Пламя начинает расти. Майк Хек прыгает назад. Усики поднимаются вверх, колеблются на ветру, затем сливаются в водоворот пламени, раскаленный торнадо, извивающийся в оранжевых и красных тонах. «Вот оно!» - говорит один из зрителей. Еще один свист в изумлении.
Но никто не обеспокоен. Хек преднамеренно поджег огонь, зажег кастрюлю с жидкостью на полу комнаты, выложенной бетонными блоками, чтобы сдержать пламя. Присоска над головой предотвращает распространение дыма в соседних классных комнатах.
Наблюдатель Хека, ученый по огню Майкл Голлнер из Университета Мэриленда в Колледж-Парке, регулярно вызывает в своей лаборатории такие пылающие столбы, известные как вихри огня. (Голлнер и его коллеги исследуют науку об этих явлениях в Ежегодном обзоре механики жидкостей в 2018 году.) От них и других огненных экспериментов он стремится узнать, как пламя усиливается и распространяется по мере того, как горят города и ландшафты. Цель Голлнера - лучше понять, что заставляет огонь прыгать с дома на дом и с дерева на дерево.
Получение нового понимания поведения при пожаре становится все более актуальным, поскольку лесные пожары становятся все более экстремальными, особенно в западной части Северной Америки. Начиная с середины 1980-х годов, большие лесные пожары внезапно стали гораздо более распространенными в западных лесах США, особенно в северных Скалистых горах. Совсем недавно в лесах на северо-западе Тихого океана наблюдалось наибольшее увеличение размеров лесных пожаров, причем с 2003 по 2012 год площадь ожогов увеличилась почти на 5000 процентов по сравнению со средним показателем 1973–1982 годов. В целом по стране средняя площадь сожженных земель с 2000 года почти вдвое превышает среднегодовую за 1990-е годы.
И только в последние два года несколько смертельных инферно сожгли часть Калифорнии. Более 5600 зданий сгорело дотла в Санта-Розе и вокруг нее в октябре 2017 года. В июле прошлого года в Реддинге поднявшийся поток горячего воздуха и пепла породил вращающийся «огненный змей», похожий на тот, что в лаборатории Голлнера, - но гораздо больший и достаточно свирепый убить пожарного. В том же месяце пожары сожгли обширную площадь в Мендосино и трех других графствах. Четыре месяца спустя, 85 человек погибли в костре в раю, многие из них сгорели, пытаясь избежать огня в своих машинах.
Рекордные разрушительные действия
В целом, недавние пожары штата установили рекорды для самых больших, самых смертоносных и разрушительных пожаров в Калифорнии. «Природа дала удивительную последовательность событий, каждое из которых превосходит предыдущее», - говорит Дженис Коэн, ученый-атмосферщик, изучающий дикие пожары в Национальном центре атмосферных исследований в Боулдере, штат Колорадо. Она и другие задаются вопросом: «Отличается ли это от прошлого? Что тут происходит?"
Общее количество всех лесных пожаров в США показывает общее увеличение за последние несколько десятилетий, хотя существует много изменений в годовом исчислении. Общая площадь сожженных в этих лесных пожарах показывает сходную, хотя и несколько более драматичную, тенденцию к росту. Исследования, сфокусированные на лесных пожарах в западной части США, в последние годы показали явное увеличение числа крупных пожаров. (Национальный межведомственный координационный центр / Журнал Knowable) Многие факторы привели к этому беспрецедентному увеличению опустошения от пожаров. Десятилетия рефлексивного тушения пожаров, как только они загорелись, позволили топливным кустарникам и деревьям скапливаться в несгоревших местах. Изменение климата приводит к повышению температуры, уменьшению количества осадков и заснеженности, а также увеличению вероятности высыхания и сгорания топлива. (Изменение климата, вызванное деятельностью человека, обвинили в почти удвоении площади лесов, сожженных на западе Соединенных Штатов с 1984 года.) Между тем, все больше людей переезжают в дикие районы, что увеличивает вероятность того, что кто-то зажжет огонь или подвергнется опасности, когда человек начинает расти.
Коэн и другие ученые изучают физику, чтобы помочь выяснить, что заставляет обычное пламя перерасти в грандиозный мега-огонь. Для этого некоторые исследователи едут к краям лесных пожаров, исследуя свои секреты с помощью лазерного и радиолокационного оборудования, которое может видеть сквозь вздымающиеся облака дыма. Другие разработали передовые модели, которые описывают, как пламя распространяется по ландшафту, управляемое не только топливом и рельефом местности, но и тем, как огонь и атмосфера влияют друг на друга. И все же другие, такие как Gollner, разрабатывают лабораторные эксперименты, чтобы выяснить, почему один дом может загореться, в то время как его сосед остается невредимым.
Такие результаты могут показать, как люди могут лучше подготовиться к будущему с более интенсивными лесными пожарами и, возможно, как пожарные могут более эффективно бороться с ними.
Огонь Погода
Когда дело доходит до борьбы с пламенем, «многое зависит от того, что люди видели в прошлом от пожаров», - говорит Нил Ларо, метеоролог из Университета Невады, Рено. «Этот личный глубокий опыт действительно ценен, но он разрушается, когда атмосфера переходит в то, что я назвал бы режимом выброса - когда вы станете свидетелем чего-то, чего вы никогда раньше не видели».
Таким образом, Ларо работает, чтобы собрать информацию о пожарах, когда они разворачиваются, надеясь, что однажды сможет доставить конкретные предупреждения для пожарных, когда они сражаются с огнем. Он понимает опасность больше, чем многие академические исследователи: он провел три лета, пытаясь приблизиться к лесным пожарам как можно ближе, в составе известной исследовательской группы по пожарной метеорологии, возглавляемой Крейгом Клементсом из Университета штата Сан-Хосе в Калифорнии.
Как охотники за штормами, которые преследуют торнадо на равнинах Среднего Запада, охотники за огнем должны быть готовы ко всему. Они проходят обучение пожарных, изучая, как предвидеть, где может переместиться пожарная линия, и как развернуть пожарную защиту в чрезвычайной ситуации. Они регистрируются в федеральной системе управления чрезвычайными ситуациями, поэтому их можно официально пригласить в районы, куда общественность не может попасть. И они едут со сложным лазерным сканирующим устройством в задней части одного из своих грузовиков для проникновения в пепловые и дымовые шлейфы, поднимающиеся с активного огня.
«Просто благодаря тому, что мы направили лазер на что-то, мы стали видеть то, что люди не документировали в прошлом», - говорит Ларо. Ранние открытия включают в себя, почему шлейф огня распространяется, когда он поднимается, в то время как дымный воздух выталкивается наружу, а чистый воздух сгибается внутрь, и как вращающиеся столбы воздуха могут образовываться внутри шлейфа. «Есть такая захватывающая среда, где огонь и атмосферные процессы взаимодействуют друг с другом», - говорит он.
Pyrocumulonimbus облака образуют и питают тепло, поднимающееся от лесного пожара или извержения вулкана. По мере того как дымовой шлейф поднимается, он охлаждается и расширяется, позволяя влаге в атмосфере конденсироваться в облако, которое может создавать молнии или даже огненные наезды - по сути, грозу, порожденную огнем. (Бюро метеорологии, Австралия / Журнал Knowable) Один из самых драматических примеров «огненной погоды» - грозовые облака, которые могут появляться высоко над огнем. Названные облаками пирокумулонимбуса, они образуются, когда в атмосфере относительно высокая влажность. Шлейф пепла и горячего воздуха быстро поднимается от огня, расширяется и охлаждается по мере подъема. В какой-то момент, обычно около 15 000 футов в высоту, он достаточно остывает, чтобы пары воды в воздухе конденсируются в облако. Конденсация выделяет больше тепла в шлейф, усиливая его и создавая яркое белое облако, которое может достигать высоты до 40000 футов.
Команда штата Сан-Хосе обнаружила, что под облачным основанием воздух может подниматься вверх со скоростью около 130 миль в час, вызванной конвекцией в шлейфе. Чем больше растет огонь, тем больше воздуха втягивается в восходящий поток, усиливая весь пожар. И в редких случаях он может даже породить пылающий торнадо внизу.
Рождение Огненного Торнадо
Ларо почти в реальном времени наблюдал, как во время пожара Карра, возле Реддинга, в июле 2018 года, возникла форма огня. В этом случае его не было рядом с лазером в грузовике, но он сидел за компьютером и просматривал данные радара. Погодные радары, подобные тем, которые используются для вашего местного прогноза, могут отслеживать скорость движения мелких частиц, таких как пепел в воздухе. По мере возникновения пожара в Карре Ларо собирал радиолокационные данные с военной базы, находящейся почти в 90 милях от растущего пожара. Наблюдая за тем, как пепел движется в противоположных направлениях на разных уровнях атмосферы, он мог видеть, как вращение атмосферы в струе сжималось и усиливалось. Подобно фигуристам, тянущим руки во время вращения, вращение сжималось и ускорялось, образуя последовательный вихрь - торнадо, встроенный в более крупный пепловый шлейф.
Ларо и его коллеги написали в декабре в Geophysical Research Letters, что это всего лишь второй известный пример, после огненного шторма в Австралии в 2003 году, когда торнадо образовалось из-за облака пиро-кучево-дождевых облаков. Огонь обеспечивает первоначальное тепло, которое генерирует облако, которое затем генерирует торнадо. «Динамика, которая приводит к коллапсу вращения, обусловлена не только огнем, но и самим облаком», - говорит Ларо. «Это действительно то, что отличается от этого случая, по сравнению с вашим более разнообразным огненным вихрем».
Представьте поворот в разгар пожара, и легко понять, почему огонь Карра был таким разрушительным. При скорости ветра свыше 140 миль в час огненный торнадо обрушил электрические вышки, обмотал стальную трубу вокруг силового столба и убил четырех человек.
Это пиро-кучево-дождевое облако зародилось над огнем Ивы возле Пейсон, Аризона, в 2004 году. Ниже - темный дымовой шлейф; выше поразительно белое облако капель конденсированной воды. (Эрик Нейцель / Wikimedia Commons) Предсказание следующего хода пламени
Именно такого рода разрушения заставляют Коэна моделировать лесные пожары. Она выросла недалеко от Питтсбурга, дочери пожарного, и позже была очарована тем, как ветры, вихри и другие атмосферные циркуляции способствуют распространению пламени. В зависимости от того, как воздух протекает по ландшафту, огонь может сместиться туда, где он движется - возможно, разделиться на две части и затем снова слиться, или оторваться от маленьких вихрей или вихрей вдоль линии огня. «Лесники считают пожары топливом и местностью», - говорит Коэн. «Для нас, как метеорологов, мы видим много явлений, которые мы узнаем».
В 1980-х и 1990-х годах метеорологи начали связывать погодные модели, которые описывают, как воздух течет по сложной местности, с теми, которые предсказывают поведение при пожаре. Одна из таких систем, компьютерная модель, разработанная в Лаборатории наук о пожарах в Монтуле при Лесной службе США, в настоящее время регулярно используется федеральными агентствами для прогнозирования роста пожаров.
Коэн сделал еще один шаг вперед и разработал совместную модель атмосферы и огня, которая включает воздушный поток. Это может, например, лучше имитировать, как вихри ветра и обрывы вокруг пиков в крутой местности.
Ее модель стала потрясающе реальной 8 ноября 2018 года, когда она должна была выступить с докладом «Понимание и прогнозирование лесных пожаров» в Стэнфордском университете. Накануне вечером, работая над своей презентацией, она увидела сообщения о том, что Тихоокеанская газовая и электрическая компания рассматривает вопрос о закрытии оборудования в некоторых частях предгорья Сьерра-Невады из-за сильных ветров.
На следующее утро она пошла на симпозиум, но сидела сзади в поисках интернета и слушала экстренные радиопередачи. Пока коллеги говорили, она следила за движением сканера, услышав, что пожар вспыхнул в Северной Калифорнии и быстро распространился к городу Рая. «Именно тогда мне пришлось начать свою презентацию», - говорит она. «По ветрам, по тому, как плохо шла эвакуация, я мог сказать, что это будет ужасное событие. Но в тот момент мы не знали, что он станет самым смертоносным в истории Калифорнии ».
Те сильные ветры, о которых она слышала, оказались решающими для того, как огонь охватил Рай. Сильные ветры спуска толкали огонь в густой лесной город. Коэн говорит: «Это было полностью предсказуемо в соответствии с физикой ее моделей:« Многие странные вещи имеют смысл после того, как вы посмотрите на эти мелкомасштабные тиражи ».
Другим примером является пожар Таббса, который опустошил Санта-Розу в октябре 2017 года, пронзивший 12 миль всего за три часа. Модели Коэна исследуют, как воздушные потоки, известные как ветры Диабло, движутся по ландшафту. Оказывается, слой стабильного воздуха быстро скользил по сложной топографии над Санта-Розой. Там, где она достигала горных хребтов, она порождала сильные ветры. Удивительно, но порывы ветра не отрывались от самых высоких вершин, а скорее от меньшего набора пиков, которые были с подветренной стороны. Расположение некоторых из этих взрывов ветра, которые, согласно ее модели, достигали до 90 миль в час, соответствует тому, где возник пожар - возможно, из-за отказов электрооборудования. Коэн описал работу в Вашингтоне, округ Колумбия, в декабре на заседании Американского геофизического союза.
Модели Коэна также помогают объяснить пожар в Редвудской долине, который начался с той же бурей, что и огонь Таббса. (Четырнадцать отдельных пожаров вспыхнули в Северной Калифорнии в течение 48 часов, поскольку метеорологическая система высокого давления внутри страны посылала ветры Диабло, устремляющиеся в море.) Но в этом случае в горах был разрыв шириной в семь миль, который был в состоянии прорваться, сжимая и ускоряя. По словам Коэна, это было похоже на одну узкую реку ветров, которую было бы трудно определить с помощью традиционных прогнозов погоды или пожаров. «Если бы вы смотрели на данные о погоде и увидели, что эта ситуация необычна по сравнению с остальными, ваш разум склонен ее отклонить», - говорит она.
Но синоптики должны обратить внимание на эти всплески показаний скоростного ветра. Они могут сигнализировать о том, что происходит что-то очень локализованное и очень опасное.
От искры до горения
Исследователи, такие как Коэн, отслеживают распространение периметра огня, чтобы предсказать, где может двигаться активная линия огня. Но физика также может помочь ученым лучше понять другой тип распространения огня: что происходит, когда ветры ловят угли и поднимают их на много миль впереди фронта огня. Когда они приземляются, эти тлеющие угли могут иногда тлетать на месте в течение нескольких часов, прежде чем поджечь кучу листьев, колоду или что-то другое, воспламеняющееся. Это большая проблема для пожарных, пытающихся выяснить, где разместить свои ресурсы - оставаться ли на главной линии огня или преследовать там, где, по их мнению, могут возникать точечные пожары.
Чтобы ответить на этот вопрос, в Университете Мэриленда Голлнер разработал небольшую физику того, что нужно для того, чтобы зажечь тлеющий уголь. Его лаборатория находится в отделе пожарной инженерии, и это выглядит со стороны. Бутановые зажигалки заполняют ящики. Коробка из сосновой соломы лежит на полке. Толстые огнезащитные перчатки лежат на стуле. Воздух пахнет слегка едким, как запах потушенного огня.
Вдоль одной из стен лаборатории, под большим вентиляционным колпаком, Голлнер демонстрирует металлическую штуковину, немного более плоскую и более широкую, чем обувная коробка. Здесь он создает тлеющий уголь, зажигая кусок дерева в форме пробки и кладя его в коробку. Вентилятор постоянно дует над тлеющим огненным брендом, а инструменты под коробкой измеряют температуру и тепловой поток поверхности, на которой он сидит. С помощью этого устройства Gollner может изучать, что нужно для тлеющих углей, чтобы генерировать достаточно тепла, чтобы начать пожар в здании. «Много исследований было проведено на травянистых клумбах и прочем», - говорит он. «Мы хотели понять, как она зажигает вашу палубу, вашу крышу или вашу конструкцию?»
Оказывается, что один тлеющий уголь или горсть тлеющих углей не может накапливать столько тепла, если он падает на материал, такой как палуба или крыша. Но поместите один или два десятка тлеющих углей в устройство Голлнера, и тепловой поток резко возрастет, сообщают он и его коллеги в мартовском журнале пожарной безопасности . «Вы начинаете переизлучаться между ними», - говорит он. «Он светится под ветром - это просто красиво».
Ученый из университета штата Мэриленд Майкл Голлнер демонстрирует устройство, которое проверяет, как огонь распространяется под разными углами. Когда он поднимает поверхность зажигания с горизонтального на наклонное, пламя реагирует по-разному - информация, которую пожарные могут использовать при борьбе с растущими пожарами. (Александра Витце) Только небольшая кучка тлеющих углей может генерировать в 40 раз больше тепла, чем вы чувствуете от солнца в жаркий день. Это столько же нагрев, а иногда и больше, что исходит от самого огня. Этого также достаточно, чтобы зажечь большинство материалов, таких как древесина колоды.
Поэтому, если перед огнем пролетает много тлеющих углей, но эти тлеющие угли приземляются относительно далеко друг от друга, они могут не накапливать излучающее тепло, необходимое для создания точечного огня. Но если тлеющие угли накапливаются, возможно, унесенные ветром в расщелину колоды, они могут сгореть вместе, а затем вызвать возгорание, говорит Голлнер. Большинство домов, которые горят на границе между дикими землями и городами, воспламеняются от этих углей, часто спустя часы после того, как прошел сам фронт пожара.
Понимание теплового потока в этих небольших масштабах может пролить свет на то, почему одни дома горят, а другие нет. Во время пожара Таббса дома на одной стороне некоторых улиц были разрушены, а дома на другой стороне почти не пострадали. Это может быть потому, что первый дом, который зажигал излученную энергию для своего соседа, который затем сжигал соседние дома как домино из-за радиационного тепла. Когда дома плотно упакованы, домовладельцы могут сделать так много, чтобы смягчить опасность, очистив дом от щетки и горючих материалов.
Управление зверя
Голлнер - уроженец Калифорнии, выросший на эвакуации от лесных пожаров, - сейчас работает над другими аспектами распространения огня, например, за счет того, что огненный кусочек растительности срывается при сильном ветре и поджигает другие кусты с подветренной стороны. Он изучает вихри огня, чтобы выяснить, можно ли их использовать для сжигания нефтяных пятен в океане, поскольку вихри сжигают нефть быстрее и чище, чем невращающийся огонь. И он начинает проект по воздействию на здоровье вдыхания дыма от пожаров.
На данный момент он надеется, что его исследования помогут спасти дома и жизни во время активного пожара. «Вы никогда не собираетесь сделать что-нибудь огнестойким, » говорит он. «Но по мере того, как вы улучшаете его, вы вносите существенные изменения». Дома, построенные со щитами против углей, проникающих через чердачные проемы, или использующие материалы, устойчивые к возгоранию, такие как асфальт вместо деревянной черепицы, с меньшей вероятностью могут воспламениться, чем дома, не построенные для эти стандарты. По словам Голлнера, если бы только 10 домов, а не 1000 человек загорелись во время пожарной бури, пожарные могли бы лучше справиться со следующим большим пожаром.
Поскольку климат нагревается и пожары становятся все более экстремальными, ученые-пожарники знают, что их работа актуальна как никогда. Они настаивают на том, чтобы их исследование имело значение, где оно имеет значение, - на переднем крае с сотрудниками аварийного управления. Коэн, например, работает над тем, чтобы управлять своими моделями лесных пожаров быстрее, чем в режиме реального времени, поэтому, когда разразится следующий большой пожар, она сможет быстро предсказать, куда он может пойти, учитывая ветер и другие атмосферные условия. А Ларо разрабатывает способы отслеживания распространения пожара практически в реальном времени.
Он использует информацию о погоде, такую как наземный радар, который он использовал для отслеживания огненной надписи Карра, а также спутники, которые могут наносить на карту периметр огня, изучая тепло, исходящее от земли. В конце концов, он хочет увидеть систему прогнозирования в реальном времени для лесных пожаров, таких как те, которые в настоящее время существуют для гроз, торнадо, ураганов и других погодных явлений.
«Предупреждения не остановят пожар», - говорит Ларо. «Но, возможно, это поможет нам решить, где принимать эти решения. Это среда, в которой важны минуты ».
Knowable Magazine - это независимый журналистский журнал Ежегодных Обзоров. Александра Витце (@alexwitze) - научный журналист, живущий на границе диких земель и городов над Боулдером, штат Колорадо, где она иногда видит дым от близлежащих пожаров.
