Gennem røg og ild, NASA søger efter svar

NASA-satellitter afslører en verden præget af ild:et globalt kludetæppe af flammer og røg drevet af årstiderne og mennesker. Sommerens skovbrande raser over det vestlige USA og Canada, Australien og Europa. I det tidlige forår, landbrugsbrande dækker brødkurv-regionerne i Sydøstasien, som de gør i hele den tørre sæson i det centrale og sydlige Afrika og Brasilien.

Årevis, NASA har brugt rumets udsigtspunkt, kombineret med luftbårne og jordbaserede feltkampagner, at tyde virkningen af ​​brande – fra den første gnist til det sidste pust af ulmende røg – og hjælpe andre instanser med at beskytte liv og ejendom.

Men virkningerne af brande hænger længe efter, at de er slukket:De kan øge økosystemer, påvirke klimaet og forstyrre samfund. Mens NASA holder øje med dagens brande, den tager også fat på de store spørgsmål, der hjælper brandledere med at planlægge fremtiden.

Den her sommer, NASA er i gang med adskillige feltkampagner over hele verden for at undersøge mangeårige spørgsmål omkring ild og røg. Fly vil flyve gennem røg og skyer for at forbedre luftkvaliteten, vejr- og klimaudsigter, og undersøge ildbrændte skove for at fange økosystemændringer, der har global indvirkning.

"De højeste brandtårne"

Sidste års amerikanske naturbrandsæson var den mest dødbringende og dyreste i Californiens historie. Det er blevet en trend:Længere, varmere tørre årstider forårsaget af klimaændringer kombineret med overflod af vegetation på grund af aggressiv brandbekæmpelsespraksis i det sidste århundrede har resulteret i, at 16 af de 20 største brande i statens historie har fundet sted i de sidste 20 år. Under disse forhold, Tidlig opdagelse er nøglen til katastrofeberedskab til at formulere strategier til håndtering af naturbrande af stigende størrelse og sværhedsgrad og til at udføre evakueringer. Instrumenter på NASA-satellitter, der kredser om jorden, giver ofte det første øjebliksbillede af en brands placering og udvikling.

"Vi er, i det væsentlige, de højeste brandtårne, " sagde Doug Morton, chef for laboratoriet for biosfærisk videnskab ved NASAs Goddard Spaceflight Center i Greenbelt, Maryland. "Realtidsoverførsel af disse satellitdata i hænderne på skovforvaltere, beskyttede områdeledere og brandmænd om placeringen af ​​nye flammer - det er her, NASA's indledende rolle er kritisk vigtig."

Jord- og luftbårne observationer sporer brandaktivitet i dagtimerne. For at spore brande om natten, US Forest Service bruger to fly udstyret med NASA-udviklede termiske sensorer og ombord automatiserede databehandlingssystemer, der leverer branddetekteringskort via mobilsignal til hændelseskommandocentralen (nervecentret for brandoperationer på tværs af reagerende offentlige instanser) i et spørgsmål om en få minutter.

"Vi taler om hændelseskommando, der får afgørende information på 5 til 20 minutter i forhold til flere timer med ældre teknologi, "sagde Vince Ambrosia, en skovbrands fjernmålingsforsker ved NASA Ames Research Center i Moffett Field, Californien. "De tal taler for sig selv om værdien af ​​kritiske, rettidig information."

Ud over at overvåge aktive brande, NASA arbejder også på at forbedre brandprognoser. Foregribelse af en brands næste træk afhænger af at forene den komplekse udveksling mellem topografi, vegetation og vejr. Et fokusområde er udviklingen af ​​modeller, der tager højde for fugtindholdet i brændstofkilder som f.eks. væltede træer, der er mere tilbøjelige til at antænde og sprede det. En anden er fjerndetektion af stigebrændstoffer - højt græs, buske og grene, der kan føre flammer fra jorden ind i højere grene for at skabe hurtigt spredede kronbrande. NASA-forskere arbejder på at udvikle kort over stigebrændstof til både aktiv brandprognose og brandbekæmpelse ved hjælp af data fra rummet.

Brugt brandfare:Røg

Enhver, der lever medvind fra en naturbrand ved, at samfund ikke behøver at være i den direkte vej til en brand for at mærke dens virkninger. Røg kan rejse tusinder af miles, dækker byer og byer med skadelige kemikalier og fine partikler, der forårsager åndedrætsbesvær og andre sundhedsproblemer.

Regelmæssige røgprognoser for USA ved hjælp af satellitdata er produceret af National Oceanic and Atmospheric Administrations (NOAA) National Weather Service. Røgprognoser er afgørende for lokale sundhedschefer for planlægning af skole og andre lukninger, og for at give lokalsamfund tid til at anskaffe sig ansigtsmasker og finde passende husly.

Denne måned, NOAA og NASA begynder en større feltkampagne for at forbedre deres jord- og satellitbaserede prognosemodeller ved at se nærmere på røgen. Den fælles Fire Influence on Regional to Global Environments and Air Quality (FIREX-AQ) kampagne vil anvende en flåde af videnskabsfly spækket med instrumentering til at analysere røgkemi i varierende højder fra forbrændingspunktet til hundredvis og muligvis tusindvis af miles medvind. Missionens første etape, der begynder sidst i juli, vil fokusere på naturbrande i det vestlige USA; Sekundet, i august, vil tage højde for landbrugsbrande i det sydøstlige USA.

"Ikke al røg er ens, " sagde Barry Lefer, troposfærisk sammensætningsprogramleder ved NASAs hovedkvarter i Washington. "Fyrretræ, græsser, løvtræer, buske - deres kemi er anderledes, så når de brænder, reagerer hver af disse røgarter forskelligt med vejret og atmosfæren. Vi ønsker at observere disse interaktioner, og hvordan de ændrer sig, når de rejser med vinden. Dette vil give flere nuancer til vores modeller og forbedre prognoser."

Skiftende skyer, Klima, og Vejret

Røg- og skyinteraktioner har en dyb indvirkning på vejr og klima. Ligesom andre aerosoler, røgpartikler kan fungere som skyfrø; vanddamp kan smelte sammen omkring dem og danne sky vanddråber. Røg påvirker også, hvor meget sollys skyer reflekteres tilbage i atmosfæren. Kvantificering af disse mekanismer er afgørende for at forbedre globale klimaprognosemodeller.

Alligevel er aerosol-sky-interaktioner notorisk vanskelige at observere i felten, sagde Hal Maring, programleder for strålingsvidenskab ved NASAs hovedkvarter. "Nogle skyer har meget korte levetider, mens andre har meget lange, og de er alle placeret i radikalt forskellige dele af himlen. At få et kvantitativt kig på disse processer er en høj ordre. "

Endnu en større NASA-sponsoreret feltkampagne denne sommer og efterår, denne gang i Filippinerne, vil tackle denne videnskabelige udfordring. I august NASA, Manila -observatoriet og Naval Research Laboratory (NRL), i samarbejde med den filippinske regering, vil samles på himlen omkring landet med flere instrumenterede fly, sammen med havforskningsfartøjet Sally Ride, at tage mere end en måneds detaljeret hensyn til aerosol-sky-interaktioner. Et årti undervejs, skyen, Aerosol, og Monsoon Processes Philippines Experiment (CAMP2Ex) mission vil tage målinger for at hjælpe med at forbedre overvågning og langdistancevejr og klimaudsigter.

Det maritime kontinent - Indonesien, Borneo, Ny Guinea, de filippinske øer, den malaysiske halvø og de omkringliggende have - har længe været et område for videnskabelig undersøgelse. Landbrugs- og andre brande fra regionen, sammen med luftforurening fra byer, sørge for en klar forsyning af aerosoler, der påvirker store vejrprocesser; udover de voldsomme monsuner over det asiatiske øhav, regionen producerer også fugt, der giver nedbør over Stillehavet og endda kan påvirke vejret i det kontinentale USA.

"Regionen er det perfekte naturlige laboratorium, " sagde NRL forskningsmeteorolog Jeff Reid, WHO, sammen med Maring, er med til at lede CAMP2Ex. "Regionen har den helt rigtige blanding af meteorologisk og aerosolvariabilitet. Talrige satellit-fjernmålings- og modelleringsstudier har forbundet tilstedeværelsen af ​​forurening og biomassebrændende røg med ændringer i sky- og stormegenskaber, men vi mangler observationerne af de faktiske mekanismer, der finder sted. CAMP2Ex giver en tiltrængt digel til satellitobservationssystemer og modelforudsigelser for at overvåge og forstå, hvordan atmosfærisk sammensætning og vejr interagerer. "

Brændstof for en kulstofubalance

Kulstof er en byggesten for alt liv på Jorden; det er også en nøglefaktor i klimaforandringerne. Fra den industrielle tidsalder, afbrændingen af ​​kulstofholdige fossile brændstoffer til energibehov har frigivet et overskud af varmefangende kuldioxid og andre gasser i atmosfæren. Skovbrande bidrager også, når de frigiver kuldioxid. På de nordlige breddegrader er der en anden kilde til kulstofemissioner, som forskere studerer, i form af optøende jord.

I 2014 brænder sommerbrande i de nordvestlige territorier, Canada, claimed 7 million acres of boreal forest—an area larger than Massachusetts—making it one of the most severe fire seasons in the country's history. Those fires emitted approximately 94 tera-grams of carbon, offsetting half of all the carbon removed from the atmosphere through annual tree growth across all of Canada's vast forests.

"We expect that carbon stocks will start to recover after this loss because vegetation will regrow and take carbon out of the atmosphere, which is a good thing, " said NASA Goddard Earth scientist Peter Griffith. "But it will take 75 to 100 years to make up for that carbon loss."

Fires are essential for many forests, as they return nutrients to the soil and encourage the growth of essential tree species, such as Black Spruce in Canada's boreal forests. But because the Arctic is warming twice as fast as the rest of the planet, resulting in longer, warmer, drier summers, evidence suggests that more frequent, more intense fires—and the substantial carbon loss and ecosystem consequences that come with fire—are there for the long haul.

NASA's Arctic Boreal Vulnerability Experiment (ABoVE) is in the middle of a 10-year airborne field campaign to investigate the social and ecological impacts of the rapidly changing climate in Alaska and northwestern Canada. These include impacts to and from wildfires, changes to wildlife habitats and the thawing of permafrost:perennially frozen ground that contains ice, rocks and sand along with organic material. A warming Arctic is thawing permafrost, which allows decomposition to set it in, releasing more carbon dioxide and methane into the atmosphere. Fires speed up that process by burning away many inches of the insulating layer of unfrozen organic soil, exposing frozen soil to the warmer air.

For the last few years, ABoVE has been flying aircraft equipped with radar and lidar instrumentation to the Northwest Territories to monitor permafrost loss in burned areas. The data reveal that the ground in burned areas is sinking faster year by year as the ground thaws, Griffith said. The airborne data taken over carefully measured ground locations will help to connect those changes at sites to what NASA researchers observe across North America from landcover and ice-measuring satellites.

As the scorched boreal forests recover, the once dominating conifers—tree species that retain their leaves year-round—are being replaced by deciduous trees, which can have follow-on ecosystem effects that scientists are still trying to understand. "It's clear that birds and animals, as well as people who live in or around these forests and who depend on wildlife for food, will have to adapt, " Griffith said. "The climate changes and other environmental changes that are impacting northern ecosystems and the people who live there are happening because of decisions that are being made far, langt væk. We are all truly connected."