Le fiamme iniziano a salire. Mike Heck salta indietro. I viticci si leccano verso l'alto, vacillando nel vento, poi si uniscono in un vortice di fiamma, un tornado incandescente che si contorce in arancione e rosso. "Ecco qua!" Dice uno spettatore. Un altro fischia per lo stupore.
Ma nessuno è preoccupato. Heck accese deliberatamente il fuoco, accendendo una pentola di liquido sul pavimento di una stanza fiancheggiata da blocchi di cemento per contenere le fiamme. Una cappa aspirante impedisce al fumo di fluttuare nelle aule vicine.
Il supervisore di Heck, lo scienziato del fuoco Michael Gollner dell'Università del Maryland a College Park, evoca regolarmente nel suo laboratorio simili pilastri ardenti, noti come vortici di fuoco. (Gollner e colleghi esplorano la scienza di questi fenomeni nella Revisione annuale del 2018 della meccanica dei fluidi .) Da loro, e da altri esperimenti infuocati, mira a imparare come le fiamme si intensificano e si diffondono mentre le città e i paesaggi bruciano. L'obiettivo di Gollner è capire meglio cosa spinge il fuoco a saltare da una casa all'altra e da un albero all'altro.
Raccogliere nuove intuizioni sul comportamento al fuoco è diventato sempre più urgente poiché gli incendi sono diventati più estremi, in particolare nel Nord America occidentale. A partire dalla metà degli anni '80, i grandi incendi divennero improvvisamente molto più comuni nelle foreste degli Stati Uniti occidentali, specialmente nelle Montagne Rocciose settentrionali. Più recentemente, le foreste nel nord-ovest del Pacifico hanno visto il più grande aumento delle dimensioni degli incendi, con un aumento di quasi il 5.000 per cento nell'area di combustione dal 2003 al 2012 rispetto alla media 1973-1982. A livello nazionale, la superficie media bruciata negli anni dal 2000 è quasi il doppio della media annuale degli anni '90.
E proprio negli ultimi due anni, diversi inferni mortali hanno incenerito parti della California. Più di 5.600 edifici sono stati rasa al suolo dentro e intorno a Santa Rosa nell'ottobre 2017. Lo scorso luglio a Redding, un imponente pennacchio di aria calda e cenere ha generato un "fuoco" rotante come quello nel laboratorio di Gollner - ma molto più grande e abbastanza feroce uccidere un pompiere. Lo stesso mese, gli incendi hanno bruciato vaste superfici a Mendocino e in altre tre contee. Quattro mesi dopo, 85 persone morirono nel Fuoco di accampamento in Paradiso, molte delle quali incenerite mentre cercavano di sfuggire al fuoco nelle loro auto.
Devastazioni da record
Tutto sommato, i recenti incendi dello stato hanno stabilito i record per i più grandi, mortali e distruttivi incendi della California. "La natura ha dato una sequenza sorprendente di eventi, ognuno dei quali ha superato quello precedente", afferma Janice Coen, uno scienziato atmosferico che studia incendi boschivi presso il National Center for Atmospher Research di Boulder, Colorado. Lei e altri si trovano a chiedere: “È diverso dal passato? Cosa sta succedendo qui?"
Il numero totale di tutti gli incendi negli Stati Uniti mostra un aumento complessivo negli ultimi decenni, sebbene ci sia molta variabilità anno su anno. Gli acri totali bruciati in quegli incendi mostrano una tendenza al rialzo simile, anche se leggermente più drammatica. Gli studi che si sono concentrati sugli incendi negli Stati Uniti occidentali hanno mostrato un chiaro aumento negli ultimi anni del numero di grandi incendi. (National Interagency Coordination Center / Knowable Magazine) Molti fattori hanno guidato questa espansione senza precedenti della devastazione degli incendi. Decenni di estinzione riflessiva degli incendi non appena si sono accesi hanno permesso agli arbusti e agli alberi che alimentano il fuoco di accumularsi in aree incombusti. I cambiamenti climatici portano temperature più calde, meno pioggia e manto nevoso e maggiori possibilità che i carburanti si secchino e brucino. (I cambiamenti climatici causati dall'uomo sono stati accusati di aver quasi raddoppiato l'area forestale bruciata negli Stati Uniti occidentali dal 1984.) Nel frattempo, sempre più persone si stanno spostando in aree selvagge, aumentando la possibilità che qualcuno accenderà un incendio o si metterà in pericolo quando si inizia a crescere.
Coen e altri scienziati stanno sfruttando la fisica per aiutare a rivelare cosa provoca un'escalation ordinaria in un epico megafire. Per fare questo, alcuni ricercatori guidano verso i bordi degli incendi, sondando i loro segreti con apparecchiature laser e radar che possono vedere attraverso le nuvole di fumo fluttuanti. Altri hanno sviluppato modelli all'avanguardia che descrivono il modo in cui le fiamme corrono attraverso il paesaggio, guidate non solo da carburanti e terreno, ma anche da come il fuoco e l'atmosfera si alimentano l'un l'altro. E altri ancora, come Gollner, stanno elaborando esperimenti di laboratorio per capire perché una casa può incendiarsi mentre il suo vicino rimane illeso.
Tali scoperte possono mostrare come le persone possono prepararsi meglio per un futuro con incendi più intensi e forse come i vigili del fuoco possono combatterli in modo più efficace.
Meteo di fuoco
Quando si tratta di combattere le fiamme, "si fa molto affidamento su ciò che la gente ha visto fare in passato", afferma Neil Lareau, meteorologo dell'Università del Nevada, Reno. "Quella profonda esperienza personale è davvero preziosa, ma si interrompe quando l'atmosfera entra in quella che definirei modalità anomala, quando assisterai a qualcosa che non hai mai visto prima."
Quindi Lareau lavora per raccogliere informazioni sugli incendi mentre si svolgono, sperando di poter un giorno fornire avvisi specifici per i vigili del fuoco mentre combattono le fiamme. Capisce il pericolo più di quanto facciano molti ricercatori accademici: ha trascorso tre estati cercando di avvicinarsi il più possibile agli incendi, come parte del rinomato gruppo di ricerca meteorologia del fuoco guidato da Craig Clements della San Jose State University in California.
Come gli inseguitori di tempesta che inseguono i tornado nelle pianure del Midwest, gli inseguitori di fuoco devono essere preparati a tutto. Seguono l'addestramento dei vigili del fuoco, imparando come prevedere dove potrebbe spostarsi la linea di fuoco e come schierare un rifugio antincendio in caso di emergenza. Si registrano con il sistema federale di gestione delle emergenze in modo da poter essere ufficialmente invitati in aree in cui il pubblico non può recarsi. E viaggiano con una sofisticata macchina a scansione laser sul retro di uno dei loro camion per penetrare nella cenere e pennacchi di fumo che si alzano da un fuoco attivo.
"Solo in virtù del puntare il laser verso le cose, abbiamo iniziato a vedere cose che le persone non avevano documentato in passato", afferma Lareau. Le prime scoperte includono il motivo per cui il pennacchio di un fuoco si espande mentre si alza mentre l'aria fumosa viene spinta verso l'esterno e l'aria chiara viene piegata verso l'interno e come possono formarsi colonne rotanti di aria all'interno del pennacchio. "C'è questo affascinante ambiente in cui il fuoco e i processi atmosferici interagiscono tra loro", afferma.
Le nuvole di pirocumononbo si formano e si nutrono del calore che sale da un incendio o da un'eruzione vulcanica. Quando un pennacchio di fumo si alza, si raffredda e si espande, permettendo all'umidità nell'atmosfera di condensarsi in una nuvola che può creare fulmini o persino fuochi d'artificio, essenzialmente un temporale nato dal fuoco. (Bureau of Meteorology, Australia / Knowable Magazine) Uno degli esempi più drammatici di "tempo del fuoco" sono le nuvole temporalesche che possono apparire in alto sopra un fuoco. Chiamate nuvole di pirocumononbus, si formano quando c'è umidità relativamente alta nell'atmosfera. Un pennacchio di cenere e aria calda si alza rapidamente dal fuoco, espandendosi e raffreddandosi man mano che si alza. Ad un certo punto, in genere circa 15.000 piedi di altezza, si raffredda abbastanza che il vapore acqueo nell'aria si condensa in una nuvola. La condensa rilascia più calore nel pennacchio, rinvigorendolo e generando una nuvola bianca brillante che può torreggiare fino a 40.000 piedi di altezza.
Sotto la base nuvolosa, l'aria può correre verso l'alto a velocità che si avvicinano a 130 miglia all'ora, spinte dalla convezione all'interno del pennacchio, il team dello Stato di San Jose ha scoperto. Più il fuoco cresce, più aria viene aspirata nella corrente d'aria, intensificando l'intera conflagrazione. E in rari casi può persino generare un tornado fiammeggiante sotto.
Nascita di un tornado infuocato
Lareau ha visto una forma di fuoco quasi in tempo reale durante l'incendio di Carr, vicino a Redding, nel luglio 2018. In questo caso non era nelle vicinanze con un laser nel suo camion, ma seduto a un computer a guardare i dati radar. I radar meteorologici, come quelli usati per le previsioni locali, possono tracciare la velocità di piccole particelle come la cenere che si muove nell'aria. Mentre il fuoco di Carr si sviluppava, Lareau raccolse i dati del radar da una base militare a circa 90 miglia dal crescente fuoco. Osservando come la cenere si muoveva in direzioni opposte a diversi livelli nell'atmosfera, poteva vedere come la rotazione atmosferica all'interno del pennacchio si stesse restringendo e intensificando. Come i pattinatori che tirano le braccia durante una rotazione, la rotazione si contrae e accelera per formare un vortice coerente, un tornado incastonato nel pennacchio di cenere più grande.
È solo il secondo esempio noto, dopo una tempesta di fuoco del 2003 in Australia, di un tornado che si forma a causa di una nuvola di pirocumononbus, Lareau e colleghi hanno scritto a dicembre in Geophysical Research Letters . Il fuoco fornisce il calore iniziale che genera la nuvola, che quindi genera il tornado. "Le dinamiche che portano al collasso della rotazione non sono solo guidate dal fuoco, ma anche dalla nuvola stessa", afferma Lareau. "Questo è davvero ciò che è diverso in questo caso, rispetto al tuo vortice di fuoco più varietà da giardino."
Immagina un tornado nel mezzo di una conflagrazione ed è facile capire perché l'incendio del Carr sia stato così devastante. Con la velocità del vento che raggiungeva 140 miglia all'ora, il tornado di fuoco abbatté torri elettriche, avvolse un tubo d'acciaio attorno a un palo della corrente e uccise quattro persone.
Questa nuvola di pirocumulonembo ruggì sul fuoco di Willow vicino a Payson, in Arizona, nel 2004. Sotto c'è il pennacchio di fumo scuro; sopra c'è la nuvola sorprendentemente bianca di goccioline d'acqua condensata. (Eric Neitzel / Wikimedia Commons) Prevedere la prossima mossa di Flames
Quel tipo di devastazione è ciò che spinge Coen a modellare gli incendi. È cresciuta appena fuori Pittsburgh, figlia di un vigile del fuoco, e in seguito è rimasta incantata da come venti, gorghi e altra circolazione atmosferica contribuiscono a far propagare le fiamme. A seconda del modo in cui l'aria fluisce attraverso il paesaggio, un incendio può spostarsi nel punto in cui si sta muovendo, forse dividendosi in due parti e poi fondendosi di nuovo, oppure facendo scoppiare piccoli vortici o turbini lungo la linea di fuoco. "I silvicoltori pensano agli incendi come combustibile e terreno", afferma Coen. "Per noi, come meteorologi, vediamo molti fenomeni che riconosciamo."
Negli anni '80 e '90, i meteorologi hanno iniziato a collegare modelli meteorologici, che descrivono il modo in cui l'aria fluisce su terreni complessi, con quelli che prevedono il comportamento al fuoco. Uno di questi sistemi, un modello informatico sviluppato nel Missoula Fire Sciences Laboratory del Montana, viene ora regolarmente utilizzato dalle agenzie federali per prevedere dove cresceranno gli incendi.
Coen ha fatto un ulteriore passo avanti e ha sviluppato un modello congiunto di atmosfera e fuoco che incorpora il flusso d'aria. Può, ad esempio, simulare meglio il modo in cui i venti gorgogliano e si infrangono sulle vette in terreni scoscesi.
Il suo modello è diventato incredibilmente reale l'8 novembre 2018, quando era programmata per tenere un discorso, "Comprendere e prevedere gli incendi", alla Stanford University. La sera prima, mentre stava lavorando alla sua presentazione, vide che la Pacific Gas and Electric Company stava pensando di chiudere le attrezzature in alcune parti della catena montuosa della Sierra Nevada perché erano previsti forti venti.
La mattina dopo andò al simposio, ma sedette sul retro a cercare su Internet e ascoltare i feed della radio di emergenza. Mentre i colleghi parlavano, seguì il traffico degli scanner, sentendo che un incendio si era acceso nella California del Nord e si era diffuso rapidamente verso la città del Paradiso. "Questo è quando ho dovuto lanciare nella mia presentazione", dice. “Potevo dire dai venti, da quanto stava andando male l'evacuazione, che sarebbe stato un evento orribile. Ma a quel punto non sapevamo che sarebbe stato il più mortale della storia della California. "
Quei forti venti di cui aveva sentito parlare si rivelarono cruciali per come il fuoco si diffuse e inghiottì il Paradiso. Forti venti in discesa hanno spinto le fiamme nella città boscosa. Secondo la fisica dei suoi modelli, era del tutto prevedibile, afferma Coen: "Molte cose strane hanno senso dopo aver visto queste circolazioni su larga scala".
Un altro esempio è l'incendio di Tubbs che ha devastato Santa Rosa nell'ottobre 2017, ruggendo per 12 miglia in poco più di tre ore. I modelli di Coen esplorano come i flussi d'aria conosciuti come i venti di Diablo si muovono attraverso il paesaggio. Si scopre che uno strato di aria stabile scivolò rapidamente sopra la complessa topografia sopra Santa Rosa. Dove ha colpito le creste montuose, ha generato esplosioni di venti ad alta velocità. Sorprendentemente, il vento esplode non dalle vette più alte, ma piuttosto da una serie più piccola di vette sottovento. La posizione di alcune di quelle raffiche di vento, che raggiungevano fino a 90 miglia all'ora secondo il suo modello, corrisponde a dove il fuoco si è acceso, forse a causa di guasti alle apparecchiature elettriche. Coen descrisse il lavoro a Washington, DC, a dicembre in una riunione della American Geophysical Union.
I modelli di Coen aiutano anche a spiegare l'incendio della Redwood Valley, che è iniziato nello stesso temporale del fuoco di Tubbs. (Quattordici incendi separati sono scoppiati nel nord della California nell'arco di 48 ore, quando un sistema meteorologico ad alta pressione nell'entroterra ha mandato i venti di Diablo che si precipitavano al largo.) Ma in questo caso c'era un divario di sette miglia nelle montagne che i venti erano in grado di correre, comprimere e accelerare. Era come un unico stretto fiume di venti, che sarebbe difficile individuare con il tempo tradizionale o le previsioni del fuoco, dice Coen. "Se guardassi i dati meteorologici e vedessi che questa situazione era insolita rispetto al resto, la tua mente tenderebbe a scartarla", dice.
Ma i meteorologi devono prestare attenzione a quelle raffiche di letture del vento ad alta velocità. Potrebbero segnalare che sta succedendo qualcosa di molto localizzato - e molto pericoloso.
Dalla scintilla alla combustione
Ricercatori come Coen tracciano la diffusione del perimetro di un incendio per prevedere dove potrebbe muoversi la linea di fuoco attiva. Ma la fisica può anche aiutare gli scienziati a comprendere meglio un altro tipo di propagazione del fuoco: cosa succede quando i venti catturano le braci e le sollevano miglia davanti al fronte del fuoco. Quando atterrano, a volte quelle braci possono bruciare sul posto per ore prima di accendere un mucchio di foglie, un mazzo o qualcos'altro infiammabile. Questo è un grosso problema per i vigili del fuoco che cercano di capire dove distribuire le loro risorse: se rimanere sulla linea di fuoco principale o inseguire dove pensano che gli incendi potrebbero accendersi.
Per rispondere a questa domanda, all'Università del Maryland Gollner ha elaborato la fisica su piccola scala di ciò che serve per accendere una brace. Il suo laboratorio è nel dipartimento di ingegneria della protezione antincendio e sembra la parte. Gli accendini al butano riempiono i cassetti. Una scatola di paglia di pino poggia su una mensola. Spessi guanti antincendio giacciono sopra uno sgabello. L'aria ha un odore leggermente acre, come il soffio di un incendio appena spento.
Lungo una parete del laboratorio, sotto una grande cappa di ventilazione, Gollner mostra un aggeggio di metallo un po 'più piatto e più largo di una scatola da scarpe. Qui è dove crea una brace accendendo un pezzo di legno a forma di sughero e inserendolo nella scatola. Una ventola soffia una costante brezza sopra il fuoco ardente del marchio, mentre gli strumenti sotto la scatola misurano la temperatura e il flusso di calore della superficie su cui si trova. Con questo dispositivo Gollner può studiare ciò che serve alle braci per generare abbastanza calore per accendere un incendio. "Sono stati fatti molti studi su letti di erbe e cose belle", dice. "Volevamo capire, come accende il tuo mazzo, il tuo tetto o la tua struttura?"
Si scopre che una sola brace, o una manciata di braci, non può accumulare così tanto calore se atterra su un materiale come un ponte o un tetto. Ma metti una o due dozzine di braci nel dispositivo di Gollner e il flusso di calore aumenta drammaticamente, lui e i suoi colleghi riportano nel March Fire Safety Journal . "Inizi ad avere una nuova radiazione tra loro", dice. "Si illumina, sotto il vento, è semplicemente bellissimo."
Lo scienziato del fuoco dell'Università del Maryland Michael Gollner dimostra un dispositivo che verifica come il fuoco si diffonde da diverse angolazioni. Quando solleva la superficie di accensione dall'orizzontale all'inclinazione, le fiamme reagiscono in modo diverso: informazioni che i vigili del fuoco possono usare quando combattono incendi in crescita. (Alexandra Witze) Solo un piccolo mucchio di braci può generare circa 40 volte il calore che sentiresti dal sole in una giornata calda. Questo è tanto riscaldamento, e talvolta di più, come viene dal fuoco stesso. È anche sufficiente accendere la maggior parte dei materiali, come il legno di un mazzo.
Quindi, se ci sono molte braci che volano davanti a un incendio, ma quelle braci atterrano relativamente distanti tra loro, potrebbero non accumulare il calore radiativo necessario per generare un incendio. Ma se le braci si accumulano, forse soffiate dal vento in una fessura di un mazzo, possono bruciare insieme e quindi innescare un'accensione, dice Gollner. La maggior parte delle case che bruciano nell'interfaccia urbano-selvaggia si accendono da queste braci, spesso poche ore dopo che il fronte antincendio stesso è passato.
Comprendere il flusso di calore su queste piccole scale può chiarire perché alcune case bruciano mentre altre no. Durante l'incendio di Tubbs, le case su un lato di alcune strade furono distrutte mentre quelle sull'altro lato non subivano quasi alcun danno. Ciò può essere dovuto al fatto che la prima casa che ha incendiato l'energia irradiata verso il suo vicino, che ha poi bruciato le case vicine come domino a causa del calore radiativo. Quando le case sono molto vicine tra loro, c'è solo così tanto che i proprietari di case possono fare per mitigare il pericolo eliminando la spazzola e il materiale infiammabile intorno alla casa.
Controllo della bestia
Gollner - un nativo della California che è cresciuto evacuando dagli incendi - ora sta lavorando ad altri aspetti della propagazione del fuoco, come quello che serve a un pezzo di vegetazione fiammeggiante per staccarsi con il vento forte e accendere altri arbusti sottovento. Sta studiando vortici di fuoco per vedere se possono essere usati per bruciare le chiazze di petrolio nell'oceano, poiché i vortici bruciano l'olio più velocemente e in modo più pulito di un fuoco non rotante. E sta iniziando un progetto sugli effetti sulla salute dell'inalazione del fumo degli incendi.
Per ora, spera che le sue ricerche possano aiutare a salvare case e vite durante un incendio attivo. "Non renderai mai nulla ignifugo", afferma. "Ma mentre lo fai meglio fai una grande differenza." Le case costruite con scudi contro le braci che penetrano attraverso le aperture della soffitta o utilizzando materiali resistenti all'ignizione come l'asfalto anziché le scandole in legno, possono avere meno probabilità di incendiarsi rispetto alle case non costruite per tali standard. Se solo 10 case e non 1.000 si accendono durante una tempesta di fuoco, i vigili del fuoco potrebbero essere in grado di gestire meglio la prossima grande conflagrazione, dice Gollner.
Man mano che il clima si riscalda e gli incendi diventano più estremi, gli scienziati del fuoco sanno che il loro lavoro è più rilevante che mai. Stanno spingendo per rendere la loro ricerca importante dove conta, in prima linea con i funzionari della gestione delle emergenze. Coen, ad esempio, sta lavorando per eseguire i suoi modelli di incendi più velocemente del tempo reale, in modo che quando scoppierà il prossimo grande incendio, è in grado di prevedere rapidamente dove potrebbe andare dato il vento e altre condizioni atmosferiche. E Lareau sta sviluppando modi per monitorare la propagazione di un incendio in tempo quasi reale.
Usa informazioni meteorologiche come il radar terrestre che ha usato per tracciare il Carr Firenado, così come i satelliti che possono mappare il perimetro del fuoco studiando il calore che fluisce da terra. Alla fine, vuole vedere un sistema di previsione in tempo reale per incendi come quelli attualmente esistenti per temporali, tornado, uragani e altri eventi meteorologici.
"Gli avvisi non fermeranno l'incendio", afferma Lareau. “Ma forse ci aiuterà a decidere dove prendere quelle decisioni. Questi sono ambienti in cui i minuti contano. "
Knowable Magazine è uno sforzo giornalistico indipendente dalle revisioni annuali. Alexandra Witze (@alexwitze) è una giornalista scientifica che vive nell'interfaccia urbano-selvaggia sopra Boulder, in Colorado, dove ogni tanto vede fumo dai fuochi nelle vicinanze.
