لا تُعرف حرائق الغابات بضبط النفس. سوف يقفزون من الأنهار. سيطلقون الدراويش من ألسنة اللهب. وسوف يتضاعف حجمها بين عشية وضحاها.
خذ كار فاير ، واحدة من أكثر المدن تدميراً في كاليفورنيا على الإطلاق. اندلعت شرارة في الجزء الشمالي من الولاية في 23 تموز / يوليو. مصدرها:حافة إطار مثقوب كشط رصيف طريق. مع اشتداد النيران ، قفزت في نهر سكرامنتو. ثم انطلقت زوبعة مشتعلة بالقرب من ردينغ حاصرت وقتل رجل إطفاء. لم تقم الطاقم باحتواء النيران بالكامل حتى 30 أغسطس. بحلول ذلك الوقت ، اشتعلت النيران في 930 كيلومترًا مربعًا (359 ميلًا مربعًا). على طول الطريق ، دمر أكثر من 1000 مبنى وأودى بحياة سبعة.
يقول رودي ميل:"بمجرد أن تنتشر هذه الحرائق بالسرعة الكافية وبشكل مكثف بدرجة كافية ، لا يمكنك إيقافها". إنه مهندس احتراق في دائرة الغابات الأمريكية ومقرها في سياتل ، واشنطن. (مهندس الاحتراق هو شخص يدرس كيفية احتراق الأشياء.)
الشرح:ما هو نموذج الكمبيوتر؟
تعتمد الوكالات الفيدرالية والوكالات الحكومية التي تدير حرائق الغابات على الرياضيات للقيام بعملها. تستخدم هذه الوكالات برامج كمبيوتر تُعرف باسم نماذج النار . مثل هذه النماذج تجعل من الممكن التنبؤ بكيفية انتشار الحرائق. كما أنها تسمح للوكالات بتحديد مكان إرسال رجال الإطفاء والمعدات - أو تحديد وقت الحاجة إلى الإخلاء. لكن النماذج لا يمكنها دائمًا التنبؤ متى تنحرف النيران في اتجاه جديد أو تتسع فجأة.
الآن ، يقوم العلماء بتطوير نماذج حرائق أحدث وأفضل بكثير. تتضمن هذه النماذج بيانات مفصلة بشكل خاص من الأقمار الصناعية.
أحدث الكمبيوتر نماذج تستند أيضًا إلى فهم أفضل لكيفية قيام الحرائق بإنشاء طقس خاص بها ، وتأجيج ألسنة اللهب الخاصة بها.
حتى على جهاز الكمبيوتر ، يستغرق تشغيل هذه النماذج الدقيقة ساعات أو أيام. هذا يعني أنه من غير المحتمل أن تحل محل النماذج الأكثر سرعة وقذرة التي تم إنشاؤها للاستجابة في حرارة اللحظة. لكن يمكنهم مساعدة العلماء في معرفة ما الذي يحرك سلوك حرائق الغابات - وتعلم كيفية حماية المجتمعات بشكل أفضل من الدخان.
تسجيل النسخ
يقع المركز الوطني المشترك بين الوكالات لإطفاء الحرائق (NIFC) في بويز بولاية أيداهو. هذا العام ، تشير التقارير إلى أن حرائق الغابات في طريقها لإحداث أضرار على الأقل في الولايات المتحدة كما حدث في العام الماضي. في الواقع ، أحرقت تلك الحرائق مساحة أكبر في عام 2017 مقارنة بأي عام تقريبًا منذ عام 1983. (وذلك عندما بدأ الباحثون لأول مرة في جمع بيانات متسقة). اعتبارًا من 24 سبتمبر 2018 ، اشتعلت 48584 حريقًا على الأقل 29800 كيلومتر مربع (11500 ميل مربع). على الصعيد الوطني. هذه مساحة أكبر من ماساتشوستس. اعتبارًا من أواخر سبتمبر ، أبلغ المركز الوطني للإعلام عن أكثر من 50 حريقًا كبيرًا مشتعلًا في الغرب - 20 منها لا تزال غير محتواة.
في السنوات القليلة الماضية ، أدت حرائق الغابات إلى تفاقم تلوث الهواء الشديد في غرب الولايات المتحدة.
يشعل البرق العديد من حرائق الغابات. هذه الحرائق الطبيعية هي جزء صحي من العديد من النظم البيئية. لكن دون قصد ، جعل البشر مثل هذه الحرائق أسوأ. لسنوات ، عمل الخبراء الذين يديرون الغابات بجد لمنع الحرائق الطبيعية من الاحتراق. وهذا يُعرف باسم إخماد الحرائق . هذه السياسة تعني أن هناك الكثير من الحطب - وقود النار - على الأرض. وهذا جعل الحرائق التي تشتعل أكثر شراسة.
الأكثر إزعاجًا ، يبدأ الناس - سواء عن طريق الخطأ أو عن قصد - 84 حريقًا من كل 100 حريق غابات. هذا وفقًا لدراسة أجريت في آذار (مارس) 2017 في Proceedings of the National Academy of Sciences . تشير الدراسة إلى أن تأثيرنا جعل موسم الحرائق في الولايات المتحدة أطول بثلاث مرات من موسم الحرائق الطبيعي.
ومن المرجح أن يؤدي تغير المناخ إلى تفاقم المشكلة. من المحتمل أن يشهد جزء كبير من غرب الولايات المتحدة زيادة في مساحة الأراضي المحروقة خلال الثلاثين عامًا القادمة. هذه هي النتيجة التي توصلت إليها دراسة في كانون الأول (ديسمبر) 2017 في PLOS One . وقد حللت بيانات عن درجات الحرارة الإقليمية وحرائق الغابات وتجمعات الجليد. (Snowpack هو تراكم طبقات من الثلج خلال فترات البرد).
الشرح:النينيو والنينيا
اقترح الباحثون الشهر الماضي في رسائل البحوث الجيوفيزيائية أن مثل هذه الكوارث الطبيعية ستكون أكثر خطورة في المستقبل. . وخلصوا إلى أن موجات الحرارة وحرائق الغابات ستتأثر بشدة بالتغيرات في المناخ التي تأتي على شكل دورات. مثال رئيسي على تلك الأحداث الدورية: النينيو (El-NEEN-yohs). هذه هي الفترات التي تكون فيها المياه السطحية حول خط الاستواء دافئة في بعض مناطق المحيط الهادئ ، مما يؤدي إلى تحولات في المناخ عبر الكرة الأرضية.
ومع ذلك ، فإن استخدام الرياضيات لنمذجة سلوكيات حرائق الغابات يكاد يكون بنفس صعوبة إيقاف الحرق. تتأثر حرائق الغابات بمجموعة معقدة من الميزات. ما أنواع النباتات التي تغطي الأرض؟ هل الأرض منبسطة أم شديدة التلال؟ ما السرعة التي تهب بها الرياح؟ ما مدى سخونة المنطقة وما مدى جفاف نباتاتها؟
يأخذ مديرو الإطفاء كل هذه الأمور في الحسبان. لكن النماذج التي يستخدمونها مصممة لتوجيه استراتيجيات مكافحة الحرائق أثناء حالات الطوارئ ، حيث تكون القدرة على الاستجابة السريعة أمرًا أساسيًا. لا يمكن للرياضيات التي تستخدمها نمذجة جميع التفاصيل الدقيقة. على سبيل المثال ، لا يمكن أن تأخذ في الاعتبار كيفية تفاعل الحرائق مع الغلاف الجوي لتكوين رياحها الخاصة. هذا مهم ، لأن تلك الرياح يمكن أن تهب لهيبًا وتبصق الجمر في اتجاهات غير متوقعة.
طقس النار
بالطبع ، يشكل جمع البيانات حول كيفية تفاعل الحرائق مع الغلاف الجوي تحديات كبيرة. يقول وارن هيلمان:"من المستحيل تقريبًا إعداد أدوات بجوار حرائق الغابات الشديدة". إنه عالم أرصاد في خدمة الغابات في لانسينغ ، ميتشيغان ، لماذا؟ لأنه سيدمر الأدوات.
وهنا يأتي دور طريقة التنبؤ الجديدة.
يقع المركز الوطني لأبحاث الغلاف الجوي في بولدر ، كولورادو. وهناك ، طورت عالمة الغلاف الجوي جانيس كوين وزملاؤها نموذجًا جديدًا للتنبؤ بتأثير الحريق على الطقس.
يبدأ بدراسة كيفية تحرك الهواء عند تسخينه بنار ، وكيف تؤثر هذه الحركة بعد ذلك على كيفية تصرف النار. يشرح كوين ، "يتلخص في الرياضيات المعقدة وديناميكيات السوائل." (تشير ديناميات الموائع إلى كيفية تحرك السوائل والغازات.) كما تقول ، حاول تصحيح هذه الأمور ، و "يتكشف الكثير من هذا السلوك المعقد بشكل مرعب".
يعتمد النموذج على الرياضيات المستخدمة بالفعل للتنبؤ بالطقس بشكل عام. يقوم فريق كوين الآن بتطبيقه على حرائق الغابات. استخدمه فريق كوين مؤخرًا لدراسة ما حدث خلال 2014 King Fire. تسبب هذا الحريق في حرق ما يقرب من 400 كيلومتر مربع (154 ميلا مربعا) في جبال سييرا نيفادا بكاليفورنيا.
كانت النار تسير ببطء إلى حد ما. فجأة ، انطلق بسرعة 25 كيلومترًا (حوالي 15 ميلًا) فوق وادٍ في 11 ساعة فقط. كانت ضراوتها محيرة لأن محطة أرصاد قريبة لاحظت أن الرياح كانت هادئة في ذلك الوقت.
تركت الظروف الجافة المشهد جافًا بحيث يحترق بسهولة. سرعان ما ألقت التقارير الإخبارية باللائمة في تسريع الحريق على هذا الجفاف. لكن كوين لم يكن متأكدا.
في الواقع ، أشار تحليلها إلى أن الجفاف لم يكن المحرك الرئيسي للنمو المفاجئ في شدته.
وبدلاً من ذلك ، أظهر فريقها أن التيارات الهوائية التي أحدثتها النيران نفسها غذت النار بسرعة منتشرة في الوادي. تخلق الاختلافات في الضغط الجوي رياحًا ، وهي عبارة عن كتل من الهواء تتدفق من مناطق ذات ضغط أعلى إلى مناطق ذات ضغط أقل. عندما أدت النيران إلى تدفئة هواء الوادي ، خفضت ضغطه. تمدد الهواء الآن و ارتفع. هذا ، بدوره ، خلق رياحًا أقوى بكثير من القياسات الرسمية التي تم أخذها في مكان قريب.
أبلغ فريق كوين عن هذه النتائج في عدد مايو من التطبيقات البيئية .
يمكن أن تساعد هذه النماذج أيضًا في تفسير أحداث حرائق أخرى مفاجئة. أحد الأمثلة على ذلك هو "فيرينادو" الذي اشتعلت فيه حرائق كار في الهشيم في 26 يوليو / تموز الماضي. ولدت تلك الدوامة رياحًا تجاوزت 200 كيلومترًا في الساعة (124 ميلًا في الساعة) ودرجات حرارة تصل إلى 1500 درجة مئوية (2732 درجة فهرنهايت). تتشكل مثل هذه الزوابع المشتعلة عندما يصطدم الهواء المتصاعد الذي يسخن بفعل حريق هائل بالهواء المضطرب المحيط به.
تقدم نماذج الحرائق التفصيلية هذه أدلة حول كيفية إدارة الحرائق المستقبلية. عند تحليل King Fire ، على سبيل المثال ، وجد فريق Coen أن كمية الفرشاة (ومدى جفافها) تؤثر على معدل انتشار الحريق على الأرض المنحدرة فقط. يشير ذلك إلى أنه ، نظرًا لمحدودية الموارد ، قد تكون جهود إزالة الفرشاة مفيدة للغاية في إبطاء انتشار الحريق عندما يركز العمل بشكل أكبر على المواقع الجبلية ، وليس الأراضي المسطحة.
تذكر الجمر
يلقي نموذج كوين نظرة على الطقس الذي تسببه حرائق الغابات. تسعى النماذج الأخرى بدلاً من ذلك إلى فهم ما يحدث عند اندلاع حرائق الغابات في المناطق الحضرية ، والتي تهدد المباني بعد ذلك.
كيف تتصرف الحرائق عند هذه الحدود البرية - الحضرية أقل فهمًا بكثير من الحرائق التي تشتعل داخل المباني أو في الأراضي المفتوحة ، كما يقول ميل ، عالم الاحتراق في مصلحة الغابات. يصعب أيضًا دراسة حرائق المناطق الحدودية هذه. أحد الأسباب:أن حرائق البراري التي تنتقل إلى المناطق الحضرية لديها إمكانية الوصول إلى نطاق أوسع من الوقود أكثر من الحرائق في بعض الغابات النائية. بالإضافة إلى ذلك ، فإن حرائق الغابات هذه عادة ما تشعل العديد من المباني. يؤدي ذلك إلى إنشاء تأثير الدومينو ، والذي لا يمثل عادةً مشكلة ، على سبيل المثال ، حريق منزل قياسي.
ضرب حريق Tubbs في أكتوبر 2017 بلد النبيذ في كاليفورنيا بشدة. بعد ذلك ، زار ميل أحد الأحياء المتفحمة خارج سانتا روزا. لم ينظر خبراء مكافحة الحرائق إلى هذه الضاحية على أنها تواجه مخاطر حريق عالية. وبالفعل ، لم تصل جبهة اللهب في الهشيم إلى هذا المجتمع أبدًا. لكنها لم تحمها من الدمار. جاء تدميرها بالكامل من النيران - قطع الأشجار والنباتات والحطام المحترقة - التي انفجرت بفعل الرياح القوية. يمكن للنيران أن تتراكم وتشعل المباني. يمكن لهذه المباني المحترقة أن تولد مشاعل خاصة بها. لم يمض وقت طويل ، "من الصعب جدًا التوقف" ، كما يقول ميل.
يمكن أن تؤثر طريقة ترتيب المباني ومكوناتها والأشجار والنباتات الأخرى التي كانت تنمو حول مجتمع ما على قابليته للتأثر بحرائق الغابات. كيف بالضبط ، ومع ذلك ، لا يزال غير واضح. لمعرفة كيف تتوافق هذه القطع مع بعضها البعض ، يدرس ميل ، مثل كوين ، فيزياء النار. لكن تركيز فريقه ليس على الطريقة التي تؤثر بها الحرائق على الحركة الجوية لمسافة كيلومترات. ينظر في كيفية حرقها على مقياس متر (ياردة).
إنه يصمم مجموعات من المعادلات الرياضية التي تمثل نموذجًا لكيفية نقل النار إلى سطح ، أو كيفية احتراق الوقود في ظل ظروف درجة حرارة معينة.
الهدف الأكبر من هذا العمل هو فهم أفضل للمخاطر التي تأتي من الجمر النفخ. بهذه الطريقة ، يمكن تصميم المدن المعرضة للحرائق وإدارتها بأمان قدر الإمكان.
تعتمد هذه النماذج الخاصة بالحدود البرية - الحضرية على بيانات من التجارب المعملية التي تختبر كيف يطير الجمر ويحترق. تختلف Firebrands عن المقذوفات الأخرى. هذا لأنهم يحترقون أثناء طيرانهم ، يوضح سام مانزيلو. إنه مهندس في المعاهد الوطنية للمعايير والتكنولوجيا ، أو NIST ، في Gaithersburg ، Md.
كثافة النيران تتغير باستمرار. وهذا يؤثر على كيفية إطلاقها أو نفخها في الهواء. علاوة على ذلك ، تنتج النباتات المحترقة حرائق نار تتصرف بشكل مختلف عن تلك الناتجة عن حرق المباني.
تتضمن بعض أعمال مانزيلو جمع الجمر بعد الحريق ودراسة خصائصه. إنه يولي اهتمامًا لمدى كبرها ، ومكوناتها ومقدار وزنها. قام فريقه أيضًا ببناء العديد من "التنانين". هؤلاء ليسوا على قيد الحياة ، ولكن الأجهزة مع النار في بطونهم. تتغذى على رقائق الخشب ثم تبصق زخات من الجمر. يمكن للعلماء في المعهد القومي للمعايير والتكنولوجيا (NIST) التحكم في حجم رقائق الخشب المشتعلة في بطن التنين. يمكنهم أيضًا التحكم في سرعة إخراج فمه من الجمر. من المفترض أن يساعد هذا فريق NIST في تحديد كيفية تأثير التصميم أو المواد المستخدمة في البناء على مدى تعرض المبنى للخطر في النيران.
على سبيل المثال ، أسقف مصنوعة من السيراميك بلاط (Sur-AM-ik) مشهور في كاليفورنيا. يبدو أنها يجب أن تكون مقاومة للحريق لأن السيراميك لا يحترق. لكن ، أفاد مانزيلو ، "لقد اكتشفنا أنه عندما نعرض أسقف القرميد للاستحمام بالنيران ، [النيران] تخترق البلاط و [تشعل] السقف." الجمر يشكل أيضا خطرا. يمكن لتلك التي تهبط على هذه الأسطح أن تحترق حتى تصبح صغيرة بما يكفي لتتسع من خلال الشقوق بين البلاط.
أسئلة الفصل الدراسي
ويقول إن مثل هذه الاكتشافات تساعد المجتمعات على ترقية معايير السلامة الخاصة بهم للمباني في البلدات المتاخمة للأراضي البرية. قد تتطلب هذه المعايير الجديدة تركيب ، على سبيل المثال ، بلاط الأسقف فوق مواد مقاومة للاحتراق أو استخدام مواد لسد الفجوات بين البلاط.
من الواضح أن حرائق الغابات مهمة ومعقدة. ولكن مع العلم والرياضيات ، يجد الباحثون طرقًا أفضل للتنبؤ بسلوكيات الحرائق التي تتطور بشكل دوري - وكيفية بناء تلك المدن التي قد تجد نفسها يومًا ما في طريق النار.
