Elke avond van de late lente tot de vroege herfst, twee vliegtuigen stijgen op van luchthavens in het westen van de Verenigde Staten en vliegen door de zonsondergang, elk op weg naar een actief wildvuur, en dan nog een, en een ander. vanaf 10, 000 voet boven de grond, de piloten kunnen de gloed van een vuur zien, en af ​​en toe komt de rook de cabine binnen, brandende ogen en keel.

De piloten vliegen in een rechte lijn over de vlammen, draai dan om en vlieg terug in een aangrenzend maar overlappend pad, alsof ze een gras maaien. Wanneer de brandactiviteit op zijn hoogtepunt is, het is niet ongebruikelijk dat de bemanning 30 branden in één nacht in kaart brengt. De resulterende luchtfoto van de gevaarlijkste bosbranden van het land helpt bij het vaststellen van de randen van die branden en het identificeren van gebieden met veel vlammen, verspreide branden en geïsoleerde hotspots.

Een grote wereldwijde constellatie van satellieten, beheerd door NASA en National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), gecombineerd met een kleine vloot van vliegtuigen van de U.S. Forest Service (USFS) helpen bij het detecteren en in kaart brengen van de omvang, verspreiding en impact van bosbranden. Naarmate de technologie gevorderd is, zo heeft de waarde van teledetectie, de wetenschap van het op afstand scannen van de aarde met behulp van satellieten en hoogvliegende vliegtuigen.

De meest directe, beslissingen op leven of dood bij het bestrijden van bosbranden - het sturen van rookjumpers naar een bergkam, bijvoorbeeld, of het roepen van een evacuatiebevel wanneer vlammen een rivier overspringen - worden gemaakt door brandweerlieden en chefs in commandocentra en op de vuurlinie. Gegevens van satellieten en vliegtuigen bieden situationeel bewustzijn met een strategisch, grootbeeld bekijken.

"We gebruiken de satellieten om beslissingen te nemen over waar we activa in het hele land moeten plaatsen, " zei Brad Quayle van het Geospatial Technology and Applications Center van de Forest Service, die een sleutelrol speelt bij het leveren van teledetectiegegevens voor actieve onderdrukking van natuurbranden. "Als er veel concurrentie is voor brandweerlieden, tankers en vliegtuigen, er moeten beslissingen worden genomen over de verdeling van die activa."

Het is niet ongebruikelijk dat een aardobservatiesatelliet als eerste een natuurbrand detecteert, vooral in afgelegen gebieden zoals de wildernis van Alaska. En op het hoogtepunt van het vuurseizoen, wanneer er meer branden dan vliegtuigen zijn om ze in kaart te brengen, gegevens van satellieten worden gebruikt om de evolutie van de brand te schatten, het vastleggen van verbrande gebieden, de veranderende omtrek en mogelijke schade, zoals in het geval van Montana's Howe Ridge Fire, die afgelopen zomer bijna twee maanden in Glacier National Park heeft gebrand.

Globaal vuurbeeld vanuit de ruimte

In januari 1980, twee wetenschappers, Michael Matson en Jeff Dozier, die werkten bij NOAA's National Environmental Satellite, Gegevens, en informatiedienstgebouw in Camp Springs, Maryland, ontdekte kleine lichtpuntjes op een satellietbeeld van de Perzische Golf. Het beeld was vastgelegd door het Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR)-instrument op de NOAA-6-satelliet, en de vlekken, ze kwamen erachter, waren fakkels ter grootte van een kampvuur, veroorzaakt door de verbranding van methaan in oliebronnen. Het was de eerste keer dat zo'n klein vuurtje vanuit de ruimte werd gezien. Dozier, die de oprichtende decaan zou worden van de Bren School of Environmental Science and Management aan de University of California in Santa Barbara, was "geïntrigeerd door de mogelijkheden, " en hij ontwikkelde zich verder, binnen een jaar, een wiskundige methode om kleine branden te onderscheiden van andere warmtebronnen. Deze methode zou de basis worden voor bijna alle volgende algoritmen voor branddetectie door satellieten.

Wat werd geleerd van AVHRR was de basis voor het ontwerp van het eerste instrument met spectrale banden die expliciet zijn ontworpen om branden te detecteren, NASA's Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer, of MODIS, gelanceerd op de Terra-satelliet in 1999, en een tweede MODIS-instrument op Aqua in 2002. MODIS heeft op zijn beurt het ontwerp van de Visible Infrared Imaging Radiometer Suite geïnformeerd, VIIRS, die vliegt op de NOAA/NASA Suomi-NPP- en NOAA-20-satellieten van het Joint Polar Satellite System. Elk nieuw instrument betekende een grote stap voorwaarts in de branddetectietechnologie.

"Zonder MODIS, we zouden het VIIRS-algoritme niet hebben, " zei Ivan Csiszar, actieve brandproductleider voor het kalibratievalidatieteam van het Joint Polar Satellite System. "Op dat erfgoed hebben we voortgebouwd."

De instrumenten op polaire satellieten, zoals Terra, water, Suomi-NPP en NOAA-20, observeren meestal een paar keer per dag een bosbrand op een bepaalde locatie terwijl ze van pool tot pool om de aarde cirkelen. In de tussentijd, NOAA's GOES-16 en GOES-17 geostationaire satellieten, die gelanceerd werd in november 2016 en maart 2018, respectievelijk, zorgen voor continue updates, hoewel met een grovere resolutie en voor vaste delen van de planeet.

"Je kunt met een vliegtuig geen globaal beeld krijgen, je kunt het niet doen vanaf een grondstation, " zei Ralph Kahn, een senior onderzoeker bij het Goddard Space Flight Center van NASA. "Om een ​​globaal beeld te krijgen, je hebt satellieten nodig."

Het MODIS-instrument bracht branden en brandwonden in kaart met een nauwkeurigheid die AVHRR ver overtrof. En na bijna 20 jaar in een baan om de aarde, de optische en thermische banden op MODIS, die gereflecteerde en uitgestraalde energie detecteren, blijven overdag zichtbare beelden en 's nachts informatie over actieve branden leveren.

VIIRS heeft verbeterde branddetectiemogelijkheden. In tegenstelling tot MODIS, de VIIRS-imagerband heeft een hogere ruimtelijke resolutie, bij 375 meter per pixel, waardoor het kleinere, lagere temperatuur branden. VIIRS biedt ook nachtelijke branddetectiemogelijkheden via zijn dag-nachtband, die zichtbaar licht met een lage intensiteit kan meten dat wordt uitgezonden door kleine en beginnende branden.

De eerste momenten nadat een brand ontstoken is, zijn cruciaal, zei Everett Hinkley, National Remote Sensing Program Manager voor de US Forest Service. In Californië, bijvoorbeeld, wanneer intense wind wordt gecombineerd met droge brandstofomstandigheden, de reactietijd kan het verschil betekenen tussen een catastrofale brand, zoals het kampvuur dat bijna de hele stad Paradise verteerde, en een die snel onder controle is.

"Die brandweerlieden die eerstehulpverleners zijn, weten niet altijd de precieze locatie van de brand, hoe snel het beweegt of in welke richting, "Zei Hinkley. "We proberen hen realtime of bijna realtime informatie te geven om hen te helpen het brandgedrag in die vroege kritieke uren beter te begrijpen."

Hulpverleners wenden zich steeds meer tot de GOES-satellieten voor vroege, nauwkeurige geolocatie van branden in afgelegen gebieden. Op 2 juli, 2018, bijvoorbeeld, nadat rook werd gemeld in een bosrijke omgeving in de buurt van Custer County in het centrum van Colorado, GOES East ontdekte daar een hotspot. Voorspellers in Pueblo inspecteerden de gegevens visueel en gaven de exacte coördinaten van wat de Adobe Fire zou worden, en bemanningen werden snel ter plaatse gestuurd. Het branddetectie- en karakteriseringsalgoritme, de nieuwste versie van NOAA's operationele branddetectie-algoritme, wordt momenteel bijgewerkt en zal naar verwachting de vroege branddetectie verder verbeteren en het aantal valse positieven verminderen.

"De heilige graal is dat brandweerlieden in de eerste paar uur of zelfs binnen het eerste uur bij een brand willen zijn, zodat ze actie kunnen ondernemen om het te blussen, " zei Vince Ambrosia, een remote-sensing wetenschapper voor bosbranden bij NASA's Ames Research Center in Moffett Field, Californië. "Dus het is van cruciaal belang om regelmatig en frequent dekking te hebben."

Remote sensing-gegevens over bosbranden zijn op veel verschillende manieren toegankelijk. Onder hen, NASA's Fire Information voor Resource Management System, of BEDRIJVEN, gebruikt MODIS- en VIIRS-gegevens om updates te geven over actieve branden over de hele wereld, inclusief een ruwe locatie van een gedetecteerde hotspot. Beeldmateriaal is binnen vier tot vijf uur beschikbaar.

Rook en volksgezondheid

Natuurlijk, waar vuur is, er is rook, en weten hoe de rook van bosbranden door de atmosfeer reist, is belangrijk voor de luchtkwaliteit, zichtbaarheid en de gezondheid van de mens. Net als andere fijnstof in de atmosfeer, rook van bosbranden kan diep in de longen doordringen en allerlei gezondheidsproblemen veroorzaken. Satellieten kunnen ons belangrijke informatie geven over de beweging en dikte van die rook.

Terra draagt ​​het Multi-angle Imaging SpectroRadiometer (MISR) instrument, een sensor die negen vaste camera's gebruikt, die elk de aarde vanuit een andere hoek bekijken. MISR meet de beweging en hoogte van de rookpluim van een brand, evenals de hoeveelheid rookdeeltjes die uit die brand komen, en geeft enkele aanwijzingen over de samenstelling van de pluim. Bijvoorbeeld, tijdens het kampvuur, MISR-metingen toonden een pluim gemaakt van grote, niet-bolvormige deeltjes boven het Paradijs, Californië, een indicatie dat gebouwen in brand stonden. Onderzoekers hebben vastgesteld dat bouwrook leidt tot grotere en onregelmatiger gevormde deeltjes dan bosbranden. Rookdeeltjes van de verbranding van het omringende bos, anderzijds, waren kleiner en meestal bolvormig. De metingen van MISR toonden ook aan dat de brand rook bijna 3 mijl de atmosfeer in had gestuwd en deze ongeveer 180 mijl met de wind meevoerde, richting de Stille Oceaan.

Wetenschappers houden ook nauwlettend in de gaten of de hoogte van de rook de "near surface grenslaag, " waar de vervuiling zich meestal concentreert. Bosbranden met de meeste energie, zoals boreale bosbranden, hebben de meeste kans om rook te produceren die boven de grenslaag komt. Op die hoogte, "rook kan doorgaans verder reizen, langer in de atmosfeer blijven, en een impact verder benedenwinds hebben, ' zei Kahn.

De satellieten hebben beperkingen. Onder hen, de hittesignaturen die de instrumenten detecteren, worden gemiddeld over pixels, waardoor het moeilijk is om de locatie en grootte van de brand nauwkeurig te bepalen. Het interpreteren van gegevens van satellieten heeft extra uitdagingen. Hoewel thermische signalen een indicatie geven van de brandintensiteit, rook boven het vuur kan dat signaal verminderen, en smeulende branden stralen misschien niet zoveel energie uit als vlammende branden op de waargenomen spectrale banden.

Van dichtbij met 'warmte'-sensoren in de lucht

Daar komen de instrumenten van het Forest Service-vliegtuig om de hoek kijken. Gegevens van deze vluchten dragen bij aan het National Infrared Operations Program (NIROPS), die tools gebruikt die zijn ontwikkeld met NASA om informatie over natuurbranden te visualiseren in webkaartservices, inclusief Google Earth. NASA werkt nauw samen met de Forest Service om nieuwe technologieën te ontwikkelen voor het soort thermische sensorsystemen dat deze vliegtuigen dragen.

Elk NIROPS-vliegtuig is uitgerust met een infraroodsensor die een strook land van zes mijl beneden ziet en 300, 000 acres terrein per uur. Vanaf een hoogte van 10, 000 voet, de sensor kan een hotspot van slechts 15 cm doorsnee detecteren, en plaats het binnen 12,5 voet op een kaart. De gegevens van elke pas worden geregistreerd, gecomprimeerd en onmiddellijk gedownlinkt naar een FTP-site, waar analisten kaarten maken die brandweerlieden direct op een telefoon of tablet in het veld kunnen openen. Ze vliegen 's nachts als er geen glinstering van de zon is om hun afmetingen in gevaar te brengen, de achtergrond is koeler, en de branden zijn minder agressief.

"Elke keer dat we scannen, we 'waarmaken' dat vuur, " zegt Charles "Kaz" Kazimir, een infrarood technicus met NIROPS, die al 10 jaar met het programma branden heeft gevlogen. "Op de grond, ze hebben misschien ideeën over hoe dat vuur zich gedraagt, maar als ze het beeld krijgen, dat is de waarheid. Het bevestigt of ontkracht hun veronderstelling sinds de laatste keer dat ze informatie hadden."

De infrarode vliegtuiginstrumenten vullen een deel van de hiaten in de satellietgegevens op. veld campagnes, zoals de NASA-NOAA FIREX-AQ, nu aan de gang, zijn ontworpen om ook deze problemen aan te pakken. Maar wetenschappers kijken ook naar nieuwe technologie. In 2003, vertegenwoordigers van NASA en de Forest Service vormden een tactische commissie voor teledetectie, die twee keer per jaar bijeenkomt om manieren te bespreken om nieuwe en bestaande teledetectietechnologie te benutten met betrekking tot bosbranden. Bijvoorbeeld, er wordt een nieuwe infraroodsensor ontwikkeld die een zwad scant die drie keer breder is dan het bestaande systeem. Dat zou betekenen dat er minder vlieglijnen zijn en dat er minder tijd wordt besteed aan een individuele brand, zei Hinkley.

"Het belangrijkste is dat we actief mogelijkheden onderzoeken en ontwikkelen die besluitvormers ter plaatse zullen helpen, vooral in de vroege fasen van dynamische branden, "Zei Hinkley. "We rusten hier niet alleen op onze lauweren. We begrijpen dat we nieuwe technologieën beter moeten benutten om mensen te beschermen."