Når skovbrande skaber deres eget vejrsystem

De seneste skovbrande i Australien har været skræmmende. Når vi taler om firenadoer og megablazes, vi forstår, hvor farlig og uforudsigelig brandadfærd kan være.

Australiens ødelæggende skovbrandssæson har gjort os mere opmærksomme på vejrforholdene involveret i gnister, sprede og bekæmpe skovbrande.

Efterhånden som brandene er vokset i voldsomhed, vi har set et utroligt fænomen – dannelsen af ​​'pyrocumulonimbus'-skyer og storme. Vi har at gøre med brande, der er kraftige nok til at skabe deres egne vejrsystemer.

Det starter med store, intense røgfaner. Derfra, et pyrocumulonimbus-system kan skabe kaos ved at kaste enorme 'udbrud' af luft på jorden, bærer brændende gløder ned mod vinden, der antænder nye bål, eller udløse nye brande ved lynnedslag.

Så hvad ved vi om disse systemer, og hvordan kan brande bekæmpe brande af denne intensitet i fremtiden?

En perfekt ildstorm

Mange ingredienser skal samles for at en pyroCb-begivenhed kan udvikle sig, siger Dr. Kevin Tory, Seniorforsker fra Bureau of Meteorology and Bushfire and Natural Hazards Cooperative Research Centre.

"Først, der skal være enorme mængder varme, " siger Kevin.

Ultimativt, ilden skal være kraftig nok til at producere en stor og kraftig røgfane, der stiger måske 3 km til 5 km, før der kan dannes skyer i røgfanen. Så vil der kun dannes et tordenvejr, hvis røgfanen stadig har rigelig energi i denne højde. "De perfekte vejrforhold til at skabe en intens brand er varme, tørt og blæsende. Hvis du får denne kombination med masser af tørt brændstof, en ild vil brænde som en gal."

Imidlertid, varm og tør betyder, at røgfanen også er tør, da det meste af luften i røgfanen var blandet udefra. Det betyder, at røgfanen skal stige endnu højere, før der kan dannes skyer.

Og hvis det blæser, røgfanen bliver blæst omkuld, gør det endnu sværere for det at stige højt nok til, at der kan dannes skyer.

I modsætning, de perfekte betingelser for at skabe en fane er varme, fugtig og meget let eller ingen vind.

"så...det skal være varmt, tørt og blæsende nok til at få intense brande; men ikke for varmt og tørt, at din fane skal blive rigtig høj og ikke for blæsende, at din fane bliver blæst omkuld, " forklarer Kevin.

Blæser i vinden

En vindændring er en almindelig måde, hvorpå denne ideelle blanding af forhold opstår.

Hed, tørre og blæsende forhold kan generere en meget stor og intens brand, mens det er for varmt, tørt og blæsende for pyroCb at udvikle sig.

Hvis en havbrise eller koldfront skulle ankomme til branden med en ændring i vindretningen, ilden kan blive endnu større og varmere, når de lange ild-'flanker' bliver til aktive 'hoved'-brande.

Men den måske vigtigste ændring er i selve den nye luftmasse. Den køligere og fugtigere luft gør det muligt at danne skyer i røgfanen på meget lavere niveauer.

Desuden, siger Kevin, "når de to luftmasser mødes på denne måde... skaber det et øjeblik, hvor der er nul vind, eller meget svag vind, og dette gør det muligt for fanen at rejse sig rigtig højt."

At sætte det hele sammen, ændringen i vindretningen giver en større og varmere ild med en meget kraftigere fane, den reducerede vindhastighed gør, at fanen kan vokse sig højere, og den køligere og fugtigere luft, der trækkes ind i fanen, tillader skydannelse i lavere højder.

Opvarmning af Briggs-ligningerne

I de sidste fire år har Kevin har forsket i disse skysystemer for bedre at forstå dynamikken i den grundlæggende stigning af faner. Han bygger på forskning fra næsten 70 år siden.

"I 50'erne og 60'erne var der en udbredt interesse for at forstå, hvordan faner stiger fra røgstabler, fordi der var alvorlige luftkvalitetsproblemer i byer over hele verden, " siger Kevin.

Ingeniører ønskede at se, hvor høje røgstabler skulle være for at sikre, at luften medvind var ren. Uden computere, de fandt simple løsninger baseret på observationer, men deres ligninger var ofte unøjagtige.

Imidlertid, Briggs-ligningerne baseret på kompleks væskedynamik (først offentliggjort i 1975) var overraskende enkle og nøjagtige og ideelle til pyroCb-problemet.

Et simpelt regnestykke

Målet er at holde det enkelt, Kevin måler den totale varmestrøm, der går ind i en røgfane.

"Ildsamfundet taler om ildkraft. Dette er dybest set den hastighed, hvormed energi, i form af varmen, går ind i fanen eller flyder op gennem fanen, " siger Kevin.

"Det, vi gør, er at beregne den mindste brandstyrke, der kræves for at pyroCb kan dannes.

"Vi kalder dette pyrocumulonimbus firepower threshold (PFT), og det kan grundlæggende reduceres til en funktion af tre variable."

Den første er den højde, fanen skal stige til, før skyen vil dannes med nok energi til at generere et tordenvejr - den frie konvektionshøjde (Z).

Den anden er gennemsnitsvinden i laget under den frie konvektionshøjde - vindhastigheden for blandet lag (U).

Den tredje er temperaturstigningen. Dette er hvor meget varmere røgfanen skal være end luften i det blandede lag (∇T).

Det ser sådan ud:

PFT=0,3×(Z^2)×U×∇T

Den producerede værdi er i gigawatt, når Z indtastes i kilometer, U er i meter pr. sekund, og ∇T er i ℃. Det er en teoretisk minimumsmængde af energi, som en brand skal producere, for at en pyroCb kan udvikle sig.

Bekæmpelse af brande med ligninger?

Kevin erkender, at hver brand er unik.

"Imidlertid, hvis vi producerer prognosekortet for PFT hver time... kan du se disse pletter eller områder med lav værdi - hvilket svarer til høj trussel - bevæge sig gennem landskabet."

Prognosefolk kan bruge disse kort til at identificere risikoområder.

"De kan se, at de måske har et problem kl. 16 ved en bestemt brand, fordi der er en vindændring, der kommer igennem. Hvis der er en ret lav værdi af PFT på den vindændring, vi skal passe på det, " siger Kevin.

Jern i ilden

I løbet af de næste seks måneder, Kevin vil anvende PFT på vejrdata fra de sidste 30 år for at se, om vejrforholdene ændrer sig for at gøre pyroCb-forholdene mere gunstige.

"For kun få år siden, pyroCb hændelser var ekstremt sjældne, " siger Kevin. "Sidste år, vi havde 15 i det østlige Victoria mellem januar og marts. Og dette er blevet fuldstændig overgået af de tal, vi har set i det sydøstlige Australien siden oktober."

For forskere, det er en mulighed for at undersøge, hvordan og hvorfor det sker oftere.

For brandmænd, at forstå uforudsigeligheden af ​​brande, når disse systemer udvikler sig, er afgørende.

"Det bliver ved med at forbløffe mig, at disse brande kan producere den virkelig enorme mængde energi, der er nødvendig for at generere en pyrocumulonimbus-sky, " siger Kevin. "Potentialet for ødelæggelse er enormt."

Denne artikel dukkede først op på Particle, et videnskabsnyhedswebsted baseret på Scitech, Perth, Australien. Læs den originale artikel.