig er en gigantisk brenner. De peker ut de tilpassede propanstrålene under, som lar dem kontrollere intensiteten av flammene nøyaktig og ta nøyaktige mål når de brenner.
Laboratoriet har gitt bordet tilnavnet Big Sandy, forteller Finney. (De har døpt lignende brennere Little Sandy og Big Bertha.) Et av Big Sandys signatureksperimenter måler flammelengde, temperatur og trykk i en brann som starter i en rett linje. Rader med laserkuttede papptinder brenner opp én etter én i en nesten flytende bevegelse når en linje med flammer så høye som 8 fot sprer seg over dem, og danner en bølge av topper og bunner.
Målinger på Big Sandy har vist at disse formene er forårsaket av kald luft som med jevne mellomrom skyver flammene ned i drivstoffbunnen, og driver forbrenningsprosessen. Et videoopptak satt gjennom en strømningssporanalyse legger til tynne grønne linjer som gjør det lettere å spore den bevegelsen. Den viser hvordan denne kalde luften spinner til en rekke små virvler, eller virvler, når gassene foran flammene stiger og faller når de varmes opp og avkjøles. Uten den bevegelsen ville ikke flammene beveget seg fremover, forklarer Finney; de ville rett og slett flyte over drivstoffet og til slutt gå ut.
På et kontor nede i gangen fra Big Sandy tar brannanalytiker Chuck McHugh meg gjennom noe av arbeidet hans. Modellene han viser meg fra tidligere skogbranner ser ut som floker av røde krøller og fargede flekker lagt på kart. Faktisk, forklarer han, dokumenterer de røde linjene mulige veier brannen kan ta; de fargerike formene indikerer hvor mange timer brannen kan ta å spre seg til det området. På noen av kartene er disse klattene omgitt av sprudlende flekkbranner, antenninger der programvaren gjettet at gnister kan hoppe vekk fra hovedflammen. Det hele ligner en slimmugg, organisk og levende - som det på en måte er.
Overalt hvor vi går, prøver teamet å bedre forstå og forutsi brannatferd. Ovenpå er vindtunnelene, der Forthofer og kollegene hans registrerer hvordan branner påvirkes av luft i ulik hastighet. Han viser også frem et høyt, svart metallapparat hvis buede base genererer luftstrømmen som er nødvendig for å lage (og studere) 10 fots branntornadoer. Vi avslutter omvisningen i et rom fullt av skum- og metallutstyr for å måle hvordan varmen beveger seg gjennom luften for å antenne nytt drivstoff når en brann starter. Hele stedet, forklarer de, kan stilles inn til en bestemt lufttemperatur og fuktighet eller åpnes. for ventilasjon i nødstilfeller.
Finney sier at all denne kompleksiteten viser at Rothermels arbeid bare ikke er nok lenger.
Mark Finney står foran Lille Bertha, et utstyr som lar forskere teste hvordan ild beveger seg opp en skråning. Kristine Paulsen
Bare fordi du har en modell, sier han, betyr det ikke at du forstår noe.
Wildfire er full av småskala prosesser som Big Sandys virvler. Hver del av forskningen Fire Lab foretar er et forsøk på å studere en liten del av det store bildet. Og det er spesielt viktig med elementer som vind, som både påvirker hvordan brann oppfører seg og fortsetter å bli påvirket av brann. Rothermel-modellen, hevder Finney, kommer ikke i nærheten av å redegjøre for tilbakemeldingssløyfene og merkelige oppførselsterskler i et komplekst system som dette.
Chuck McHugh analyserer brannaktivitet og sannsynligheten for spredning. Beregningene hans avgjør om handling må tas - eller ingen handling i det hele tatt.
Det er derfor han er ute etter noe nytt: en fullstendig teori som kan forklare brannatferd, ikke bare forutsi den.
Jakten på en fullstendig brannteori driver brannlabens arbeid på en rekke områder, fra væskedynamikk og konvektiv varmeoverføring til resonanstid - perioden en brenselpartikkel som en furunål vil fortsette å frigjøre energi etter at den er antent. Ved å kombinere alle disse mindre modellene håper Forthofer og Finney å skape en større modell som kan forklare disse fenomenene i naturen.
De samme fysiske prosessene som får en gigantisk kronebrann med 200 fots flammer til å spre seg, er en del av en liten brann med en fots flamme som sprer seg i tunnelen vår, sier Forthofer.
Finneys skrivebord er dedikert til brann i alle dens former. Kristine Paulsen
Finney sammenligner oppgaven sin med omvendt utvikling av en oppskrift fra en liste med ingredienser. Han og kollegene hans har allerede satt sammen sine grunnleggende elementer: stråling, konveksjon, drivstoff, varme, oksygen. Men vi har faktisk ikke mengdene av hver eller rekkefølgen på hver eller forberedelsesinstruksjonene, sier han.
Selv om Rothermels arbeid har hatt enorm innvirkning, er det ikke det eneste spillet i byen. Canada utviklet sitt eget system, Prometheus, på begynnelsen av 2000-tallet. Forskere i Australia bruker i mellomtiden sine egne dataprogrammer som passer til særegenhetene til Outback bushfire. Rothermel-modellen forblir imidlertid standarden. Alen Slijepcevic, en nestleder for Country Fire Authority i den australske delstaten Victoria, har sett med interesse på Missoula Fire Labs oppdrag. Alt det arbeidet vil ha en global implikasjon, ingen tvil, sier han.
Innenfor brannlabens kondisjoneringskammer, som er temperatur- og fuktighetskontrollert, hvor nøyaktig laget apparater brukes til brannskader. Kristine Paulsen
Andre steder har noen institusjoner vendt seg til en annen tilnærming, kjent som computational fluid dynamics (CFD), som modellerer hvordan væsker og gasser beveger seg. Teknikken deler et område inn i en maske av små enheter og beregner hvordan hver brikke kan samhandle med de andre. Resultatene kan etterligne ekte brannatferd mer presist.
Problemet er at dette krever mye mer datakraft enn et program basert på Rothermels system. Å kjøre en enkelt CFD-modell kan ta dager: National Weather Service må bruke superdatamaskiner for å kjøre CFD-modeller som kan forutsi vær raskere enn sanntid. Dette gjør det usannsynlig at teknologien vil bli brukt til å forutsi oppførselen til skogbranner snart: Når en brann dukker opp, knuser frontlinjeanalytikere ofte hundrevis av simuleringer mens de jobber på avsidesliggende steder der infrastrukturen vakler og internettforbindelsene er dårlige. De trenger programmer som kan kjøres på en standard bærbar datamaskin – og raskt. Tross alt, som National Institute of Standards and Technology-matematiker Kevin McGrattan forklarer: Det nytter ikke å fortelle noen at orkanen skulle ramme New Orleans forrige uke.
Forthofer, Finney og kollegene deres håper at modellen de bygger vil representere en mellomting: smart nok til å lage bedre spådommer, med CFD-lignende elementer som kan forklare faktorer som vindturbulens, men enkel nok til å kjøre i felt.
McGrattan ser potensialet for en hybridmodell, selv om han legger til en betydelig advarsel - at det første trinnet må være å lære opp flere mennesker til å bruke eksisterende programmer. På et nylig møte fortalte Forest Service-representanter ham at Rothermel-baserte modeller hovedsakelig brukes til forhåndsplanlagte, kontrollerte forbrenninger. Når helvete braker løs i Somewhere, California, er det rett og slett ikke tid til å få en person med den typen ekspertise på bakken som driver modellen, ble han fortalt.
Behovet for å bringe skogbrannmodeller oppdatert virker mer presserende enn noen gang. Store og voldsomme skogbranner har herjet hyppigere i deler av det amerikanske vesten de siste årene, så vel som rundt om i verden.
I USA har antallet dekar som brennes årlig av skogbranner økt med 500 % siden 1970-tallet. Hundrevis av mennesker har omkommet og tusenvis av hjem har blitt ødelagt dette tiåret i California branner alene. I 2018, den verste skogbrannsesongen som er registrert, så store branner som Carr-brannen og Mendocino Complex-brannen ødela millioner av hektar i august; noen måneder senere drepte leirbrannen minst 86 mennesker og slettet hele byen Paradise.
Et utstyr kalt The Hibachi lar forskere teste hvordan forskjellige prøver varmes opp. Kristine Paulsen
Men å krympe gapet mellom modell og virkelighet er bare det første skrittet for å håndtere disse katastrofene.
Brannmenn har en tendens til å være trege til å stole på teknologi over det de har observert eller opplevd, spesielt når deres overlevelse står på spill. De lærer å stole på sin intuisjon, akkurat som Forthofer gjorde da han børstet av tordenværvarslene ved Sunrise Fire. Du blir tvunget til å ta avgjørelser i situasjoner der du har ufullstendig kunnskap, sier han. Og du er ikke helt sikker på troverdigheten til tingene du vet.
Men som hans Fire Lab-kollega Matt Jolly påpeker, kan dette få forferdelige konsekvenser når forholdene er så ekstreme at ingen har sett dem før. Når erfaring svikter, blir verktøy stadig mer verdifulle – og etter hvert som klimaet endrer seg, vil erfaringen fortsette å svikte oftere og oftere.
I en verden av brannslukking regnes en hendelse i 2013 som fant sted i Yarnell Hill, Arizona, som det verste eksemplet. Den juni ble 19 brannmenn drept da vinden endret seg dramatisk i forkant av et tordenvær som var spådd av National Weather Service. De ble fanget, noe som gjorde Yarnell Hill til den dødeligste skogbrannen for brannmenn siden 1933. Det sender frysninger oppover ryggraden, sier Forthofer, og noterer seg parallellene til hans egen erfaring. Det burde ikke skje.
Det er grunnen til at Jolly og Forthofer legger vekt på opplæring og utdanning, og deler nye verktøy med pålitelige tidlige brannmenn som vil fremme dem til andre. Deres evne til å kodeveksle mellom språket akademisk forskning og språket til hotshot-bataljoner kommer godt med.
Spesielt Jolly bruker mye av tiden sin på rundbordsmøter med brannledere og hendelsesledere, workshops for brannatferdsanalytikere og andre profesjonelle treningsarrangementer, og spør hva trenger du? Hva vil gjøre dette verktøyet bedre?
Denne videoen av en gren som antennes, har blitt fremskyndet 18 ganger. Med tillatelse fra Missoula brannvitenskapslaboratorium
På kontoret sitt på Fire Lab, med papir fra datterens kunstprosjekter og ephemera fra et liv tilbrakt utendørs, trekker Jolly opp PowerPoint-presentasjonen han bruker for å vise frem laboratoriets tilbud. Hans grånende hår faller over pannen mens han gnir seg i øynene gjentatte ganger; han ser litt ut som en eldre rockestjerne morgenen etter en hard natt. (Det er han ikke, og det er det ikke.)
Han viser meg et flerfarget kart basert på et brannfaresystem han var med på å utvikle. De grønne områdene representerer normale værforhold, mens røde representerer ekstrem varme, vind eller tørrhet på et nivå som er sett på bare 3 % av dagene i registrert historie. Han skapte dette verktøyet for å forhindre den typen tragedie som skjedde ved Yarnell Hill, forteller han meg. To tredjedeler av alle dødsfall hos brannmenn skjer på de dagene da potensialet er størst for ekstreme branner.
Han blar gjennom flere av disse kartene, og peker ut de røde flekkene. Her var forholdene før en gressbrann i Oklahoma som spredte seg til titusenvis av dekar på en dag. Disse røde flekkene representerer områder i Napa og Sonoma på tidspunktet for brannene som konsumerte vinlandet i 2016. Og den lille røde prikken ved siden av Los Angeles markerer Thomas-brannen, første gang brannmenn i California arbeidet med en skogbrann på juledag.
Han fortsetter gjennom lysbildefremvisningen, og leder meg gjennom kart over Californias største branner nylig: Carr-brannen, Mendocino-kompleksbrannen, leirbrannen som utslettet paradiset.
Mens drivstoff brenner i Lille Bertha, viser det den bølgelignende formasjonen som flammene tar på. Kristine Paulsen
Så du var i stand til å produsere disse kartene ved å bruke dataene som ville vært tilgjengelig den dagen? Jeg spør. Han rister på hodet. Selve kartene var tilgjengelige for bruk av brannmenn og analytikere på de dagene , både før de kom til stedet og mens de var der, forteller han.
Så hele ideen om at vi ikke så det komme, eller at det overrasket oss … Han biter seg i leppa. Det må vi bli bedre med. En dypere forståelse av brann, eller en ny modell - dette er meningsløse prestasjoner uten utbredt adopsjon, sier han. Hvis det ikke endrer atferd, er de ubrukelige.
Gnister skyter ut av skorsteinen, som etterligner ild i naturen. Kristine Paulsen
Nede i gangen ser Forthofer for seg en transformasjon av brannslokkingskulturen. Å undervise i en oppdatert modell, en ny teori som virkelig forklarer hvorfor og hvordan den oppfører seg på bestemte måter, kan utløse denne endringen. Det kan gi kollegene hans en ny måte å forstå tingene de ser. Med nok innsats kunne den forhindre nære samtaler som den han hadde ved Sunset Fire, den kunne beskytte folks hjem, og viktigst av alt, den kunne redde liv.
Mellom den dagen og i dag ligger imidlertid denne brannsesongen, og den neste, og den etter det. Underveis vil Forthofer bruke somrene sine på å bekjempe branner og vintrene på å måle dem i laboratoriet med Finney. McHugh og hans medanalytikere vil fortsette å lokke modellene sine mot virkeligheten, og Jolly vil fortsette å reise landet rundt og snakke med hotshots, brigadesjefer og verktøyledere.
Og brannene vil fortsette å komme.
—Alissa Greenberg ( @alissaleewrites ) er en uavhengig journalist som rapporterer i skjæringspunktet mellom kultur, vitenskap, næringsliv og internasjonale anliggender.