At flyve gennem røgfaner fra skovbrande kan forbedre røgprognoserne

Skovebrande, der brænder i Vesten, påvirker ikke kun de områder, der brænder, men de bredere egne er dækket af røg. I de senere år er diset himmel og farlig luftkvalitet blevet faste træk ved sensommervejret.

Mange faktorer får vestlige naturbrande til at vokse sig større og generere større, længerevarende røgfaner, der kan strække sig over kontinentet. En analyse ledet af University of Washington ser på de mest detaljerede observationer til dato fra det indre af vestkystens naturbrandrøg.

Det multiinstitutionelle hold sporede og fløj gennem skovbrandfaner fra kilden for at indsamle data om, hvordan røgens kemiske sammensætning ændrede sig over tid. Et resulterende papir, udgivet 2. november i Proceedings of the National Academy of Sciences , viser, at røgprognoser kan undersige mængden af ​​partikler i stalrøg markant.

De nye resultater kan fordoble estimatet for partikler i stalerrøg, hvilket kunne være forskellen mellem "moderat" og "usund" luftkvalitet i områder neden for branden.

"Naturbrande bliver større og hyppigere, og røg bliver en vigtigere bidragyder til den samlede luftforurening, " sagde hovedforfatter Joel Thornton, en UW professor i atmosfæriske videnskaber. "Vi målrettede virkelig røgfanerne tæt på kilden for at prøve bedre at forstå, hvad der udsendes, og derefter hvordan det kan transformere sig, når det går ned mod vinden."

Ved at vide, hvordan nygenereret naturbrandrøg går over i forældet, bortledning af røg kan føre til bedre prognoser for luftkvaliteten. Fællesskaber kan bruge disse prognoser til at forberede sig ved at flytte udendørsaktiviteter indenfor eller ændre tidsplanen i tilfælde, hvor luften vil være usikker at være udendørs, samt begrænsning af andre forurenende aktiviteter såsom brændefyring.

"Der er to aspekter, der går ind i røgprognoser, "sagde første forfatter Brett Palm, en UW postdoc forsker i atmosfæriske videnskaber. "Det ene er lige, hvor skal røgfanen gå hen, baseret på dynamikken i, hvordan luft bevæger sig i atmosfæren. Men det andet spørgsmål er:Hvor meget røg bliver transporteret - hvor langt medvind vil luftkvaliteten være dårlig? Det er det spørgsmål, vores arbejde er med til at løse."

Når træer, græs og løvforbrændinger ved høje temperaturer, de genererer sod, eller sort kulstof, samt organiske partikler og dampe, kaldet organiske aerosoler, der er mere reaktive end sod. Brande kan også producere "brunt kulstof" aerosol, en mindre velforstået form for organisk aerosol, der giver himlen en brunlig dis.

En gang i luften, de organiske aerosoler kan reagere med ilt eller andre molekyler, der allerede er i atmosfæren og danne nye kemiske forbindelser. Lufttemperatur, sollys og koncentration af røg påvirker disse reaktioner og ændrer dermed egenskaberne for den ældre røgfane.

Det multiinstitutionelle team målte disse reaktioner ved at flyve gennem skovbrandfaner i juli og august 2018 som en del af WE-CAN, eller Western Wildfire Experiment for Cloud Chemistry, Aerosol Absorption og Nitrogen feltkampagne ledet af Colorado State University.

Forskningsflyvninger fra Boise, Idaho, brugte et C-130 forskningsfly til at observere røgen. Undersøgelsen fløj gennem niveauer af 2, 000 mikrogram per kubikmeter, eller omkring syv gange den værste luft oplevet i Seattle denne sommer. Tætninger på flyet holdt luften inde i fartøjet meget renere, selvom forskere sagde, at det var som at flyve gennem lejrbålsrøg.

"Vi forsøgte at finde en dejlig, organiseret fane, hvor vi kunne starte så tæt på bålet som muligt, " sagde Palm. "Så ved hjælp af vindhastigheden ville vi prøve at prøve den samme luft på efterfølgende transekter, som den rejste nedad vinden."

Analysen i det nye papir fokuserede på ni veldefinerede røgfaner genereret af Taylor Creek-branden i det sydvestlige Oregon, Bear Trap-branden i Utah, Goldstone-branden i Montana, South Sugarloaf -branden i Nevada, og Sharps, Kiwah, Beaver Creek og Rabbit Foot skovbrande i Idaho.

"Du kan ikke rigtig gengive store brande i et laboratorium, " sagde Palm. "Generelt, vi forsøgte at prøve røgen, mens den var ved at blive ældre for at undersøge kemien, de fysiske transformationer, der sker."

Forskerne fandt ud af, at en klasse af naturbrandemissioner, phenoler, udgør kun 4% af det brændte materiale, men omkring en tredjedel af de lysabsorberende "brunt kulstof"-molekyler i frisk røg. De fandt tegn på komplekse transformationer i fanen:Dampe kondenserer til partikler, men på samme tid og næsten samme hastighed, partikelkomponenter fordamper tilbage til gasser. Balancen bestemmer, hvor meget partikler der overlever, og dermed luftkvaliteten, mens fanen bevæger sig medvind.

"Et af de interessante aspekter var at illustrere, hvor dynamisk røgen er, "Sagde Palm." Med konkurrerende processer, tidligere målinger fik det til at se ud som om intet ændrede sig. Men med vores målinger kunne vi virkelig illustrere røgens dynamiske natur."

Forskerne fandt ud af, at disse ændringer i den kemiske sammensætning sker hurtigere end forventet. Så snart røgen er i luften, selvom det bevæger sig og forsvinder, det begynder at fordampe og reagere med de omgivende gasser i atmosfæren.

"Når røgfaner er friske, de er næsten som en lavgradig forlængelse af en brand, fordi der foregår så meget kemisk aktivitet i de første par timer, " sagde Thornton.

Forfatterne udførte også et sæt 2019-eksperimenter inde i et forskningskammer i Boulder, Colorado, der så på, hvordan ingredienserne i røg reagerer i dag- og natforhold. Naturbrande har en tendens til at vokse i eftermiddagsvinden, når sollys fremskynder kemiske reaktioner, så dø ned og ulme om natten. Men meget store naturbrande kan fortsætte med at brænde natten over, når mørkere himmel ændrer kemien.

At forstå sammensætningen af ​​røgen kan også forbedre vejrudsigterne, fordi røg køler luften nedenunder og kan endda ændre vindmønstre.

"I Seattle, der er nogle tanker om, at røgen ændrede vejret, " sagde Thornton. "Denne slags feedback med røgen, der interagerer med sollys, er virkelig interessante fremover."