Api mula naik. Mike Heck melompat kembali. The tendrils menjilat ke atas, bergolak dalam angin, kemudian menyambung ke pusaran api, tornado pijar writhing dalam oren dan merah. "Di sana ia pergi!" Kata seorang pendosa. Satu lagi peluit yang terkejut.
Tetapi tiada siapa yang bimbang. Heck menunaikan api dengan sengaja, menyalakan kuali cecair di lantai sebuah bilik yang dipenuhi dengan blok konkrit yang mengandungi api. Hujung kepala sedutan menghalang asap daripada mengalir masuk ke bilik darjah yang berdekatan.
Penyelia Heck, ahli sains kebakaran Michael Gollner dari University of Maryland di College Park, kerap menonjolkan pilar seperti itu, yang dikenal sebagai pusaran api, di makmalnya. (Gollner dan rakan-rakannya meneroka sains fenomena ini dalam Kajian Tahunan Mekanis Fluida .) Dari mereka, dan dari eksperimen yang berapi-api yang lain, dia bertujuan untuk mempelajari bagaimana api mengalir dan merebak seperti bandar-bandar dan landskap membakar. Matlamat Gollner adalah untuk lebih memahami apa yang mendorong api melompat dari rumah ke rumah dan dari pokok ke pokok.
Mengumpulkan pandangan-pandangan baru dalam tingkah laku api telah menjadi semakin mendesak apabila kebakaran liar semakin melampau, terutama di Amerika Utara barat. Bermula pada pertengahan 1980-an, kebakaran hutan besar tiba-tiba menjadi lebih biasa di hutan Amerika Barat, terutamanya di Pegunungan Rocky Utara. Baru-baru ini, hutan di Pacific Northwest telah menyaksikan peningkatan terbesar dalam saiz api api, dengan peningkatan hampir 5, 000 peratus kawasan pembakaran dari 2003 hingga 2012 berbanding dengan purata 1973-1982. Di seluruh negara, kawasan purata yang dibakar pada tahun 2000 adalah hampir dua kali ganda purata tahunan bagi tahun 1990-an.
Dan dalam tempoh dua tahun yang lalu, beberapa infernos maut telah membakar beberapa bahagian California. Lebih daripada 5, 600 bangunan dibakar ke tanah di dalam dan di sekitar Santa Rosa pada Oktober 2017. Julai lalu di Redding, pelepasan udara panas dan abu memancarkan "firenado" berputar seperti yang ada di makmal Gollner-tetapi lebih besar, dan cukup ganas untuk membunuh ahli bomba. Bulan yang sama, kebakaran membakar luas luas di Mendocino dan tiga daerah lain. Empat bulan kemudian, 85 orang mati di Camp Fire di Syurga, kebanyakan mereka dibakar ketika cuba melarikan diri dari kebakaran di dalam kereta mereka.
Rakaman Rekod-Memecahkan
Semua memberitahu, kebakaran baru-baru ini menyatakan rekod untuk kebakaran liar terbesar, dahsyat dan paling merosakkan di California. "Alam telah memberikan urutan peristiwa yang mengagumkan, setiap satu mengalahkan yang sebelumnya, " kata Janice Coen, seorang saintis atmosfer yang mengkaji kebakaran liar di Pusat Penyelidikan Atmosfera Kebangsaan di Boulder, Colorado. Dia dan orang lain mendapati diri mereka bertanya: "Adakah ini berbeza dari masa lalu? Apa yang berlaku di sini?"
Jumlah keseluruhan kebakaran liar AS menunjukkan peningkatan keseluruhan sejak beberapa dekad yang lalu, walaupun terdapat banyak variasi tahun ke tahun. Jumlah ekar yang terbakar dalam kebakaran hutan menunjukkan kecenderungan yang sama, jika sedikit lebih dramatik, menaik. Kajian yang menumpukan kepada kebakaran liar Amerika Syarikat Barat menunjukkan peningkatan yang jelas dalam beberapa tahun kebelakangan ini dalam jumlah kebakaran besar. (Pusat Penyelarasan Interagency Kebangsaan / Majalah Pengetahuan) Ramai faktor telah mendorong pengembangan kebakaran hutan yang tidak pernah berlaku sebelum ini. Beberapa dekad yang membakar kebakaran dengan segera apabila mereka dinyalakan telah membekalkan semak-semak dan pokok-pokok api untuk mengumpul di kawasan-kawasan yang tidak dibakar. Perubahan iklim membawa suhu yang lebih panas, kurang hujan dan salji salji, dan lebih banyak peluang untuk bahan api kering dan terbakar. (Perubahan iklim yang disebabkan oleh manusia telah dipersalahkan kerana hampir dua kali ganda kawasan hutan dibakar di barat Amerika Syarikat sejak tahun 1984.) Sementara itu, lebih banyak orang bergerak ke kawasan hutan liar, meningkatkan peluang seseorang akan menyalakan api atau terbaharu satu mula berkembang.
Coen dan saintis lain sedang mengetuk fizik untuk membantu mendedahkan apa yang menyebabkan api biasa meningkat menjadi megafire epik. Untuk melakukan ini, sesetengah penyelidik memandu ke tepi kebakaran hutan, menyelidiki rahsia mereka dengan peralatan laser dan radar yang dapat melihat melalui awan asap. Lain-lain telah membangunkan model canggih yang menggambarkan bagaimana api berlumba-lumba di landskap, didorong bukan sahaja oleh bahan api dan rupa bumi tetapi juga bagaimana kebakaran dan atmosfera menyumbangkan satu sama lain. Dan yang lain, seperti Gollner, merangka eksperimen makmal untuk mengetahui mengapa satu rumah mungkin menyala sementara jirannya tetap tidak terjejas.
Penemuan sedemikian mungkin menunjukkan bagaimana orang boleh mempersiapkan diri untuk masa depan dengan api liar yang lebih sengit, dan mungkin bagaimana ahli bomba dapat memerangi mereka dengan lebih berkesan.
Cuaca Kebakaran
Ketika datang untuk memerangi blazes, "ada banyak kebergantungan pada apa yang orang telah melihat kebakaran pada masa lalu, " kata Neil Lareau, ahli meteorologi di University of Nevada, Reno. "Pengalaman mendalam peribadi ini sangat berharga, tetapi ia rosak apabila atmosfer memasuki apa yang saya akan panggil mod outlier-apabila anda akan menyaksikan sesuatu yang tidak pernah anda lihat sebelumnya."
Oleh itu, Lareau berfungsi untuk mengumpulkan maklumat mengenai kebakaran semasa mereka terburu-buru, dengan harapan satu hari dapat menyampaikan amaran khusus untuk anggota bomba ketika mereka berperang. Beliau memahami bahaya yang lebih banyak daripada penyelidik akademik lakukan: Dia menghabiskan tiga musim yang cuba untuk mendapatkan hampir seperti kebakaran hutan yang dia boleh, sebagai sebahagian daripada pasukan penyelidikan meteorologi terkenal yang diketuai oleh Craig Clements dari Universiti San Jose State di California.
Sama seperti pemburu ribut yang menyerang tornado di dataran Midwest, pembakar api perlu disediakan untuk apa-apa. Mereka melalui latihan pemadam kebakaran, belajar bagaimana untuk mengantisipasi di mana garis api mungkin bergerak dan bagaimana untuk menggunakan perlindungan kebakaran dalam keadaan kecemasan. Mereka mendaftarkan diri dengan sistem pengurusan kecemasan persekutuan supaya mereka boleh dijemput secara rasmi ke kawasan-kawasan di mana orang ramai tidak boleh pergi. Dan mereka bepergian dengan mesin pengimbasan laser yang canggih di belakang salah satu lori mereka untuk menembusi lobak abu dan asap yang menaikkan api aktif.
"Hanya dengan menunjuk laser kami pada perkara-perkara, kami mula melihat perkara yang tidak didokumentasikan pada masa lalu, " kata Lareau. Penemuan awal termasuk mengapa bom api menyebar ketika ia meningkat sementara udara berasap didorong ke luar dan udara yang jelas dilipat ke dalam, dan bagaimana lilitan udara berputar dapat di dalam bumerang. "Terdapat persekitaran yang menarik di mana kebakaran dan proses atmosfera berinteraksi antara satu sama lain, " katanya.
Awan Pyrocumulonimbus membentuk dan memakan haba yang meningkat dari letupan api atau letusan gunung berapi. Apabila naiknya asap, ia menyejuk dan mengembang, membolehkan kelembapan di atmosfera mengembun ke awan yang boleh mencipta kilat atau bahkan firenadoes-pada asasnya ribut petir yang lahir dari api. (Biro Meteorologi, Majalah Australia / Pengetahuan) Salah satu contoh yang paling dramatik dari "cuaca api" ialah awan seperti ribut petir yang boleh kelihatan tinggi di atas api. Dipanggil awan pyrocumulonimbus, ia terbentuk apabila terdapat kelembapan yang agak tinggi di atmosfera. Bulu abu dan udara panas meningkat dengan cepat dari kebakaran, berkembang dan menyejukkan kerana semakin tinggi. Pada satu ketika, biasanya kira-kira 15, 000 kaki tinggi, ia menyejukkan cukup bahawa wap air di dalam udara mengalir ke dalam awan. Pemeluwapan melepaskan lebih banyak haba ke dalam plum, menghidupkan semula dan menghasilkan awan putih terang yang boleh menara sehingga 40, 000 kaki tinggi.
Di bawah pangkalan awan, udara boleh terburu-buru ke atas dengan kelajuan menghampiri 130 batu sejam, didorong oleh perolakan dalam bip, pasukan San Jose State telah menemui. Semakin banyak kebakaran yang semakin meningkat, semakin banyak udara yang ditarik ke dalam pengemasan, mengintensifkan keseluruhan kebakaran. Dan dalam kes-kes yang jarang berlaku, ia juga dapat menimbulkan tornado yang menyala di bawah.
Kelahiran Tornado Berapi
Lareau melihat bentuk firenado hampir dalam masa sebenar semasa api Carr, berhampiran Redding, pada bulan Julai 2018. Dalam kes ini dia tidak berada berdekatan dengan laser dalam traknya, tetapi duduk di komputer yang melihat data radar. Radar cuaca, seperti yang digunakan untuk ramalan tempatan anda, boleh menjejaki kelajuan zarah kecil seperti abu bergerak di udara. Apabila kebakaran Carr berkembang, Lareau menarik data radar dari pangkalan ketenteraan hampir 90 batu dari kebakaran yang semakin meningkat. Dengan memerhatikan bagaimana abu berpindah ke arah yang bertentangan di pelbagai peringkat di atmosfera, dia dapat melihat bagaimana putaran atmosfera di dalam plum semakin mengecil dan semakin bertambah. Seperti skaters angka yang menarik tangan mereka semasa putaran, putaran itu dikontrakkan dan dipacu untuk membentuk vorteks yang koheren-sebuah tornado yang tertanam dalam abu abu yang lebih besar.
Ini hanya contoh kedua yang diketahui, selepas sebuah tembikar tahun 2003 di Australia, sebuah tornado yang terbentuk kerana awan pyrocumulonimbus, Lareau dan rakan-rakan menulis pada bulan Disember dalam Surat Penyelidikan Geofizik . Kebakaran menyediakan haba awal yang menghasilkan awan, yang kemudiannya menghasilkan tornado. "Dinamik yang membawa kepada keruntuhan putaran tidak hanya didorong oleh kebakaran, mereka juga didorong oleh awan itu sendiri, " kata Lareau. "Itulah apa yang berbeza mengenai kes ini, berbanding dengan lebih banyak kebakaran anda."
Bayangkan betina di tengah-tengah kebakaran, dan mudah untuk melihat mengapa api Carr sangat dahsyat. Dengan kelajuan angin melebihi 140 batu sejam, tornado api mengetuk menara elektrik, membungkus paip keluli di sekeliling tiang kuasa dan membunuh empat orang.
Tangki pyrocumulonimbus ini merebak ke dalam api Willow berhampiran Payson, Arizona, pada tahun 2004. Di bawah ini adalah bulu asap gelap; di atas adalah awan putih awan titisan air yang dipeluwap. (Eric Neitzel / Wikimedia Commons) Meramalkan Flow 'Next Move
Keburukan semacam itu ialah apa yang mendorong Coen untuk mencipta kebakaran hutan. Dia dibesarkan di luar Pittsburgh, anak perempuan pemadam kebakaran, dan kemudian menjadi terpesona oleh bagaimana angin, eddies dan peredaran atmosfera yang lain dapat membantu penyebaran api. Bergantung kepada bagaimana udara mengalir melintasi landskap, api boleh bergerak di mana ia bergerak-mungkin terbelah menjadi dua bahagian dan kemudian menggabungkan semula, atau memuncak eddy kecil atau pusaran di sepanjang garis api. "Pemungut hutan berfikir tentang kebakaran sebagai bahan api dan rupa bumi, " kata Coen. "Kepada kita, sebagai ahli meteorologi, kita melihat banyak fenomena yang kita kenali."
Pada tahun 1980-an dan 1990-an, ahli meteorologi mula menghubungkan model cuaca, yang menggambarkan bagaimana aliran udara mengatasi kawasan yang kompleks, dengan mereka yang meramalkan kebakaran. Satu sistem sedemikian, model komputer yang dibangunkan di Laboratorium Sains Kebakaran Missoula Hutan AS di Montana, kini kerap digunakan oleh agensi-agensi persekutuan untuk membuat ramalan di mana kebakaran akan berkembang.
Coen melangkah lebih jauh dan membangunkan model atmosfera dan api bersama yang menggabungkan aliran udara. Ia boleh, misalnya, lebih baik meniru bagaimana angin menelan dan memecah puncak di kawasan yang curam.
Ku
Modelnya menjadi sangat mengejutkan pada 8 November 2018, ketika dia dijadwalkan untuk memberi ceramah, "Memahami dan Meramalkan Kebakaran Liar, " di Stanford University. Malam tadi, semasa membuat persembahan, dia melihat laporan bahawa Pasifik Gas dan Syarikat Elektrik sedang mempertimbangkan untuk menutup peralatan di bahagian kaki bukit Sierra Nevada kerana angin yang kuat diramalkan.
Keesokan harinya dia pergi ke simposium tetapi duduk di belakang mencari Internet dan mendengar suapan radio kecemasan. Sebagai rakan sekerja bercakap, dia mengikuti lalu lintas pengimbas, mendengar bahawa api telah dinyalakan di California Utara dan merebak dengan cepat ke arah bandar Syurga. "Apabila saya terpaksa melancarkan persembahan saya, " katanya. "Saya dapat memberitahu oleh angin, dengan seberapa buruk pemindahan yang berlaku, ia akan menjadi satu peristiwa yang dahsyat. Tetapi pada masa itu kita tidak tahu ia akan menjadi yang paling berbahaya dalam sejarah California. "
Angin kencang yang dia dengar tentang menjadi penting untuk bagaimana api menyebar dan menenggelamkan Syurga. Kencang angin yang kuat mendorong api ke bandar yang sangat berhutan. Ia sepenuhnya dapat diramal menurut fizik dalam modelnya, Coen berkata: "Banyak perkara yang aneh masuk akal selepas anda melihat pergerakan halus ini."
Satu lagi contoh ialah kebakaran Tubbs yang menghancurkan Santa Rosa pada Oktober 2017, yang merebak di 12 batu dalam masa lebih tiga jam. Model Coen meneroka bagaimana aliran udara dikenali sebagai angin Diablo bergerak melintasi landskap. Ternyata lapisan udara yang stabil meluncur cepat di atas topografi kompleks di atas Santa Rosa. Di mana ia melanda rabung gunung, ia menghasilkan letupan angin berkelajuan tinggi. Yang mengejutkan, letusan angin tidak datang dari puncak tertinggi, tetapi satu set puncak yang lebih kecil yang berada di bawah angin. Lokasi beberapa pecah angin yang mencapai 90 batu sejam mengikut modelnya, sepadan dengan tempat api terbakar - mungkin disebabkan oleh kegagalan peralatan elektrik. Coen menyifatkan kerja di Washington, DC, pada bulan Disember pada pertemuan Kesatuan Geofizik Amerika.
Model Coen juga membantu menerangkan kebakaran Redwood Valley, yang bermula dalam ribut angin yang sama seperti kebakaran Tubbs. (Empat belas kebakaran berasingan berlaku di California Utara dalam tempoh 48 jam, sebagai sistem cuaca bertekanan tinggi di pedalaman yang menghantar angin Diablo bergegas ke luar pesisir.) Tetapi dalam kes ini terdapat jurang sejauh tujuh mil lebar di pergunungan yang angin dapat tergesa-gesa, memampatkan dan mempercepatkan. Ia seperti satu sungai sempit angin-yang akan sukar ditemui dengan cuaca tradisional atau ramalan api, kata Coen. "Jika anda melihat data cuaca dan melihat satu situasi ini adalah luar biasa berbanding dengan yang lain, fikiran anda cenderung untuk menolaknya, " katanya.
Tetapi peramal perlu memberi perhatian kepada pembacaan bacaan angin berkelajuan tinggi. Mereka boleh memberi isyarat bahawa sesuatu yang sangat setempat-dan sangat berbahaya-sedang berlaku.
Dari percikan api ke pembakaran
Penyelidik seperti Coen mengesan penyebaran perimeter api untuk meramalkan di mana garis api aktif mungkin bergerak. Tetapi fizik juga boleh membantu saintis memahami dengan lebih baik satu lagi jenis penyebaran api: apa yang berlaku apabila angin menangkap bau dan meninggikan mereka jauh di hadapan depan api. Ketika mereka mendarat, embers kadang-kadang boleh membakar selama beberapa jam sebelum menyentuh daun, dek atau sesuatu yang mudah terbakar. Itulah masalah besar bagi anggota bomba yang cuba mencari jalan untuk menggunakan sumber mereka - sama ada untuk berada di barisan api utama atau untuk mengejar di mana mereka berfikir kebakaran mungkin akan menyala.
Untuk mendapatkan persoalan ini, kembali ke University of Maryland Gollner telah mengusahakan fizik berskala kecil yang diperlukan untuk membakar api. Makmalnya berada di Jabatan Kejuruteraan Perlindungan Kebakaran, dan ia kelihatan bahagiannya. Pemetik butana mengisi laci. Kotak jerami pain terletak di rak. Sarung tangan pelindung api tebal terletak di atas bangku. Udara berbau sedikit acuh, seperti bau api yang baru dipadamkan.
Sepanjang satu dinding makmal, di bawah hud pengalihudaraan yang besar, Gollner memamerkan alat logam yang agak rata dan lebih luas daripada koboi. Di sinilah dia mencipta ember dengan menyalakan sekeping kayu berbentuk gabus dan meletakkannya di dalam kotak. Kipas bertiup angin yang berterusan ke atas api yang membara, sementara instrumen di bawah kotak mengukur suhu dan aliran haba permukaan yang duduk di atasnya. Dengan peranti ini, Gollner dapat mengkaji apa yang diperlukan untuk embers untuk menjana haba yang mencukupi untuk memulakan api bangunan. "Banyak kajian telah dilakukan di atas katil rumput dan barangan halus, " katanya. "Kami mahu faham, bagaimana ia menyalakan dek anda, bumbung anda atau struktur anda?"
Ternyata satu batang tunggal, atau segelas bara, tidak dapat membina panas yang banyak jika ia jatuh pada bahan seperti dek atau bumbung. Tetapi letakkan satu atau dua belas embers ke dalam peranti Gollner dan fluks panas naik secara mendadak, dia dan rakan-rakannya melaporkan dalam Mac Fire Safety Journal . "Anda mula mempunyai radiasi di antara mereka, " katanya. "Ia bersinar, di bawah angin - ia hanya cantik."
Saintis kebakaran University of Maryland Michael Gollner menunjukkan peranti yang menguji kebakaran menyebar di sudut yang berbeza. Apabila ia menimbulkan permukaan pencucuhan dari mendatar ke condong, nyalaan api memberikan maklumat yang berbeza-beza yang dapat digunakan oleh pemadam kebakaran ketika menghadapi kebakaran yang semakin meningkat. (Alexandra Witze) Hanya sebatang kecil embers boleh menghasilkan kira-kira 40 kali panas yang anda rasakan dari matahari pada hari yang panas. Itulah pemanasan yang banyak, dan kadang-kadang lebih banyak, yang berasal dari api itu sendiri. Ia juga cukup untuk menyalakan kebanyakan bahan, seperti kayu geladak.
Oleh itu, jika terdapat banyak bara yang terbang di hadapan api, tetapi mereka yang bara tanah jauh dari satu sama lain, mereka tidak boleh membina haba radiasi yang diperlukan untuk menghasilkan api tempat. Tetapi jika bara buncit, mungkin ditiup oleh angin ke celah geladak, mereka boleh membungkus bersama-sama dan kemudian mencetuskan pencucuhan, kata Gollner. Kebanyakan rumah yang terbakar di antara muka bumi liar-bandar ini menyala dari embers ini, selang beberapa jam selepas kebakaran itu sendiri telah berlalu.
Memahami fluks haba pada skala kecil ini boleh menerangi mengapa sesetengah rumah membakar manakala yang lain tidak. Semasa kebakaran Tubbs, rumah-rumah di satu sisi jalan-jalan beberapa dihancurkan sementara yang di sisi lain tidak mempunyai sebarang kerosakan. Ini mungkin kerana rumah pertama yang menyalakan tenaga kepada jirannya, yang kemudian membakar rumah-rumah jiran seperti domino kerana haba radiasi. Apabila rumah dikemas rapat, hanya ada banyak pemilik rumah yang boleh lakukan untuk mengurangkan bahaya dengan membersihkan berus dan bahan mudah terbakar di sekeliling rumah.
Mengawal Binatang
Gollner-seorang penduduk asli California yang dibesarkan dari kebakaran hutan-kini sedang mengusahakan aspek-aspek lain dari api yang menyebar, seperti apa yang diperlukan untuk sekeping tumbuh-tumbuhan yang berapi-api untuk memecahkan angin kencang dan menyalakan benih lain di bawah air. Dia sedang mengkaji kebakaran api untuk melihat sama ada ia boleh digunakan untuk membakar lendir minyak di lautan, kerana pusaran membakar minyak dengan lebih cepat dan lebih bersih daripada api yang tidak merosot. Dan dia memulakan projek mengenai kesan kesihatan menghirup asap api.
Buat masa ini, beliau berharap penyelidikannya dapat membantu menyelamatkan rumah dan nyawa semasa kebakaran aktif. "Anda tidak akan membuat sesuatu yang tahan api, " katanya. "Tetapi apabila anda membuatnya lebih baik anda membuat perbezaan yang besar." Rumah yang dibina dengan perisai terhadap bara yang masuk melalui bukaan loteng, atau menggunakan bahan-bahan tahan api seperti asfalt dan bukan kayu kayap, mungkin kurang berkilau daripada rumah yang tidak dibina piawaian tersebut. Sekiranya hanya 10 buah rumah dan bukan 1, 000 menyalakan ketika api, api bomba mungkin dapat mengatasi kebakaran besar yang akan datang, kata Gollner.
Apabila iklim panas dan kebakaran semakin melampau, ahli sains api tahu kerja mereka lebih relevan berbanding sebelum ini. Mereka menolak untuk membuat perkara penyelidikan di mana ia dianggap sebagai di hadapan-depan dengan pegawai pengurusan kecemasan. Coen, misalnya, sedang berusaha untuk menjalankan modelnya lebih cepat dari masa sebenar, supaya ketika kebakaran besar berikutnya pecah dia dapat dengan mudah meramalkan di mana ia mungkin akan diberi angin dan keadaan atmosfera yang lain. Dan Lareau sedang mengembangkan cara untuk mengesan penyebaran api dalam waktu dekat.
Dia menggunakan maklumat cuaca seperti radar berasaskan tanah yang digunakannya untuk mengesan Carr firenado, serta satelit yang dapat memetakan perimeter kebakaran dengan mempelajari haba mengalir dari tanah. Akhirnya, dia mahu melihat sistem ramalan masa nyata untuk kebakaran hutan seperti yang ada sekarang untuk ribut petir, tornado, taufan dan peristiwa cuaca yang lain.
"Amaran tidak akan menghentikan api, " kata Lareau. "Tetapi mungkin ia akan membantu kami menentukan di mana untuk membuat keputusan itu. Ini adalah persekitaran di mana minit penting. "
Majalah yang boleh dipercayai adalah usaha kewartawanan bebas daripada Kajian Tahunan. Alexandra Witze (@alexwitze) adalah seorang wartawan sains yang hidup di antara muka bumi liar di atas Boulder, Colorado, yang kadang-kadang melihat asap dari kebakaran berhampiran.
