NASA's "Wildfire Digital Twin"-project zal brandweerlieden en beheerders van natuurbranden uitrusten met een superieur hulpmiddel voor het monitoren van bosbranden en het voorspellen van schadelijke luchtverontreinigingsgebeurtenissen, en zal onderzoekers helpen mondiale natuurbrandtrends nauwkeuriger te observeren.

De tool maakt gebruik van kunstmatige intelligentie en machinaal leren om potentiële brandpaden in realtime te voorspellen, waarbij gegevens van sensoren ter plaatse, in de lucht en in de ruimte worden samengevoegd om mondiale modellen met hoge precisie te produceren.

Terwijl de huidige mondiale modellen die de verspreiding van bosbranden en rook beschrijven een ruimtelijke resolutie hebben van ongeveer 10 kilometer per pixel, zou de Wildfire Digital Twin regionale ensemblemodellen produceren met een ruimtelijke resolutie van 10 tot 30 meter per pixel, een verbetering van twee ordes van grootte .

Deze modellen kunnen binnen enkele minuten worden gegenereerd. Ter vergelijking:de productie van de huidige mondiale modellen kan uren duren.

Modellen met zo'n hoge ruimtelijke resolutie die met deze snelheid worden geproduceerd, zouden enorm waardevol zijn voor eerstehulpverleners en beheerders van natuurbranden die dynamische brandwonden proberen te observeren en in bedwang te houden.

Milton Halem, hoogleraar computerwetenschappen en elektrotechniek aan de Universiteit van Maryland, Baltimore County, leidt het Wildfire Digital Twin-project, dat bestaat uit een team van meer dan twintig onderzoekers van zes universiteiten.

“We willen brandweerlieden kunnen voorzien van nuttige, tijdige informatie”, zegt Halem, eraan toevoegend dat er in het veld over het algemeen geen internet is en geen toegang tot grote supercomputers, maar met onze API-versie van het model kunnen ze dat wel doen. voer de digital twin niet alleen uit op een laptop, maar zelfs op een tablet", zei hij.

Het FireSense-project van NASA is gericht op het benutten van de unieke aardwetenschappelijke en technologische capaciteiten van het agentschap om een ​​beter beheer van natuurbranden in de Verenigde Staten te bereiken.

NASA's Earth Science Technology Office ondersteunt deze inspanning met zijn nieuwste programma-element, Technology Development for support of Wildfire Science, Management, and Disaster Mitigation (FireSense Technology), dat zich toelegt op het ontwikkelen van nieuwe observatiemogelijkheden voor het voorspellen en beheersen van bosbranden, inclusief technologieën zoals Earth Systeem digitale tweelingen.

Earth System Digital Twins zijn dynamische softwaretools voor het in realtime modelleren en voorspellen van klimaatgebeurtenissen. Deze tools zijn afhankelijk van gegevensbronnen verspreid over meerdere domeinen om ensemblevoorspellingen te maken die alles beschrijven, van overstromingen tot zwaar weer.

Naast het assisteren van eerstehulpverleners zou een Earth System Digital Twin die zich toelegt op het modelleren van bosbranden ook waardevol zijn voor wetenschappers die de trends op het gebied van natuurbranden wereldwijd in de gaten houden. In het bijzonder hoopt Halem dat Wildfire Digital Twins ons vermogen zal verbeteren om bosbranden te bestuderen in de mondiale boreale bossen van winterharde naaldbomen, die grote hoeveelheden koolstof vastleggen.

Wanneer deze bossen verbranden, komt al die koolstof weer vrij in de atmosfeer. Uit een onderzoek, dat in augustus 2023 werd gepubliceerd, bleek dat alleen al de bosbranden verantwoordelijk waren voor 25% van alle CO₂ in de wereld. -uitstoot voor dat jaar tot nu toe.

"De reden CO₂ De uitstoot van bosbranden in het bos vindt jaarlijks in een steeds hoger tempo plaats, omdat de opwarming van de aarde op hoge breedtegraden sneller stijgt dan op de rest van de planeet, en als gevolg daarvan worden de zomers daar steeds langer”, aldus Halem. de planeet mag dan één graad Celsius zijn opgewarmd sinds de pre-industriële revolutie, deze regio is ruim twee graden opgewarmd."

Het werk van Halem bouwt voort op andere natuurbrandmodellen, met name het NASA-Unified Weather Research and Forecasting (NUWRF) -model, ontwikkeld door NASA, en WRF-SFIRE, ontwikkeld door een team van onderzoekers met steun van de National Science Foundation. Deze modellen simuleren fenomenen als windsnelheid en bewolking, waardoor ze de perfecte basis vormen voor een Wildfire Digital Twin.

Concreet werkt het team van Halem aan nieuwe technieken voor de assimilatie van satellietgegevens die informatie van in de ruimte gestationeerde afstandssensoren zullen combineren met hun Wildfire Digital Twin, waardoor verbeterde mondiale gegevensvoorspellingen mogelijk worden die nuttig zullen zijn voor zowel noodsituaties als wetenschappelijke missies.

In oktober nam het team van Halem deel aan de eerste FireSense-veldcampagne in samenwerking met het Fire and Smoke Model Evaluation Experiment (FASMEE) van de National Forest Service om rook te observeren terwijl deze meer dan 16 kilometer aflegde tijdens een gecontroleerde brandwond in Utah, met behulp van een ceilometer. Nu voert het team die gegevens in hun modelleringssoftware in, zodat deze de pluimen nauwkeuriger kan volgen.

Ze zijn vooral geïnteresseerd in het volgen van deeltjes kleiner dan 2,5 micrometer, die klein genoeg zijn om door de longen van een persoon te gaan en in de bloedbaan terecht te komen. Deze deeltjes, ook bekend als PM 2.5, kunnen ernstige gezondheidsproblemen veroorzaken, zelfs als iemand zich niet in de buurt van een actieve brandwond bevindt.

"Wanneer deze branden ontbranden en beginnen te branden, produceren ze rook, en deze rook legt aanzienlijke afstanden af. Het treft mensen niet alleen lokaal, maar ook op afstanden van duizenden kilometers of meer", aldus Halem.

Gegevens van de gecontroleerde verbranding zullen Halem en zijn team ook helpen de relatie tussen aërosolen en neerslag te kwantificeren. De toename van aërosolen als gevolg van bosbranden heeft een enorme impact op de vorming van wolken, wat op zijn beurt invloed heeft op de manier waarop neerslag stroomafwaarts van een getroffen brand ontstaat.

Het assimileren van al deze informatie terwijl deze in realtime door sensoren stroomt, is essentieel voor het gedetailleerd beschrijven van de volledige impact van bosbranden op lokale, regionale en mondiale schaal.

Geleverd door NASA