De recente bosbranden in Australië zijn angstaanjagend. Als we het hebben over firenado's en megabranden, we begrijpen hoe gevaarlijk en onvoorspelbaar brandgedrag kan zijn.

Het verwoestende bosbrandseizoen in Australië heeft ons meer bewust gemaakt van de weersomstandigheden die betrokken zijn bij vonken, het verspreiden en onderdrukken van bosbranden.

Terwijl de branden in hevigheid zijn toegenomen, we hebben een ongelooflijk fenomeen gezien:de vorming van 'pyrocumulonimbus'-wolken en -stormen. We hebben te maken met branden die krachtig genoeg zijn om hun eigen weersystemen te creëren.

Het begint met grote, intense rookpluimen. Vanaf daar, een pyrocumulonimbus-systeem kan grote schade aanrichten door enorme 'downbursts' van lucht op de grond te gooien, met brandende sintels tegen de wind in die nieuwe vuren ontsteken, of nieuwe branden vonken door blikseminslag.

Dus wat weten we over deze systemen en hoe kunnen branden in de toekomst branden van deze intensiteit bestrijden?

Een perfecte vuurstorm

Veel ingrediënten moeten samenkomen om een ​​pyroCb-evenement te ontwikkelen, zegt dr. Kevin Tory, Senior onderzoekswetenschapper van het Bureau of Meteorology and Bushfire and Natural Hazards Cooperative Research Centre.

"Eerst, er moeten enorme hoeveelheden warmte zijn, " zegt Kevin.

uiteindelijk, het vuur moet krachtig genoeg zijn om een ​​grote en krachtige rookpluim te produceren die misschien 3 km tot 5 km stijgt voordat er wolken in de rookpluim kunnen ontstaan. Alleen als de rookpluim op deze hoogte nog veel energie heeft, ontstaat er een onweersbui. "De perfecte weersomstandigheden voor het genereren van een intense brand zijn heet, droog en winderig. Als u deze combinatie krijgt met veel droge brandstof, een vuur zal branden als een gek."

Echter, heet en droog betekent dat de rookpluim ook droog is, aangezien de meeste lucht in de rookpluim van buitenaf werd bijgemengd. Dit betekent dat de rookpluim nog hoger moet stijgen voordat er wolken kunnen ontstaan.

En als het waait, de rookpluim wordt omver geblazen, waardoor het nog moeilijker wordt om hoog genoeg op te stijgen om wolken te vormen.

In tegenstelling tot, de perfecte omstandigheden voor het creëren van een pluim zijn warm, vochtig en zeer weinig of geen wind.

"dus... het moet heet zijn, droog en winderig genoeg om intense branden te krijgen; maar niet te heet en droog zodat je pluim heel hoog moet worden en niet te winderig dat je pluim omwaait, ' legt Kevin uit.

Waait in de wind

Een windverandering is een veel voorkomende manier waarop deze ideale mix van omstandigheden tot stand komt.

Heet, droge en winderige omstandigheden kunnen een zeer grote en intense brand veroorzaken, terwijl het te warm is, droog en winderig voor pyroCb om zich te ontwikkelen.

Als een zeebries of een koufront bij de brand zou komen met een verandering van windrichting, het vuur kan nog groter en heter worden wanneer de lange 'flanken' van het vuur actieve 'kop'-vuren worden.

Maar misschien zit de belangrijkste verandering in de nieuwe luchtmassa zelf. Door de koelere en vochtigere lucht kunnen zich op veel lagere niveaus wolken vormen in de rookpluim.

Verder, zegt Kevin, "wanneer de twee luchtmassa's op deze manier samenkomen... ontstaat er een moment waarop er geen wind is, of zeer lichte wind, en hierdoor kan de pluim heel hoog opstaan."

Dit alles bij elkaar opgeteld, de verandering in windrichting produceert een groter en heter vuur met een veel krachtigere pluim, de verminderde windsnelheid zorgt ervoor dat de pluim groter kan worden en de koelere en vochtigere lucht die in de pluim wordt getrokken, zorgt ervoor dat wolken zich op lagere hoogten kunnen vormen.

De Briggs-vergelijkingen opwarmen

De afgelopen vier jaar heeft Kevin heeft deze cloudsystemen onderzocht om de dynamiek van de basispluimstijging beter te begrijpen. Hij bouwt voort op onderzoek van bijna 70 jaar geleden.

"In de jaren '50 en '60 was er wijdverbreide belangstelling om te begrijpen hoe pluimen opstijgen uit schoorstenen, omdat er ernstige luchtkwaliteitsproblemen waren in steden over de hele wereld, " zegt Kevin.

Ingenieurs wilden zien hoe hoog rookstapels moesten zijn om ervoor te zorgen dat de lucht benedenwinds schoon was. Zonder computers, ze vonden eenvoudige oplossingen op basis van observaties, maar hun vergelijkingen waren vaak onnauwkeurig.

Echter, de Briggs-vergelijkingen op basis van complexe vloeistofdynamica (voor het eerst gepubliceerd in 1975) waren verrassend eenvoudig en nauwkeurig en ideaal voor het pyroCb-probleem.

Een simpele berekening

Met als doel het simpel te houden, Kevin meet de totale warmtestroom die in een rookpluim gaat.

"De brandweer heeft het over vuurkracht. Dit is eigenlijk de snelheid waarmee energie, in de vorm van warmte, de pluim binnenkomt of door de pluim omhoog stroomt, " zegt Kevin.

"Wat we doen, is de minimale vuurkracht berekenen die nodig is om pyroCb te vormen.

"We noemen dit de pyrocumulonimbus vuurkrachtdrempel (PFT), en het kan in principe worden teruggebracht tot een functie van drie variabelen."

De eerste is de hoogte die de pluim moet bereiken voordat de wolk zich zal vormen met voldoende energie om een ​​onweersbui te genereren - de vrije-convectiehoogte (Z).

De tweede is de gemiddelde wind in de laag onder die vrije convectiehoogte - de windsnelheid van de gemengde laag (U).

De derde is de temperatuurverhoging. Dit is hoeveel warmer de rookpluim moet zijn dan de lucht in de gemengde laag (∇T).

Het ziet er zo uit:

PFT=0.3×(Z^2)×U×∇T

De geproduceerde waarde is in gigawatt wanneer Z wordt ingevoerd in kilometers, U is in meter per seconde en ∇T is in ℃. Het is een theoretische minimale hoeveelheid energie die een brand moet produceren om een ​​pyroCb te laten ontwikkelen.

Branden bestrijden met vergelijkingen?

Kevin erkent dat elke brand uniek is.

"Echter, als we elk uur de voorspellingskaart van de PFT maken, kun je deze plekken of regio's met een lage waarde - wat gelijk staat aan een hoge dreiging - door het landschap zien bewegen."

Voorspellers kunnen deze kaarten gebruiken om risicogebieden te identificeren.

"Ze kunnen zien dat ze om 16.00 uur bij een bepaalde brand een probleem kunnen hebben omdat er een windverandering doorkomt. Als er een vrij lage waarde van PFT op die windverandering is, we moeten er op letten, "zegt Kevin.

IJzer in het vuur

In de komende zes maanden, Kevin zal de PFT toepassen op weergegevens van de afgelopen 30 jaar om te zien of de weersomstandigheden veranderen om de pyroCb-omstandigheden gunstiger te maken.

"Slechts een paar jaar geleden pyroCb-gebeurtenissen waren uiterst zeldzaam, " zegt Kevin. "Vorig jaar, we hadden er tussen januari en maart 15 in Oost-Victoria. En dit is volledig overtroffen door de aantallen die we sinds oktober in Zuidoost-Australië hebben gezien."

Voor onderzoekers, het is een kans om te onderzoeken hoe en waarom het vaker gebeurt.

Voor brandweerlieden, het begrijpen van de onvoorspelbaarheid van branden wanneer deze systemen zich ontwikkelen, is van cruciaal belang.

"Het blijft me verbazen dat deze branden de werkelijk enorme hoeveelheid energie kunnen produceren die nodig is om een ​​pyrocumulonimbuswolk te genereren, " zegt Kevin. "Het potentieel voor vernietiging is enorm."

Dit artikel verscheen voor het eerst op Particle, een wetenschappelijke nieuwswebsite gebaseerd op Scitech, Perth, Australië. Lees het originele artikel.