Plameny začínají stoupat. Mike Heck skočí zpět. Úponky lízají vzhůru, mávají ve větru, pak se zhlukují do víru plamene, žhnoucího tornáda svíjejícího se v oranžové a červené barvě. „Tady to jde!“ Říká jeden divák. Další pískání udivuje.
Ale nikdo se netýká. Heck úmyslně zapálil oheň a zapálil pánev s tekutinou na podlaze místnosti lemované betonovými bloky, které obsahovaly plameny. Nad sací kapotou zabraňuje vhánění kouře do okolních učeben.
Heckův vedoucí, vědec požáru Michael Gollner z University of Maryland v College Park, pravidelně ve své laboratoři zakládá takové žhavé sloupy, známé jako ohnivé víry. (Gollner a jeho kolegové zkoumají vědu o těchto jevech ve Výroční zprávě o mechanice tekutin v roce 2018.) Z nich a z jiných ohnivých experimentů se chce naučit, jak se plameny zesilují a šíří se, jak města a krajiny hoří. Gollnerovým cílem je lépe pochopit, co pohání oheň, aby skočil z domu do domu a ze stromu na strom.
Shromažďování nových poznatků o chování při požáru je stále naléhavější, protože požáry se stávají extrémnější, zejména v západní severní Americe. Od poloviny osmdesátých let se velké požáry najednou staly mnohem běžnějšími v západních amerických lesích, zejména v severních Skalistých horách. Více nedávno, lesy na Pacifik severozápadě viděly největší nárůst ve velikosti požáru, s téměř 5, 000 procentní nárůst v oblasti spálení od 2003 k 2012 vyrovnal se průměru 1973-1982. Celonárodně je průměrná výměra spálená v letech od roku 2000 téměř dvojnásobkem ročního průměru za 90. léta.
A právě v posledních dvou letech několik smrtelných pekel spálilo části Kalifornie. Více než 5 600 budov shořelo na zem v Santa Rosě a kolem ní v říjnu 2017. Loni v červenci se v Reddingu objevil prudký oblak horkého vzduchu a popela, jako je to v Gollnerově laboratoři, spřádající se „oheň“, ale mnohem větší a dost divoký zabít hasiče. Ve stejném měsíci došlo v Mendocinu a dalších třech okresech k požáru. O čtyři měsíce později při táborovém požáru v ráji zahynulo 85 lidí, z nichž mnozí spalovali a pokusili se uniknout požáru v jejich autech.
Rekordní pustošení
Všichni říkali, nedávné požáry státu stanovily rekord pro největší, nejsmrtelnější a nejničivější požáry v Kalifornii. "Příroda dala ohromující sled událostí, z nichž každá předčila předchozí, " říká Janice Coen, vědec z atmosféry, který studuje požáry divočiny v Národním středisku pro výzkum atmosféry v Boulderu v Coloradu. Ona a další se ocitnou ptát: „Je to něco jiného než minulost? Co se tam děje?"
Celkový počet všech požárů v USA vykazuje v posledních několika desetiletích celkový nárůst, ačkoli existuje meziroční variabilita. Celkové akry spálené v těchto požárech vykazují podobný, i když poněkud dramatičtější, vzestupný trend. Studie zaměřené na požáry západní USA prokázaly v posledních letech jasný nárůst počtu velkých požárů. (Národní koordinační centrum pro interagenci / Známý časopis) Tuto bezprecedentní expanzi devastace požáru vyvolalo mnoho faktorů. Desetiletí reflexního hašení ohně, jakmile se vznítilo, umožnilo hromadit se keřům a stromům podporujícím oheň v nespálených oblastech. Změna klimatu přináší vyšší teploty, méně deště a sněhu a větší šance na vyschnutí a spálení paliv. (Změna klimatu způsobená člověkem byla od roku 1984 obviňována z téměř zdvojnásobení lesní oblasti vypálené v západních Spojených státech.) Mezitím se více lidí stěhuje do divokých oblastí, což zvyšuje šanci, že někdo zapálí oheň nebo bude poškozen, když bude poškozen jeden začíná růst.
Coen a další vědci využívají fyziku, aby pomohli odhalit, co způsobuje, že se běžný plamen stupňuje v epický megafire. Aby to bylo možné, někteří vědci jdou k okrajům požárů a zkoumají svá tajemství laserovým a radarovým zařízením, které vidí skrz vlající oblaky kouře. Jiní vyvinuli nejmodernější modely, které popisují, jak plameny závodí v krajině, poháněné nejen palivy a terénem, ale také tím, jak se oheň a atmosféra vzájemně živí. A další, stejně jako Gollner, připravují laboratorní experimenty, aby zjistili, proč se jeden dům může vznítit, zatímco jeho soused zůstává nezraněn.
Taková zjištění mohou ukázat, jak se lidé mohou lépe připravit na budoucnost s intenzivnějšími požáry, a možná, jak mohou hasiči účinněji bojovat proti nim.
Požární počasí
Pokud jde o boj s plamenem, „existuje spousta spoléhání na to, co lidé v minulosti viděli, jak ohně dělají, “ říká Neil Lareau, meteorolog z University of Nevada v Renu. "Tato osobní hluboká zkušenost je opravdu cenná, ale rozpadá se, když atmosféra přechází do toho, co bych nazval mimozemský režim - když budete svědky něčeho, co jste nikdy předtím neviděli."
Lareau se tak snaží shromažďovat informace o požárech, když se odvíjí, a doufat, že jednoho dne budou schopni hasičům poskytnout konkrétní varování, když bojují s plameny. Více než mnoho akademických vědců chápe nebezpečí: strávil tři léta snahou přiblížit se k požárům co nejvíc, jako součást proslulého výzkumného týmu pro požární meteorologii vedeného Craigem Clementem ze San Jose State University v Kalifornii.
Stejně jako pronásledovatelé bouří, kteří stopují tornáda na plážích Midwest, musí být hasiči ohně připraveni na cokoli. Prochází hasičským výcvikem a učí se, jak předvídat, kde by se mohla palebná linie pohybovat a jak nasadit požární kryt v případě nouze. Registrují se do federálního systému řízení krizových situací, takže mohou být oficiálně pozváni do oblastí, kam se veřejnost nemůže dostat. A cestují se sofistikovaným laserovým skenovacím strojem v zadní části jednoho z jejich nákladních vozidel, aby pronikli popelem a kouřovými oblaky stoupajícími z aktivního ohně.
"Pouhým zaměřením našeho laseru na věci jsme začali vidět věci, které lidé v minulosti nedokumentovali, " říká Lareau. Časné objevy zahrnují, proč se ohnivý oblak šíří, jak stoupá, zatímco kouřový vzduch je tlačen ven a čistý vzduch je ohýbán dovnitř, a jak se mohou v oblaku tvořit rotující sloupce vzduchu. "V tomto fascinujícím prostředí se vzájemně ovlivňují oheň a atmosférické procesy, " říká.
Mraky pyrocumulonimbus se tvoří a živí teplo stoupající z požáru nebo sopečné erupce. Jak kouřový oblak stoupá, ochlazuje se a rozšiřuje se, což umožňuje, aby se vlhkost v atmosféře kondenzovala do oblaku, který může vytvářet blesky nebo dokonce požáry - v podstatě bouřka zrozená z ohně. (Bureau of Meteorology, Australia / Knowible Magazine) Jedním z nejdramatičtějších příkladů „požárního počasí“ jsou bouřkové mraky, které se mohou objevit vysoko nad ohněm. Nazývá se pyrocumulonimbusové mraky a vytvářejí se, když je v atmosféře relativně vysoká vlhkost. Z ohně rychle stoupá oblak popela a horkého vzduchu, který se zvyšuje a ochlazuje. V určitém bodě, obvykle asi 15 000 stop vysoký, se dostatečně ochladí, aby vodní páry ve vzduchu kondenzovaly do mraku. Kondenzace uvolňuje více tepla do oblaku, oživuje ho a vytváří jasný bílý oblak, který se může tyčit až do výšky 40 000 stop.
Pod oblačnou základnou může vzduch spěchat vzhůru rychlostí blížící se 130 mil za hodinu, poháněnou konvekcí uvnitř oblaku, objevil tým San Jose State. Čím více oheň roste, tím více vzduchu se vtáhne do oblouku, čímž se zintenzivňuje celá požár. A v ojedinělých případech to může dokonce vést planoucí tornádo níže.
Zrození ohnivého tornáda
Lareau sledoval ohnivou formu téměř v reálném čase během Carrovy palby, poblíž Reddingu, v červenci 2018. V tomto případě nebyl poblíž s laserem v jeho kamionu, ale seděl u počítače a díval se na radarová data. Meteorologické radary, stejně jako radary používané pro vaši místní předpověď, mohou sledovat rychlost malých částic, například popela pohybujícího se ve vzduchu. Jak se Carrův oheň vyvíjel, Lareau vytáhl radarová data z vojenské základny téměř 90 mil od rostoucího ohně. Sledováním toho, jak se popel pohyboval v opačných směrech na různých úrovních atmosféry, viděl, jak se zmenšuje a zesiluje atmosférická rotace v oblaku. Stejně jako krasobruslaři přitahující ruce během rotace, rotace se stahovala a zrychlovala, aby vytvořila souvislý vír - tornádo zabudované do většího oblaku popela.
Je to teprve druhý známý příklad, kdy po Austrálii v roce 2003 došlo k požáru, který se formoval tornádo kvůli mraku pyrocumulonimbus. Lareau a jeho kolegové psali v prosinci v Geophysical Research Letters . Oheň poskytuje počáteční teplo, které vytváří oblak, který pak vytváří tornádo. "Dynamika, která vede ke kolapsu rotace, není poháněna pouze ohněm, ale také samotným cloudem, " říká Lareau. "To je opravdu to, co se v tomto případě liší, ve srovnání s vaší vířivou ohnivou vírou."
Představte si twister uprostřed požáru a je snadné pochopit, proč byl Carrův oheň tak zničující. S rychlostí větru přesahující 140 mil za hodinu srazil tornádo elektrické věže, ovinul ocelovou trubku kolem pólu a zabil čtyři lidi.
Tento oblak pyrocumulonimbus zazněl v roce 2004 nad ohněm Willow poblíž Paysonu v Arizoně. Níže je uveden oblak temného kouře; nahoře je překvapivě bílý oblak kondenzovaných kapiček vody. (Eric Neitzel / Wikimedia Commons) Předpovídání dalšího pohybu plamenů
Taková devastace je to, co pohání Coena k modelování požárů. Vyrostla těsně před Pittsburghem, dcerou hasičů, a později se zaplavila tím, jak vítr, víry a další atmosférická cirkulace pomáhají řídit šíření plamenů. V závislosti na tom, jak vzduch proudí krajinou, se oheň může posunout tam, kde se pohybuje - možná se rozdělí na dvě části a pak se znovu spojí, nebo odskočí malé víry nebo víry podél linie ohně. "Lesníci považují ohně za palivo a terén, " říká Coen. "Pro nás, jako meteorologové, vidíme mnoho jevů, které poznáme."
V 80. a 90. letech začali meteorologové propojovat modely počasí, které popisují, jak vzduch proudí ve složitém terénu, s těmi, které předpovídají chování při požáru. Jeden takový systém, počítačový model vyvinutý v laboratoři Missoula Fire Sciences Laboratory v Montaně, USA Forest Service, je nyní pravidelně používán federálními agenturami k předpovědi, kde vzroste oheň.
Coen šel o krok dále a vyvinul společný model atmosféry a ohně, který zahrnuje proudění vzduchu. Může například lépe simulovat, jak se víry víří a rozbíjí se kolem vrcholů ve strmém terénu.
Cvičení
Její model se stal šokující skutečností 8. listopadu 2018, když měla naplánovat přednášku „Porozumění a předvídání požárů“ na Stanfordské univerzitě. V noci předtím, když pracovala na její prezentaci, viděla zprávy, že tichomořská plynárenská a elektrická společnost zvažuje odstavení zařízení v částech podhůří Sierry Nevady, protože byly předpovídány silné větry.
Následující ráno šla na sympozium, ale seděla vzadu a prohledávala internet a poslouchala nouzové rozhlasové kanály. Když kolegové hovořili, sledovala provoz skeneru a slyšela, že v severní Kalifornii zapálil oheň a rychle se rozšířil směrem k městu Paradise. "Tehdy jsem se musel pustit do své prezentace, " říká. "Větry, podle toho, jak špatně evakuace probíhala, jsem zjistil, že to bude hrozná událost." Ale v tu chvíli jsme nevěděli, že to bude ta nejsmrtelnější v historii Kalifornie. “
Ty silné větry, o kterých slyšela, se ukázaly jako klíčové pro to, jak se oheň rozšířil a pohltil ráj. Silné svahy větru tlačily plameny do silně zalesněného města. Podle fyziky v jejích modelech to bylo zcela předvídatelné, Coen říká: „Když se podíváte na tyto jemné oběhy, dává to hodně podivných věcí.“
Dalším příkladem je oheň Tubbs, který zničil Santa Rosu v říjnu 2017 a řval přes 12 mil za pouhé tři hodiny. Coenovy modely zkoumají, jak se proudy vzduchu známé jako větry Diablo pohybují krajinou. Ukázalo se, že vrstva stabilního vzduchu rychle klouzala po komplexní topografii nad Santa Rosou. Tam, kde zasáhlo horské hřebeny, generoval výbuchy vysokorychlostního větru. Překvapivě, větrné výbuchy nevyšly z nejvyšších vrcholů, ale spíše menší sady vrcholů, které byly po větru. Umístění některých těchto větrných výbuchů, které podle jejího modelu dosáhly až 90 kilometrů za hodinu, odpovídá místu, kde se oheň vznítil - snad kvůli selhání elektrického zařízení. Coen popsal práci ve Washingtonu, DC, v prosinci na zasedání Americké geofyzikální unie.
Coenovy modely také pomáhají vysvětlit oheň Redwood Valley, který začal ve stejné větrné bouři jako oheň Tubbs. (Čtrnáct samostatných požárů vypuklo v severní Kalifornii v rozpětí 48 hodin, protože vysokotlaký povětrnostní systém ve vnitrozemí vyslal Diablo větry spěchající na břeh.) V tomto případě však v horách byla mezera sedmi kilometrů, v níž byly větry schopen se vrhnout, komprimovat a zrychlit. Bylo to jako jediná úzká řeka větrů - což by bylo obtížné zjistit pomocí tradičních předpovědí počasí nebo ohně, říká Coen. "Pokud jste se dívali na údaje o počasí a viděli jste, že tato jedna situace byla ve srovnání s ostatními neobvyklá, vaše mysl by ji měla sklon zamítnout, " říká.
Prognostici však musí věnovat pozornost těm výkyvům vysokorychlostních odečtů větru. Mohli by signalizovat, že se děje něco velmi lokalizovaného - a velmi nebezpečného -.
Od jiskry ke spalování
Vědci jako Coen sledují šíření obvodu ohně a předpovídají, kam se může aktivní palebná linie pohybovat. Fyzika však může vědcům také pomoci lépe porozumět jinému typu šíření ohně: co se stane, když vítr zachytí žhavé uhlíky a podkroví je mil daleko před frontou ohně. Když přistanou, tyto uhlíky mohou někdy doutnat na místě několik hodin, než zapálí hromadu listů, balíček nebo něco jiného hořlavého. To je velký problém pro hasiče, kteří se snaží přijít na to, kam nasadit své zdroje - ať už zůstanou na hlavní linii palby, nebo pronásledují místa, kde si myslí, že by se mohly vznítit bodové požáry.
Abychom se dostali k této otázce, zpět na univerzitě v Marylandu Gollner vypracoval drobnou fyziku toho, co je zapotřebí k tomu, aby se zapálil ember. Jeho laboratoř je na katedře požární ochrany a vypadá to jako součást. Zapalovače butanu zaplňují zásuvky. Na polici spočívá krabička borovicové slámy. Silné protipožární rukavice leží na stoličce. Vzduch voní mírně štiplavě, jako by právě šlehnul oheň.
Pod jednou stěnou laboratoře, pod velkou větrací kapotou, předvádí Gollner kovovou mašinu o něco plošší a širší než krabici od bot. Tady vytvoří jícen zapálením kusu dřeva ve tvaru korku a jeho vložením do krabičky. Ventilátor fouká stálý vánek nad doutnajícím hasičem, zatímco nástroje pod krabicí měří teplotu a tepelný tok povrchu, na kterém sedí. S tímto zařízením může Gollner studovat, co uhlíky vyžadují, aby vytvořily dostatek tepla pro zahájení požáru budovy. "Bylo provedeno mnoho studií na postelích trávy a jemných věcí, " říká. "Chtěli jsme pochopit, jak to zapálí vaši palubu, vaši střechu nebo vaši strukturu?"
Ukázalo se, že jediný kužel nebo hrst uhlíků nemůže vybudovat tolik tepla, pokud dopadne na materiál, jako je paluba nebo střecha. Ale do Gollnerova zařízení vložte jeden nebo dva tucty uhlíků a tepelný tok se dramaticky zvyšuje, hlásí spolu se svými kolegy v březnovém Fire Safety Journal . "Začínáte mezi nimi re radiace, " říká. "Svítí pod větrem - je to prostě krásné."
Hasič University of Maryland Michael Gollner demonstruje zařízení, které testuje, jak se oheň šíří pod různými úhly. Když zvedne zapalovací povrch z vodorovné na nakloněné, plameny reagují odlišně - informace, které mohou hasiči použít při boji s rostoucími ohněmi. (Alexandra Witze) Jen malá hromada uhlíků může generovat asi 40krát více tepla, jaké byste cítili ze slunce v horkém dni. To je tolik vytápění, a někdy i více, jako pochází ze samotného ohně. Stačí také zapálit většinu materiálů, například dřevo paluby.
Pokud tedy před ohněm letí spousta uhlíků, ale tyto uhlíky přistávají relativně daleko od sebe, nemusí vytvářet radiační teplo potřebné k vytvoření bodového ohně. Ale pokud se uhlíky hromadí, možná foukané větrem do štěrbiny na palubě, mohou se doutnat společně a pak spustit zapálení, říká Gollner. Většina domů, které hoří v rozhraní divočina - město, se zapálí z těchto uhlíků, často hodiny poté, co oheň sám prošel.
Pochopení tepelného toku v těchto malých měřítcích může osvětlit, proč některé domy hoří, zatímco jiné ne. Během ohně Tubbs byly domy na jedné straně některých ulic zničeny, zatímco domy na druhé straně neměly téměř žádné poškození. Může to být proto, že první dům, který zapálil vyzařovanou energii svému sousedovi, který kvůli záření vyhořel sousední domy jako domino. Když jsou domy úzce zabaleny, může jen tolik majitelů domů udělat, aby zmírnilo nebezpečí tím, že vyčistí kartáč a hořlavý materiál kolem domu.
Ovládání zvířete
Gollner - rodák z Kalifornie, který vyrostl evakuací z požárů - nyní pracuje na dalších aspektech šíření ohně, jako je to, co vyžaduje, aby se ohnivý kousek vegetace rozpadl ve velkém větru a zapálil další keře po větru. Studuje ohnivé víry, aby zjistil, zda je lze použít k spálení ropných skvrn v oceánu, protože víry hoří rychleji a čistěji než neotáčivý oheň. A začíná projekt zdravotních účinků vdechování požáru kouře.
Prozatím doufá, že jeho výzkum pomůže zachránit domy a životy během aktivního požáru. "Nikdy nebudeš dělat nic ohnivzdorného, " říká. "Ale když to uděláte lépe, uděláte velký rozdíl." Domy postavené se štíty proti uhlíkům přicházejícím do podkrovních otvorů nebo používajícími materiály odolné vůči vznícení, jako je asfalt místo dřevěných šindelů, se mohou s menší pravděpodobností vznítit než domy, které nejsou postaveny tyto standardy. Pokud se během bouřky vznítí pouze 10 domů a ne 1 000, mohli by hasiči lépe zvládnout další velkou požár, říká Gollner.
Jak se oteplování klimatu a požáry stávají extrémnější, vědci v oboru požárů vědí, že jejich práce je důležitější než kdy dříve. Usilují o to, aby se jejich výzkum stal důležitým - v první linii s úředníky pro řízení krizových situací. Coen například pracuje na tom, aby své divoké ohně provozovala rychleji než v reálném čase, takže když vypukne další velký požár, může rychle předpovědět, kam by se mohl dostat vzhledem k větru a dalším atmosférickým podmínkám. A Lareau vyvíjí způsoby, jak sledovat šíření ohně v reálném čase.
Používá informace o počasí, jako je pozemní radar, který používal ke sledování požáru Carr, a také satelity, které mohou mapovat obvod ohně studováním tepla proudícího ze země. Nakonec chce vidět předpovědní systém pro požáry v reálném čase, jako jsou ty, které v současné době existují pro bouřky, tornáda, hurikány a další povětrnostní události.
"Varování nezastaví oheň, " říká Lareau. "Ale možná nám to pomůže rozhodnout se, kde se rozhodneme." Toto jsou prostředí, v nichž záleží na minutách. “
Známý časopis je nezávislé novinářské úsilí od společnosti Annual Reviews. Alexandra Witze (@alexwitze) je vědecká novinářka žijící v rozhraní divočiny a města nad Boulderem v Coloradu, kde občas vidí kouř z blízkých ohňů.
