Sporing af røg fra brande for at forbedre prognoser for luftkvalitet

NASAs flyvende laboratorium DC-8 tog til himlen mandag for at starte en to måneders undersøgelse af livscyklusser for røg fra brande i USA. Målet er at bedre forstå røgpåvirkning på vejr og klima og give oplysninger, der vil føre til forbedret prognoser for luftkvalitet.

En fælles kampagne ledet af NASA og National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), Brandindflydelse på regionale til globale miljøer og luftkvalitet (FIREX-AQ) retter sig mod brede spørgsmål om brandrøgs kemiske og fysiske egenskaber, hvordan det måles, og hvordan det ændrer sig fra forbrændingsøjeblikket til dets endelige skæbne hundreder eller tusinder af miles modvind. Alle disse har konsekvenser for folkesundheden.

"Ultimativt, vores mål er at bedre forstå komplekse røg-atmosfære interaktioner for at forbedre modellerne for luftkvalitetsprognoser, hvilket fører til øget nøjagtighed og tidligere underretning, som er kritiske for samfund i modvind af brande, "sagde FIREX-AQ medforsker Barry Lefer, troposfærisk sammensætningsprogramleder ved NASAs hovedkvarter i Washington. "Det fælles formål er det, der bragte vores agenturer sammen for flere år siden, da vi begyndte at planlægge denne store indsats."

"Vi har samlet et fremragende team af forskere, der vil bruge den mest sofistikerede pakke af instrumenter og modeller, der nogensinde er samlet til at undersøge arten af ​​brande og røg, "sagde David Fahey, direktør for NOAAs afdeling for kemiske videnskaber. "Vores lange partnerskab med NASA har taget os bogstaveligt talt rundt på planeten og produceret for mange store videnskabelige opdagelser til at tælle. Jeg forventer, at dette ikke vil være anderledes."

Kampagnens første fase fokuserer på at observere røg fra naturbrande i det vestlige USA. Udstyret med state-of-the-art fjernbetjening og in situ instrumenter, flere fly med base i Boise, Idaho, vil arbejde i fællesskab for at prøve røgrøg og deres skiftende kemi sammen med vejrdynamikken, sporing af fjer fra forbrænding til destinationer ofte flere stater væk.

NASAs flyvende laboratorium DC-8-en videnskabelig arbejdshest over lange afstande-får følgeskab af to NOAA Twin Otters. NASAs stratosfære-nående ER-2 fly flyver også ud af Armstrong Flight Research Center i Palmdale, Californien.

I midten af ​​august, driftsbasen flytter til Salina, Kansas, med fly rettet mod røg fra landbrugsbrande i USAs sydøst. Der er hundredvis af disse brande hvert år, og de er tæt på befolkningscentre, men deres lille størrelse i forhold til satellitobservationsevne betyder, at de ofte bliver opdaget af de satellitter, der danner grundlag for mange skøn over mængder røgemissioner. Luftfartøjsobservationerne er også kritiske for at forstå småskalige fjerdynamikker og deres videnskabelige virkninger.

Røgprognoser er baseret på flere forskellige prognosemodeller, der bruger som input satellit og andre data, såsom mængden af ​​areal, der forbrændes i landbrugsbrande. NASA- og NOAA -satellitter giver oplysninger, såsom brændstoftype, brandintensitet og område med forbrænding af ar, sammen med vinden, temperatur og andre vejrvariabler, der føder sig til modeller, der forudsiger røgmængde, retning og hastighed.

Røgkemi starter med brændstoftypen, om fyrreskove, egetræsskove eller salviebørste. Ud over gasser som kuldioxid og kulilte, afbrænding frigiver forskellige typer og mængder af kortvarige gasser kaldet flygtige organiske forbindelser (VOC'er), som kombineres med andre gasser og sollys for at producere jordniveau ozon-en gas, der er skadelig for mennesker og skader afgrøder. Udover brændstoftype, forbrændingens temperatur påvirker også den resulterende kemi; generelt, køligere, ulmende brande producerer flere VOC'er, kulilte og partikler, som alle er skadelige for menneskers sundhed. Varmere, flammende brande producerer færre VOC'er, kulilte og samlede partikler, men mere sort kulstof - et aerosolmateriale med negative sundhedsmæssige konsekvenser og yderligere klimaopvarmningspotentiale.

"Det, der brænder, betyder noget, men hvordan det brænder betyder måske endnu mere, "sagde Carsten Warneke, University of Colorado og NOAA missionsforsker for FIREX-AQ. I 2016, han og hans kolleger på NOAA brændte forskellige brændstoffer ved forskellige temperaturer i Missoula Fire Science -laboratoriet for at få en mere detaljeret forståelse af disse faktorer. "Nu, med denne kampagne, vi tager vores forståelse fra laboratoriet til at ryge fra store brande, der sker i marken, hvor den atmosfæriske dynamik ændrer sig meget over tid og afstand. Herfra, vi kan fortsætte vores arbejde med at forbedre modellerne. "

At løse disse usikkerheder inden for brændstofkemi spiller også ind i et andet fokusområde for kampagnen:højde på injektionssprøjten. Plume -injektionshøjder afhænger af en kompleks vekselvirkning af ilddynamik med de omgivende vejrforhold og geografi.

Køligere brande, som oftere forekommer om natten, injicere røg lavt i atmosfæren, hvor det udgør en sundhedsrisiko for lokalsamfund i modvind. Varmere brande vil injicere røg i højere højder, hvor den kan rejse længere til siden, men der er større sandsynlighed for at holde sig fri af befolkede områder.

I betragtning af deres datas betydning for prognosemodeller, flere satellitter bruges til at hente pluminjektionshøjder. Et par satellitter med lidarinstrumenter kunne bruges til at måle injektionshøjden direkte, men disse satellitter observerer ikke brande meget ofte. Infrarøde instrumenter på andre satellitter bruges til at udlede et mål for brandens intensitet, som igen bruges til at estimere injektionshøjden samt mængden af ​​røg, men skyer og andet røgdække forhindrer ofte påvisning.

Flyet observerer pluminjektionshøjder direkte og vil sammenligne dem med andre direkte målinger såsom brandstrålingseffekt, røgkemi og atmosfæriske forhold i varierende højder. Dette vil give en klarere forståelse af plumehøjde som funktion af kemi og andre faktorer såsom vejr. "Vi udvider kompendiet af observationer, der kan give os tillid til, at når vi skønner, at plume stiger af hensyn til røgprognoser, vi kommer til at skabe en mere præcis model, der vil føre til bedre luftkvalitetsprognoser, "sagde NASA Langleys Jim Crawford, FIREX-AQ NASA missionsforsker.

Langsigtet forbedring af luftkvalitetsprognoser er et stort fokus i kampagnen, men FIREX-AQ vil også behandle bredere indvirkning af røg på vejr og klima. For eksempel, røgpartikler kan hjælpe med at starte skyer. Røg påvirker også, hvor meget sollys skyer reflekterer tilbage i atmosfæren. Røgpartiklernes optiske egenskaber - hvor meget let røg absorberer og spreder - afhænger af deres størrelse og sammensætning og bestemmer deres klimaeffekter.

FIREX-AQ vil hjælpe med at afhjælpe en af ​​de store usikkerheder omkring brandemissioner, nemlig de materialer, der er ansvarlige for lysabsorption i røg. Traditionelt set al lysabsorbering er blevet tilskrevet sort kulstof. NOAA forsker Joshua Schwarz er fokuseret på at støtte disse aerosolrelevante aspekter af missionen.

"I de seneste år, der har været anerkendelse af ikke-sort kulstof, lysabsorberende aerosolarter såsom brunt kulstof, "sagde Schwarz, som er en missionærforsker for FIREX-AQ. "Afbrænding af biomasse er en vigtig kilde til brunt kulstof, og dette er en virkelig spændende mulighed i FIREX-AQ, fordi vi har den nødvendige instrumentering til at besvare spørgsmålet om brandrøgbrunt kulstof og hvordan det ændrer sig i atmosfæren. "

De forbedringer, FIREX-AQ bringer for at forstå satellitindsamlingen af ​​aerosolegenskaber i Nordamerika, vil også forbedre værdien af ​​disse observationer over andre områder af kloden. "Hvis vi kan forbedre vores forståelse af brandemissioner i Nordamerika, vi hjælper med at tage et stort skridt fremad på biomasseforbrændingens globale globale klimapåvirkning. "