Als bosbranden branden, ze beschadigen niet alleen het land, huizen, en bedrijven. Natuurbrandemissies, die over lange afstanden kunnen worden vervoerd, kunnen giftig zijn en bijdragen aan de vorming van secundaire verontreinigende stoffen zoals ozon en fijne deeltjes in de atmosfeer. Die emissies hebben gevolgen voor de menselijke gezondheid en het milieu, dus wetenschappers willen weten wat er in de rook van bosbranden zit. Volgens nieuw onderzoek van CIRES en NOAA, het belangrijkste is niet wat voor soort brandstof er wordt verbrand, maar de temperatuur waarop het brandt.

"Als we de temperatuur van een brand kennen, kunnen we beter inschatten wat eruit komt, onafhankelijk van wat er brandt, " zei Carsten Warneke, een CIRES-onderzoeker aan de Universiteit van Colorado Boulder die werkt in het NOAA Earth System Research Laboratory en een co-auteur van het papier, gepubliceerd op 3 juli in het tijdschrift Atmosferische scheikunde en natuurkunde . "Met die informatie kunnen we de emissiemodellen vereenvoudigen, beter de windeffecten van bosbranden voorspellen, en krijg veel betere voorspellingen voor de luchtkwaliteit."

Het lijkt erop dat branden bij lagere temperaturen meer kleine deeltjes produceren die aerosolen worden genoemd, die in de longen van mensen kunnen komen en in de atmosfeer kunnen vermengen om nevel en andere luchtverontreinigende stoffen stroomafwaarts te vormen.

Het westen van de VS staat voor een toekomst met frequentere en intensere bosbranden, volgens klimaatprognoses en deels vanwege beleid dat al lang brandbestrijding heeft aangemoedigd. Tegen die achtergrond, wetenschappers van CIRES en NOAA werken samen met wetenschappers van NASA om een ​​meerjarige veldcampagne te leiden genaamd NOAA-NASA FIREX-AQ – Fire Influence on Regional to Global Environments Experiment – ​​and Air Quality – om de luchtkwaliteit en klimaateffecten beter te begrijpen van bosbranden. Het nieuwe artikel kwam voort uit een vroeg FIREX-onderzoek in 2016 in de Missoula, Montana-gebaseerd Fire Lab, gerund door de U.S. Forest Service.

Branden produceren complexe emissies, waarbij duizenden verschillende vluchtige organische stoffen (VOS) vrijkomen die vaak moeilijk te meten zijn. Wetenschappers dachten aanvankelijk dat de uitstoot van bosbranden vooral afhankelijk is van het soort brandstof dat wordt verbrand, bijvoorbeeld Douglas spar, Ponderosa-den, of salieborstel. Het doel van de Fire Lab-studie was om de emissies van brandende vegetatie in een eenvoudige en gecontroleerde omgeving beter te begrijpen. Om dat te doen, een team van CIRES- en NOAA-wetenschappers heeft meer dan 100 branden gestookt die gemaakt zijn van verschillende brandstoffen die in het westen van de Verenigde Staten worden aangetroffen en de emissies continu bemonsterd met ultramoderne instrumenten.

Het nieuwe onderzoek suggereert dat het begrijpen van deze emissiepatronen veel eenvoudiger kan zijn dan onderzoekers eerder dachten:het is de temperatuur van de brandwond en niet wat er brandt, dat is de sleutel tot het begrijpen van brandemissies. Onderzoekers konden ongeveer 85 procent van de variabiliteit van de VOS-emissies verklaren zodra ze wisten hoe heet een vuur was:sommige VOS werden voornamelijk uitgestoten door brandwonden bij hoge temperaturen, terwijl andere werden uitgestoten door brandwonden bij lage temperatuur. Over zijn loop, een enkel vuur brandt bij zowel hogere als lagere temperaturen, het vrijgeven van verschillende VOC's in verschillende stadia. Die verbindingen die vrijkomen bij brandwonden bij lage temperatuur hebben eigenschappen waardoor ze meer kans hebben om aerosolen te vormen in de vuurpluimen.

"Deze resultaten veranderen de manier waarop we de VOS-emissies van bosbranden volledig begrijpen, " zei James Roberts, een NOAA-wetenschapper en hoofdonderzoeker van FIREX-AQ. "In plaats van te kijken naar het soort brandstof dat wordt verbrand, we kunnen ons concentreren op de temperatuur van de brandwond, iets dat mogelijk vanaf satellieten kan worden gemeten."

Die eerste resultaten van Fire Lab zullen de CIRES- en NOAA-onderzoekers en hun collega's helpen tijdens de FIREX-veldcampagne, gepland voor het brandseizoen 2019. Het team zal de impact van bosbranden in het westen van de VS op de atmosfeer en het klimaat bestuderen met als doel beleidsrelevante informatie en hulpmiddelen te ontwikkelen om branden te helpen beheersen.

Als onderdeel van een nieuw aangekondigd partnerschap, het NASA DC-8-vliegtuig zal een lading NOAA-instrumenten vervoeren, onder andere, op brede vluchten gericht op bosbranden in het westen van de VS en ook op landbouw- en voorgeschreven brandwonden in het zuidoosten van de Verenigde Staten. Een NOAA Twin Otter-vliegtuig vliegt over westelijke bosbranden en voorgeschreven branden 's nachts, bemonstering van emissies langs de weg. Een andere NOAA Twin Otter zal de windvelden meten die de branden voeden. Mobiele laboratoria en stationaire instrumenten zullen emissiemonsters op de grond verzamelen, en onderzoekers zullen ook satellietgegevens gebruiken om de brandtemperatuur te lokaliseren en emissies op regionale tot wereldwijde schaal te volgen. En een CIRES- en NOAA-team zullen een geïnstrumenteerd onbemand vliegtuigsysteem inzetten, of UAS, over enkele bosbranden 's nachts. Zie "Een UAS sturen boven de vlammen" hieronder.

"Wildbranden zijn een van de grotere resterende problemen voor de luchtkwaliteit in de Verenigde Staten, " zei Roberts. Hun FIREX-onderzoek zou antwoorden kunnen geven op veel openstaande vragen. "Door ons huiswerk in het lab te doen, we hebben geïdentificeerd wat er in emissies zit en het feitelijke proces van hoe emissies worden gemaakt, "zei Warneke. "Nu moeten we het veld in om echte branden te begrijpen."

Een UAS boven de vlammen sturen

Bosbranden branden 's nachts anders omdat meteorologische omstandigheden, waaronder temperatuur, energie uit zonlicht, vochtigheid, en wind - zijn niet hetzelfde als overdag. Gezondheidseffecten benedenwinds van bosbranden kunnen 's nachts ernstiger zijn, omdat die omstandigheden rook dichter bij de grond kunnen vasthouden, emissies concentreren. Nachtwaarnemingen met hoge resolutie ter grootte van een brand, plaats, en warmteafgifte kunnen belangrijke input leveren voor brandweermodellen om de weersvoorspellingen voor brand te verbeteren.

Hoewel bemande onderzoeks- en blusvliegtuigen om veiligheidsredenen meestal 's nachts niet in de buurt van bosbranden vliegen, onbemande vliegtuigsystemen (UAS) zijn zeer geschikt voor de taak. Om die reden, NOAA's Nighttime Fire Observations eXperiment (NightFOX) is gepland om deel te nemen aan de FIREX-AQ-veldcampagne. In samenwerking met de afdeling Aerospace Engineering Sciences van CU Boulder en het NOAA UAS Program Office, NOAA- en CIRES-onderzoekers van het NOAA Earth System Research Laboratory zullen een met een instrument uitgeruste kleine UAS sturen om nachtelijke bosbrandmetingen te doen. In addition to monitoring a fire's temperature and extent using multi-spectral remote sensing instruments, NightFOX will measure carbon monoxide and carbon dioxide to determine how the fire is burning and aerosols in the fire plume to characterize emissions that lead to local and regional health impacts.