211service.com
Ontmoet de wetenschappers die proberen de ergste bosbranden ter wereld te begrijpen
Het zal niet eenvoudig zijn om de 47 jaar oude standaard bij te werken om te voorspellen wat branden zullen doen, maar het zal levens redden. 16 december 2019
vuur tornado Kristine Paulsen
Jason Forthofer vocht al meer dan een week tegen de Sunrise Fire in het zuiden van Montana, toen hij de grootste fout van zijn carrière maakte. Hij was met een team aan het werk aan de rand van het vuur, groeven aan het graven en verlichtte brandende rugbranden in de verstikkende hitte, toen hij een gerucht hoorde over een hut in de buurt die mogelijk bescherming nodig had.
Nieuwsgierig en enthousiast om te helpen, pakten Forthofer en zijn collega Kevin Beck op een ochtend hun rugzakken op hun schouders en zochten hun weg naar een oud mijnpad naar het nabijgelegen bos. Forthofer was te voet, terwijl Beck op een vierwieler reed. Al snel duwden ze zich door het struikgewas, takken bleven haken in het zware materiaal van hun brandvertragende jassen. Misschien waren er een paar wolken boven ons; als die er waren, negeerde Forthofer ze. De incidentmeteoroloog die met het team samenwerkte, waarschuwde al enkele dagen voor mogelijke onweersbuien - typisch voor een zomer in Montana - maar er was geen sprake van.
De hut, toen ze hem vonden, was ongeveer een halve mijl van de weg, een gammele mijnbouwhut die was opgelapt van schroot en omringd door Douglas-sparren. Ze inspecteerden het gebouw: het leek alsof er recentelijk nog mensen waren geweest, maar nu was er niemand thuis. Toen hoorde Forthofer een geluid dat zijn maag deed dalen: het diepe gerommel van de donder. De toppen van de nabijgelegen bomen begonnen te wiegen.
Beck sprong op zijn vierwieler en Forthofer jogde hem en baande zich een weg naar de weg zo snel als de dikke borstel dat toeliet. Ze hadden een stom risico genomen door de voorspellingen te negeren - en dat wisten ze. Een naderende storm zou gemakkelijk gevaarlijke winden kunnen doen oplaaien en ongecontroleerd vuur met verschrikkelijke snelheid op hen af stoten.
De paniek van Forthofer nam toe naarmate de wind toenam. Dertig kilometer per uur. Toen 40. Toen ze de weg naderden, begon hij te rennen, wetende dat de vlammen hem elk moment konden bereiken.
Zwetend en uitgeput, doodsbang voor wat er had kunnen gebeuren, kwamen Forthofer en Beck terug. Ze waren veilig. Maar één gedachte speelde keer op keer in de geest van Forthofer: Ik had daar kunnen sterven. Zo sterven brandweerlieden.
Jason Forthofer staat op het dak van het Missoula Fire Sciences Lab. Kristine Paulsen
Sunrise was slechts een van de 21 branden die Montana in de zomer van 2017 afbrandden. Maar de brand was grotendeels onder controle toen Forthofer een paar weken later aan zijn bureau zat en zijn ervaring vanuit een ander perspectief bekeek. Als hij niet rechtstreeks branden blust, bestudeert Forthofer ze, in samenwerking met een groep analisten, biologen, computerprogrammeurs en ingenieurs van het Missoula Fire Sciences Lab in Montana.
Zijn dubbele rollen - in de frontlinie en als onderzoeker - illustreren de unieke positie van het laboratorium in de Amerikaanse natuurbrandbestrijding.
Die context is van cruciaal belang, en het is niet iets dat de meeste wetenschappers krijgen, zegt ecoloog Matt Jolly, een van de collega's van Forthofer. Ze proberen te schrijven over bosbranden, schrijven over kroonvuur [in boomkruinen]. En ze hebben er nog nooit een gezien!
Het Fire Lab is misschien het best bekend om de computerprogramma's die het produceert om het gedrag van natuurbranden te voorspellen. In 1972 gebruikte een onderzoeker genaamd Dick Rothermel een reeks eenvoudige experimenten om een van de eerste wiskundige modellen te maken die konden voorspellen hoe een brand zich zou kunnen verspreiden. Rothermel verbrandde brandstof in zijn windtunnel, controleerde factoren zoals windsnelheid en observeerde zijn vuren terwijl ze groeiden. Hij zette de resultaten in een grafiek en gebruikte de gegevens om een reeks vergelijkingen af te leiden die overal op bosbranden konden worden toegepast. Plots konden analisten voorspellingen doen over de manier waarop een brand zich zou verspreiden - en de resultaten veranderden de manier waarop experts denken over en omgaan met vuur.
Matt Jolly ziet een vuur branden in het lab. Kristine Paulsen
Tegenwoordig vormt het Rothermel-model de ruggengraat voor bijna elk computerprogramma dat wordt gebruikt om het gedrag van natuurbranden in de VS te analyseren. Maar hoewel zijn werk voor die tijd vooruitstrevend was, hield Rothermel geen rekening met veel van de factoren die ervoor zorgen dat branden zich in de echte wereld anders gedragen dan in de beperkte omgeving van een laboratorium. Zijn onderzoek ging er bijvoorbeeld van uit dat dennennaalden in een ondiep brandstofbed op dezelfde manier zouden branden als dezelfde naalden die veel hoger waren gestapeld. Modellen zoals die van Rothermel zijn alleen echt geldig voor de reeks gegevens en experimenten die je hebt uitgevoerd, zegt Forthofer. Buiten dat bereik is het een gok of de curve door blijft gaan.
Ter compensatie hebben brandgedraganalisten een bijna eindeloze reeks aanpassingen en invoer op het skelet van Rothermel geschroefd, zodat ze nauwkeurigere voorspellingen kunnen doen over hoe een bepaalde brand zich in de loop van uren of dagen zal ontwikkelen. Ze bevatten gegevens die alles beschrijven, van helling tot vegetatie tot kenmerken van het bladerdak en weersfactoren. Het geheel is een staaltje technologie en vindingrijkheid, een poging om iets te voorspellen dat eeuwenlang mysterieus en onkenbaar is geweest.
Maar vandaag, na decennia van droogte en stijgende temperaturen, hebben monsterlijke branden in het hele Amerikaanse Westen de zwakke punten van het systeem in beeld gebracht. Het model van Rothermel kan niet omgaan met alles wat de omgeving ermee te maken heeft, van het aantal dode bomen dat nu in de Amerikaanse bossen staat tot fluctuerende windsnelheden.
Een portret van Harry T. Gisborne, pionier op het gebied van bosbrandonderzoek, begroet bezoekers als ze het Lab binnenkomen. Kristine Paulsen
De tools kloppen niet altijd, legt Forthofer uit. Ze hebben bijna nooit gelijk, nooit helemaal gelijk. En als ze het bij het verkeerde eind hebben, kan dit tot reële en ernstige gevolgen leiden: geld kwijt, huizen kwijt of – het ergste van alles – levens.
Dus, met inferno's die tienduizenden hectares verorberen en elk jaar meer mensen doden, probeert het Fire Lab voor het eerst in een halve eeuw een gloednieuw model te bouwen. Er is veel in te halen.
Op een middag in juli 2019 geeft Forthofer me een rondleiding door het lab, samen met zijn baas, Mark Finney. Brandbestrijding is nooit ver weg voor Forthofer - zijn broer en vrouw waren allebei brandweerlieden, en veel van zijn vrienden zijn dat nog steeds - en hij heeft het solide lichaam van iemand die regelmatig met rugzakken van 100 pond wandelt. Finney daarentegen is pezig en hoekig, met verzilverde slapen en de neiging om in korte uitbarstingen te spreken.
Beginnend in de foyer van het gebouw, zijn er eigenzinnige accenten in overvloed. Een opgezette berggeit heeft de leiding over de receptie (Raak de geit niet aan, pleit voor een bord in de buurt). Een patchwork-quilt met een wildvuurthema uit 2010 herdenkt het 50-jarig jubileum van het lab.
Buiten razen wolken over de vlaktes, maar je zou het niet weten in de spelonkachtige, raamloze ruimte van het testlaboratorium, waarvan de torenhoge binnenmuren zijn gemaakt van gegolfd metaal. We stoppen voor een kolossale plaat gevuld met zand, waarvan Forthofer en Finney uitleggen dat het in wezen een gigantische brander is. Ze wijzen op de aangepaste propaanstralen eronder, waardoor ze de intensiteit van de vlammen nauwkeurig kunnen regelen en exacte metingen kunnen doen terwijl ze branden.
Het lab heeft de tafel Big Sandy genoemd, vertelt Finney me. (Ze hebben vergelijkbare branders Little Sandy en Big Bertha genoemd.) Een van de kenmerkende experimenten van Big Sandy meet de vlamlengte, temperatuur en druk in een vuur dat in een rechte lijn begint. Rijen lasergesneden kartonnen tanden branden een voor een in een bijna vloeibare beweging terwijl een lijn van vlammen van wel 2 meter hoog zich over hen verspreidt en een golf van pieken en dalen vormt.
Metingen op Big Sandy hebben aangetoond dat deze vormen worden veroorzaakt door koude lucht die de vlammen met tussenpozen in hun brandstofbed duwt, waardoor het verbrandingsproces wordt aangedreven. Een video-opname die door een stroomspooranalyse is gehaald, voegt dunne groene lijnen toe die het gemakkelijker maken om die beweging te volgen. Het laat zien hoe deze koude lucht in een reeks kleine wervelingen of draaikolken draait, wanneer de gassen voor de vlammen stijgen en dalen terwijl ze opwarmen en afkoelen. Zonder die beweging zouden vlammen niet vooruit gaan, legt Finney uit; ze zouden gewoon boven hun brandstof drijven en uiteindelijk uitgaan.
In een kantoor in de hal van Big Sandy neemt brandanalist Chuck McHugh me mee door een aantal van zijn werk. De modellen die hij me van vorige bosbranden laat zien, zien eruit als klitten van rode kronkels en gekleurde vlekken die over kaarten zijn gelegd. In feite, legt hij uit, documenteren de rode lijnen mogelijke paden die de brand zou kunnen nemen; de kleurrijke vormen geven het aantal uren aan dat het vuur naar dat gebied zou kunnen uitbreiden. Op sommige van de kaarten zijn deze klodders omgeven door bubbelende vlekvuren, ontstekingen waarvan de software vermoedde dat vonken weg zouden springen van de hoofdbrand. Het geheel lijkt op een slijmzwam, organisch en levend - wat het in zekere zin ook is.
Overal waar we lopen, probeert het team brandgedrag beter te begrijpen en te voorspellen. Boven zijn de windtunnels, waar Forthofer en zijn collega's vastleggen hoe branden met verschillende snelheden door lucht worden beïnvloed. Hij pronkt ook met een hoog, zwart metalen apparaat waarvan de gebogen basis de luchtstroom genereert die nodig is om 10 voet vuurtornado's te creëren (en te bestuderen). We eindigen onze tour in een kamer vol met schuim-en-metalen constructies om te meten hoe warmte door de lucht beweegt om nieuwe brandstof te ontsteken als een vuur begint. De hele plaats, leggen ze uit, kan worden ingesteld op een specifieke luchttemperatuur en vochtigheid of worden geopend voor ventilatie in geval van nood.
Finney zegt dat al deze complexiteit laat zien dat Rothermels werk gewoon niet meer genoeg is.
Mark Finney staat voor Little Bertha, een apparaat waarmee wetenschappers kunnen testen hoe vuur zich op een helling beweegt. Kristine Paulsen
Alleen omdat je een model hebt, zegt hij, wil nog niet zeggen dat je iets begrijpt.
Wildfire zit vol met kleinschalige processen zoals de draaikolken van Big Sandy. Elk onderdeel van het onderzoek dat het Fire Lab doet, is een poging om een klein deel van het grote geheel te bestuderen. En het is vooral belangrijk bij elementen zoals wind, die zowel van invloed zijn op hoe vuur zich gedraagt als door vuur worden beïnvloed. Het Rothermel-model, stelt Finney, komt bij lange na niet in de buurt van het verklaren van de feedbackloops en vreemde gedragsdrempels in een complex systeem als dat.
Chuck McHugh analyseert de brandactiviteit en de kans op verspreiding. Zijn berekeningen bepalen of er actie moet worden ondernomen - of helemaal geen actie.
Daarom is hij op zoek naar iets nieuws: een complete theorie die brandgedrag kan verklaren, niet alleen voorspellen.
Het streven naar een complete brandtheorie drijft het werk van het Fire Lab op een aantal gebieden aan, van vloeistofdynamica en convectieve warmteoverdracht tot resonantietijd - de periode dat een brandstofdeeltje zoals een dennennaald energie blijft afgeven nadat het is ontstoken. Door al deze kleinere modellen te combineren, hopen Forthofer en Finney een grotere te creëren die deze fenomenen in het wild kan verklaren.
Dezelfde fysieke processen die een gigantische kroonbrand veroorzaken met vlammen van 200 voet die zich verspreiden, maken deel uit van een klein vuur met een vlam van een voet die zich in onze tunnel verspreidt, zegt Forthofer.
Finney's bureau is gewijd aan vuur in al zijn vormen. Kristine Paulsen
Finney vergelijkt zijn taak met het reverse-engineeren van een recept uit een vaste lijst met ingrediënten. Hij en zijn collega's hebben hun basiselementen al geassembleerd: straling, convectie, brandstof, warmte, zuurstof. Maar we hebben niet echt de hoeveelheden van elk of de volgorde van elk of de bereidingsinstructies, zegt hij.
Hoewel Rothermels werk een enorme impact heeft gehad, is het niet het enige spel in de stad. Canada ontwikkelde begin jaren 2000 zijn eigen systeem, Prometheus. Wetenschappers in Australië gebruiken ondertussen hun eigen computerprogramma's die passen bij de eigenaardigheden van Outback bushfire. Het Rothermel-model blijft echter de standaard. Alen Slijepcevic, plaatsvervangend hoofd van de Country Fire Authority in de Australische staat Victoria, heeft de zoektocht van het Missoula Fire Lab met belangstelling gevolgd. Al dat werk zal ongetwijfeld wereldwijde gevolgen hebben, zegt hij.
In de conditioneringskamer van het Fire Lab, die temperatuur- en vochtigheidsgestuurd is, waar nauwkeurig gemaakte apparaten worden gebruikt voor brandwonden. Kristine Paulsen
Elders hebben sommige instellingen een andere benadering gekozen, bekend als computationele vloeistofdynamica (CFD), die modelleert hoe vloeistoffen en gassen bewegen. De techniek verdeelt een gebied in een netwerk van kleine eenheden en berekent hoe elk stuk zou kunnen interageren met de andere. De resultaten kunnen het werkelijke brandgedrag nauwkeuriger nabootsen.
Het probleem is dat dit veel meer rekenkracht vereist dan een programma dat is gebaseerd op het systeem van Rothermel. Het uitvoeren van een enkel CFD-model kan dagen duren: de National Weather Service moet supercomputers gebruiken om CFD-modellen uit te voeren die het weer sneller dan realtime kunnen voorspellen. Dit maakt het onwaarschijnlijk dat de technologie binnenkort zal worden gebruikt om het gedrag van bosbranden te voorspellen: wanneer een brand uitbreekt, zijn frontlinieanalisten vaak honderden simulaties aan het kraken terwijl ze werken op afgelegen locaties waar de infrastructuur hapert en de internetverbindingen slecht zijn. Ze hebben programma's nodig die op een standaardlaptop kunnen draaien - en snel. Immers, zoals de wiskundige Kevin McGrattan van het National Institute of Standards and Technology uitlegt: het heeft geen zin om iemand te vertellen dat de orkaan vorige week New Orleans zou treffen.
Forthofer, Finney en hun collega's hopen dat het model dat ze aan het bouwen zijn een middenweg zal vertegenwoordigen: slim genoeg om betere voorspellingen te doen, met CFD-achtige elementen die factoren als windturbulentie kunnen verklaren, maar eenvoudig genoeg om in het veld te gebruiken.
McGrattan ziet potentieel voor een hybride model, hoewel hij een belangrijk voorbehoud maakt: de eerste stap moet zijn om meer mensen op te leiden om bestaande programma's te gebruiken. Tijdens een recente bijeenkomst vertelden vertegenwoordigers van Forest Service hem dat op Rothermel gebaseerde modellen voornamelijk worden gebruikt voor vooraf geplande, gecontroleerde brandwonden. Als de hel losbreekt in Somewhere, Californië, is er gewoon geen tijd om iemand met dat soort expertise ter plaatse het model te laten runnen, kreeg hij te horen.
De noodzaak om natuurbrandmodellen up-to-date te brengen lijkt urgenter dan ooit. Grote en hevige bosbranden hebben de afgelopen jaren vaker gewoed in delen van het Amerikaanse Westen, maar ook over de hele wereld.
In de Verenigde Staten is het aantal hectares dat jaarlijks door bosbranden wordt verbrand sinds de jaren zeventig met 500% toegenomen. Alleen al door branden in Californië zijn dit decennium honderden mensen omgekomen en duizenden huizen verwoest. In 2018 zag het ergste bosbrandseizoen ooit grote branden zoals de Carr Fire en de Mendocino Complex Fire in augustus miljoenen hectares verwoesten; een paar maanden later doodde het kampvuur minstens 86 mensen en wiste de hele stad Paradise.
Met een apparaat genaamd The Hibachi kunnen wetenschappers testen hoe verschillende exemplaren opwarmen. Kristine Paulsen
Maar het verkleinen van de kloof tussen model en realiteit is slechts de eerste stap om deze rampen aan te pakken.
Brandweerlieden hebben de neiging om traag te zijn met het vertrouwen op technologie boven wat ze hebben waargenomen of meegemaakt, vooral wanneer hun voortbestaan op het spel staat. Ze leren op hun intuïtie te vertrouwen, net zoals Forthofer deed toen hij de onweerswaarschuwingen bij de Sunrise Fire afwimpelde. Je moet beslissingen nemen in situaties waarin je onvolledige kennis hebt, zegt hij. En je bent niet helemaal zeker van de geloofwaardigheid van de dingen die je weet.
Maar zoals zijn Fire Lab-collega Matt Jolly aangeeft, kan dit verschrikkelijke gevolgen hebben als de omstandigheden zo extreem zijn dat niemand ze eerder heeft gezien. Wanneer ervaring faalt, worden tools steeds waardevoller - en naarmate het klimaat verschuift, zal ervaring steeds vaker falen.
In de wereld van brandbestrijding wordt een incident uit 2013 dat plaatsvond in Yarnell Hill, Arizona, als het slechtste voorbeeld beschouwd. In juni kwamen 19 brandweerlieden om het leven toen de wind dramatisch veranderde voorafgaand aan een onweersbui die was voorspeld door de National Weather Service. Ze kwamen vast te zitten, waardoor Yarnell Hill de dodelijkste bosbrand voor brandweerlieden werd sinds 1933. De rillingen lopen over je rug, zegt Forthofer, en hij wijst op de parallellen met zijn eigen ervaring. Dat zou niet mogen gebeuren.
Daarom leggen Jolly en Forthofer de nadruk op training en opleiding en delen ze nieuwe tools met betrouwbare early adopter-brandweerlieden die ze bij anderen zullen verdedigen. Hun vermogen om te coderen tussen het spraakgebruik van academisch onderzoek en de taal van hotshot-bataljons komt goed van pas.
Vooral Jolly besteedt veel van zijn tijd aan rondetafelgesprekken met brandweermanagers en bevelvoerders, workshops voor brandgedraganalisten en andere professionele trainingsevenementen, met de vraag Wat heb je nodig? Wat zou deze tool beter maken?
Deze video van het ontsteken van een tak is 18x versneld. Met dank aan het Missoula fire sciences lab
In zijn kantoor in het Fire Lab, beplakt met de kunstprojecten van zijn dochter en efemere verschijnselen van een buitenleven, haalt Jolly de PowerPoint-presentatie tevoorschijn die hij gebruikt om te pronken met het aanbod van het lab. Zijn grijzend haar valt over zijn voorhoofd terwijl hij herhaaldelijk in zijn ogen wrijft; hij lijkt een beetje op een oudere rockster de ochtend na een zware nacht. (Hij is het niet, en dat is het ook niet.)
Hij laat me een veelkleurige kaart zien op basis van een brandgevaarclassificatiesysteem dat hij heeft helpen ontwikkelen. De groene gebieden vertegenwoordigen normale weersomstandigheden, terwijl rode gebieden extreme hitte, wind of droogte vertegenwoordigen op een niveau dat slechts in 3% van de dagen in de geregistreerde geschiedenis wordt waargenomen. Hij heeft deze tool gemaakt om het soort tragedie te voorkomen dat zich op Yarnell Hill heeft voorgedaan, vertelt hij me. Tweederde van alle dodelijke slachtoffers van bosbranden valt op die dagen, waarop de kans op extreme branden het grootst is.
Hij bladert door verschillende van deze kaarten en wijst op de rode vlekken. Dit waren de omstandigheden vóór een grasbrand in Oklahoma die zich op één dag over tienduizenden hectaren verspreidde. Deze rode vlekken vertegenwoordigen gebieden in Napa en Sonoma ten tijde van de branden die het wijnland in 2016 verteerden. En die kleine rode stip naast Los Angeles markeert de Thomas Fire, de eerste keer dat brandweerlieden in Californië een bosbrand bewerkten op eerste kerstdag.
Hij gaat verder door de diavoorstelling en leidt me door kaarten van de grootste recente branden in Californië: de Carr Fire, de Mendocino Complex Fire, de Camp Fire die het paradijs heeft weggevaagd.
Terwijl brandstof brandt in Little Bertha, toont het de golfachtige formatie die de vlammen aannemen. Kristine Paulsen
Dus je kon deze kaarten maken met de gegevens die die dag beschikbaar zouden zijn geweest? Ik vraag. Hij schudt zijn hoofd. De kaarten zelf waren beschikbaar voor gebruik door brandweerlieden en analisten op die dagen , zowel voordat ze ter plaatse kwamen als terwijl ze daar waren, vertelt hij me.
Dus het hele idee dat we het niet zagen aankomen of dat het ons overrompelde... Hij bijt op zijn lip. Daar moeten we het beter mee doen. Een dieper begrip van vuur, of een nieuw model - dit zijn zinloze prestaties zonder wijdverbreide acceptatie, zegt hij. Als het gedrag niet verandert, zijn ze nutteloos.
Vonken schieten uit de schoorsteen, die vuur in de natuur nabootst. Kristine Paulsen
In de hal ziet Forthofer een transformatie van de brandbestrijdingscultuur voor zich. Het aanleren van een bijgewerkt model, een nieuwe theorie die echt verklaart waarom en hoe het zich op bepaalde manieren gedraagt, zou die verandering kunnen veroorzaken. Het zou zijn collega's een nieuwe manier kunnen bieden om de dingen die ze zien te begrijpen. Met voldoende inspanning zou het close calls kunnen voorkomen, zoals die hij had bij de Sunset Fire, het zou de huizen van mensen kunnen beschermen en, belangrijker nog, het zou levens kunnen redden.
Tussen die dag en vandaag ligt echter dit vuurseizoen, en de volgende, en die daarna. Onderweg zal Forthofer zijn zomers doorbrengen met het blussen van branden en zijn winters met het meten ervan in het laboratorium met Finney. McHugh en zijn collega-analisten zullen hun modellen naar de realiteit blijven lokken, en Jolly zal door het land blijven reizen om te praten met hotshots, brigadecommandanten en nutsbedrijven.
En de branden zullen blijven komen.
—Alissa Greenberg ( @alissaleewrites ) is een onafhankelijke journalist die rapporteert op het snijvlak van cultuur, wetenschap, bedrijfsleven en internationale zaken.