NASA-satellieten onthullen een wereld die wordt gekenmerkt door vuur:een wereldwijd lappendeken van vlammen en rook aangedreven door de seizoenen en mensen. Zomerse bosbranden woeden in het westen van de Verenigde Staten en Canada, Australië en Europa. In het vroege voorjaar, landbouwbranden bedekken de graanschuurgebieden van Zuidoost-Azië, net als tijdens het droge seizoen in centraal en zuidelijk Afrika en Brazilië.

Voor jaren, NASA heeft het uitkijkpunt van de ruimte gebruikt, gecombineerd met veldcampagnes in de lucht en op de grond, om de impact van branden te ontcijferen - van de eerste vonk tot de laatste rookwolk - en andere instanties te helpen levens en eigendommen te beschermen.

Maar de effecten van branden blijven hangen lang nadat ze zijn geblust:ze kunnen ecosystemen op hun kop zetten, klimaat beïnvloeden en gemeenschappen ontwrichten. Terwijl NASA de branden van vandaag in de gaten houdt, het behandelt ook de grote vragen die brandweermanagers helpen plannen voor de toekomst.

Deze zomer, NASA begint verschillende veldcampagnes over de hele wereld om al lang bestaande vragen over vuur en rook te onderzoeken. Vliegtuigen zullen door rook en wolken vliegen om de luchtkwaliteit te verbeteren, weers- en klimaatvoorspellingen, en door brand verbrande bossen onderzoeken om ecosysteemveranderingen met wereldwijde impact vast te leggen.

"De hoogste vuurtorens"

Het bosbrandseizoen in de VS vorig jaar was het dodelijkste en duurste in de geschiedenis van Californië. Het is een trend geworden:langer, de warmere droge seizoenen als gevolg van klimaatverandering in combinatie met overvloedige vegetatie als gevolg van agressieve brandbestrijdingspraktijken in de afgelopen eeuw hebben geresulteerd in 16 van de 20 grootste branden in de geschiedenis van de staat in de afgelopen 20 jaar. Onder deze voorwaarden, vroege detectie is van cruciaal belang voor rampenbestrijders om strategieën te formuleren voor het beheersen van natuurbranden van toenemende omvang en ernst en voor het uitvoeren van evacuaties. Instrumenten op NASA-satellieten in een baan om de aarde bieden vaak de eerste momentopname van de locatie en voortgang van een brand.

"We zijn, in essentie, de hoogste vuurtorens, " zei Doug Morton, hoofd van het laboratorium voor biosferische wetenschappen in het Goddard Spaceflight Center van NASA in Greenbelt, Maryland. "Realtime overdracht van die satellietgegevens in handen van bosbeheerders, beschermde gebiedsmanagers en brandweerlieden over de locaties van nieuwe branden - dat is waar de initiële rol van NASA van cruciaal belang is."

Grond- en luchtobservaties volgen de brandactiviteit overdag. Om 's nachts branden op te sporen, de US Forest Service gebruikt twee vliegtuigen die zijn uitgerust met door NASA ontwikkelde thermische sensoren en aan boord van geautomatiseerde gegevensverwerkingssystemen die branddetectiekaarten via een mobiel signaal leveren aan het commandocentrum voor incidenten (het zenuwcentrum voor brandoperaties tussen reagerende overheidsinstanties) in een kwestie van een paar minuten.

"We hebben het over het commando voor incidenten dat cruciale informatie in 5 tot 20 minuten krijgt, in plaats van enkele uren met oudere technologie, " zei Vince Ambrosia, een remote-sensing wetenschapper voor bosbranden bij het NASA Ames Research Center in Moffett Field, Californië. "Die cijfers spreken voor zich over de waarde van kritische, tijdige informatie."

Naast het bewaken van actieve branden, NASA werkt ook aan het verbeteren van de brandvoorspelling. Anticiperen op de volgende zet van een brand is afhankelijk van het verzoenen van de complexe uitwisseling tussen topografie, vegetatie en het weer. Een aandachtsgebied is de ontwikkeling van modellen die rekening houden met het vochtgehalte in brandstofbronnen zoals gedroogde, omgevallen bomen die meer vatbaar zijn voor vlam vatten en verspreiden. Een andere is de detectie op afstand van ladderbrandstoffen - hoge grassen, struiken en boomtakken die vlammen van de grond naar hogere boomtakken kunnen dragen om snel verspreidende kroonvuren te creëren. NASA-wetenschappers werken aan het ontwikkelen van kaarten van ladderbrandstof voor zowel actieve brandvoorspelling als brandbeperking met behulp van gegevens uit de ruimte.

Tweedehands brandgevaar:rook

Iedereen die tegen de wind in leeft van een bosbrand, weet dat gemeenschappen niet in het directe pad van een brand hoeven te zijn om de effecten ervan te voelen. Rook kan duizenden kilometers reizen, steden bedekken met schadelijke chemicaliën en fijne deeltjes die ademnood en andere gezondheidsproblemen veroorzaken.

Regelmatige rookvoorspellingen voor de Verenigde Staten met behulp van satellietgegevens worden geproduceerd door de National Oceanic and Atmospheric Administration's (NOAA) National Weather Service. Rookvoorspellingen zijn van cruciaal belang voor lokale gezondheidsmanagers bij het plannen van school- en andere sluitingen, en om gemeenschappen de tijd te geven om gezichtsmaskers aan te schaffen en geschikte onderdak te vinden.

Deze maand, NOAA en NASA beginnen een grote veldcampagne om hun op grond en satelliet gebaseerde voorspellingsmodellen te verbeteren door de rook van dichterbij te bekijken. De gezamenlijke campagne Fire Influence on Regional to Global Environments and Air Quality (FIREX-AQ) zal gebruik maken van een vloot wetenschappelijke vliegtuigen boordevol instrumenten voor het analyseren van rookchemie op verschillende hoogten, van het punt van verbranding tot honderden en mogelijk duizenden mijlen benedenwinds. De eerste etappe van de missie, die eind juli begint, zal zich richten op bosbranden in het westen van de Verenigde Staten; de seconde, in augustus, zal zich richten op landbouwbranden in het zuidoosten van de VS.

"Niet alle rook is hetzelfde, " zei Barry Lefer, programmamanager troposferische compositie op het NASA-hoofdkwartier in Washington. "Pijnboom, grassen, loofbomen, struiken - hun chemie is anders, dus wanneer ze branden, reageert elk van die rooksoorten anders met het weer en de atmosfeer. We willen die interacties observeren en hoe ze veranderen als ze met de wind mee reizen. Dit geeft meer nuance aan onze modellen en verbetert de prognoses."

Veranderende wolken, Klimaat, en weer

Rook- en wolkeninteracties hebben een grote invloed op het weer en het klimaat. Net als andere aerosolen, rookdeeltjes kunnen fungeren als wolkenzaden; waterdamp kan om hen heen samenvloeien om wolkwaterdruppels te vormen. Rook beïnvloedt ook hoeveel zonlichtwolken terugkaatsen in de atmosfeer. Het kwantificeren van deze mechanismen is cruciaal voor het verbeteren van wereldwijde klimaatvoorspellingsmodellen.

Toch zijn aërosol-wolk-interacties notoir moeilijk waar te nemen in het veld, zei Hal Maring, programmamanager stralingswetenschappen bij NASA Headquarters. "Sommige wolken hebben een zeer korte levensduur, terwijl andere een zeer lange levensduur hebben, en ze bevinden zich allemaal in radicaal verschillende delen van de lucht. Het is een hele opgave om deze processen kwantitatief te bekijken."

Een andere grote door NASA gesponsorde veldcampagne deze zomer en herfst, deze keer in de Filippijnen, zal deze wetenschappelijke uitdaging aangaan. In augustus heeft NASA het Observatorium van Manilla en het Naval Research Laboratory (NRL), in samenwerking met de Filippijnse regering, zal samenkomen in de lucht rondom het land met verschillende geïnstrumenteerde vliegtuigen, samen met het oceaanonderzoeksschip Sally Ride, om meer dan een maand gedetailleerd verslag te doen van aerosol-cloud-interacties. Een decennium in de maak, de wolk, Aërosol, en de missie van Monsoon Processes Philippines Experiment (CAMP2Ex) zal metingen verrichten om de monitoring en lange-termijn weers- en klimaatvoorspellingen te helpen verbeteren.

Het maritieme continent — Indonesië, Borneo, Nieuw-Guinea, de Filippijnse eilanden, het Maleisische schiereiland en de omringende zeeën - is lange tijd een gebied van wetenschappelijk onderzoek geweest. Landbouw- en andere branden uit de regio, samen met luchtvervuiling door steden, zorgen voor een kant-en-klare aanvoer van aerosolen die belangrijke weersprocessen beïnvloeden; behalve de hevige moessons over de Aziatische archipel, de regio produceert ook vocht dat zorgt voor regenval over de Stille Oceaan en kan zelfs het weer in de continentale Verenigde Staten beïnvloeden.

"De regio is het perfecte natuurlijke laboratorium, " zei NRL-onderzoeksmeteoroloog Jeff Reid, WHO, samen met Maring, is mede-leider van CAMP2Ex. "De regio heeft precies de juiste mix van meteorologische en aerosolvariabiliteit. Talrijke satelliet-teledetectie- en modelleringsstudies hebben de aanwezigheid van vervuiling en biomassa verbrandende rook gekoppeld aan veranderingen in wolken- en stormeigenschappen, maar we missen de waarnemingen van de feitelijke mechanismen die plaatsvinden. CAMP2Ex biedt een broodnodige smeltkroes voor satellietobservatiesystemen en modelvoorspellingen om te volgen en te begrijpen hoe atmosferische samenstelling en weer op elkaar inwerken."

Een koolstofonbalans aanwakkeren

Koolstof is een bouwsteen voor al het leven op aarde; het is ook een sleutelfactor in klimaatverandering. Vanaf het industriële tijdperk, de verbranding van koolstofhoudende fossiele brandstoffen voor energiebehoeften heeft geleid tot een overmaat aan warmtevasthoudende koolstofdioxide en andere gassen in de atmosfeer. Bosbranden dragen ook bij omdat ze koolstofdioxide afgeven. Op de noordelijke breedtegraden is er een andere bron van koolstofemissies die wetenschappers bestuderen, in de vorm van ontdooide grond.

In 2014 waren de zomerbranden in de Northwest Territories, 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, far away. We are all truly connected."