ไฟป่า? คอมพิวเตอร์ช่วยทำนายเส้นทางไฟป่า

ตั้งแต่กระโดดข้ามแม่น้ำไปจนถึง ‘ไฟร์นาโด’ เหตุใดไฟป่าจึงเป็นสิ่งที่ท้าทายในการทำความเข้าใจและคาดการณ์

ไฟป่าไม่รู้จักความยับยั้งชั่งใจ พวกเขาจะกระโดดแม่น้ำ พวกเขาจะพ่นไฟที่หมุนวนออกมา และพวกมันจะเพิ่มขนาดเป็นสองเท่าในชั่วข้ามคืน

ใช้ Carr Fire ซึ่งเป็นหนึ่งในแคลิฟอร์เนียที่มีการทำลายล้างมากที่สุดเท่าที่เคยเห็นมา เกิดประกายไฟทางตอนเหนือของรัฐเมื่อวันที่ 23 กรกฎาคม แหล่งที่มา: ขอบยางแบนครูดกับพื้นถนน เมื่อไฟลุกโชนขึ้น มันก็กระโดดข้ามแม่น้ำแซคราเมนโต จากนั้นมันก็ปล่อยลมบ้าหมูที่ลุกเป็นไฟใกล้กับเรดดิงซึ่งดักจับและสังหารนักผจญเพลิง ทีมงานไม่สามารถควบคุมเปลวเพลิงได้อย่างเต็มที่จนถึงวันที่ 30 สิงหาคม ณ ตอนนั้น ไฟป่าได้เผาผลาญพื้นที่ 930 ตารางกิโลเมตร (359 ตารางไมล์) ระหว่างทาง มันทำลายอาคารมากกว่า 1,000 หลัง และคร่าชีวิตผู้คนไป 7 คน

“เมื่อไฟเหล่านี้ลุกลามอย่างรวดเร็วและรุนแรงพอ คุณจะไม่สามารถหยุดมันได้” Ruddy Mell กล่าว เขาเป็นวิศวกรการเผาไหม้ของ US Forest Service ซึ่งตั้งอยู่ในเมืองซีแอตเทิล รัฐวอชิงตัน (วิศวกรการเผาไหม้คือคนที่ศึกษาว่าสิ่งต่างๆ เผาไหม้อย่างไร)

หน่วยงานรัฐบาลกลางและรัฐที่จัดการไฟป่าอาศัยคณิตศาสตร์ในการทำงาน หน่วยงานเหล่านี้ใช้โปรแกรมคอมพิวเตอร์ที่เรียกว่าแบบจำลองอัคคีภัย แบบจำลองดังกล่าวทำให้สามารถคาดการณ์ได้ว่าไฟจะลุกลามอย่างไร นอกจากนี้ยังช่วยให้หน่วยงานตัดสินใจว่าจะส่งนักผจญเพลิงและอุปกรณ์ไปที่ใด หรือตัดสินใจว่าเมื่อใดจำเป็นต้องอพยพ แต่แบบจำลองไม่สามารถคาดเดาได้เสมอว่าไฟจะเปลี่ยนทิศทางไปในทิศทางใหม่หรือใหญ่ขึ้นอย่างกะทันหันเมื่อใด

ขณะนี้ นักวิทยาศาสตร์กำลังพัฒนาแบบจำลองการยิงที่ใหม่กว่าและดีกว่ามาก โมเดลเหล่านั้นรวมถึงข้อมูลโดยละเอียดโดยเฉพาะจากดาวเทียม

คอมพิวเตอร์รุ่นใหม่ยังอาศัยความเข้าใจที่ดีขึ้นว่าไฟสามารถสร้างสภาพอากาศของตนเองได้อย่างไร

แม้แต่ในคอมพิวเตอร์ โมเดลขนาดละเอียดเหล่านี้ก็ใช้เวลาหลายชั่วโมงหรือหลายวันในการทำงาน ซึ่งหมายความว่าพวกเขาไม่น่าจะมาแทนที่โมเดลที่เร็วและสกปรกมากกว่านี้ซึ่งสร้างขึ้นเพื่อตอบสนองในช่วงเวลาที่ร้อนระอุ แต่สิ่งเหล่านี้สามารถช่วยนักวิทยาศาสตร์ค้นหาว่าอะไรคือสาเหตุของพฤติกรรมของไฟป่า และเรียนรู้วิธีปกป้องชุมชนจากควันไฟได้ดียิ่งขึ้น

บันทึกการเผาไหม้

National Interagency Fire Center (NIFC) อยู่ในเมืองบอยซี รัฐไอดาโฮ ในปีนี้ มีรายงานว่าไฟป่ากำลังสร้างความเสียหายอย่างน้อยที่สุดในสหรัฐอเมริกา เช่นเดียวกับปีที่แล้ว แท้จริงแล้ว ไฟเหล่านั้นเผาผลาญพื้นที่ขนาดใหญ่ในปี 2560 มากกว่าในเกือบทุกปีนับตั้งแต่ปี 2526 (นั่นคือเวลาที่นักวิจัยเริ่มรวบรวมข้อมูลที่สอดคล้องกันเป็นครั้งแรก) ณ วันที่ 24 กันยายน 2561 ไฟ 48,584 ดวงได้จุดไฟอย่างน้อย 29,800 ตารางกิโลเมตร (11,500 ตารางไมล์) ทั่วประเทศ. นั่นเป็นพื้นที่ที่ใหญ่กว่าแมสซาชูเซตส์ ณ สิ้นเดือนกันยายน NIFC รายงานว่ามีไฟป่าลุกไหม้มากกว่า 50 จุดทางตะวันตก — 20 แห่งในนั้นยังไม่สามารถควบคุมได้

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ไฟป่าได้ทำให้มลพิษทางอากาศรุนแรงยิ่งขึ้นในภาคตะวันตกของสหรัฐอเมริกา

ฟ้าแลบทำให้เกิดไฟป่าหลายจุด เปลวไฟตามธรรมชาติเหล่านี้เป็นส่วนสำคัญของระบบนิเวศหลายแห่ง แต่มนุษย์ได้ทำให้ไฟดังกล่าวเลวร้ายลงโดยไม่มีความหมาย เป็นเวลาหลายปีที่ผู้เชี่ยวชาญที่จัดการป่าไม้ได้ทำงานอย่างหนักเพื่อป้องกันไม่ให้ไฟธรรมชาติลุกไหม้ ที่เรียกว่าการดับไฟ นโยบายนี้หมายความว่ามีไม้จำนวนมาก – เชื้อเพลิงของไฟ – บนพื้นดิน และนั่นทำให้ไฟที่ลุกโชนรุนแรงยิ่งขึ้น

สิ่งที่ก่อกวนใจมากที่สุดคือ ผู้คนเริ่มเกิดไฟป่า 84 ครั้งจากทุกๆ 100 ครั้ง ไม่ว่าจะโดยบังเอิญหรือตั้งใจก็ตาม นั่นเป็นไปตามการศึกษาในเดือนมีนาคม 2560 ในการดำเนินการของ National Academy of Sciences การศึกษาชี้ให้เห็นว่าอิทธิพลของเราทำให้ฤดูไฟในสหรัฐฯ ยาวนานกว่าปกติถึงสามเท่า

และการเปลี่ยนแปลงของสภาพอากาศก็มีแนวโน้มที่จะทำให้ปัญหาแย่ลงไปอีก ทางตะวันตกของสหรัฐอเมริกาส่วนใหญ่อาจจะเห็นการเพิ่มขึ้นของพื้นที่ที่ถูกเผาในอีก 30 ปีข้างหน้า นั่นคือการค้นพบการศึกษาเดือนธันวาคม 2560 ใน PLOS One ได้วิเคราะห์ข้อมูลเกี่ยวกับอุณหภูมิของภูมิภาค ไฟป่า และกองหิมะ (Snowpack คือการสะสมตัวของชั้นหิมะในช่วงที่อากาศหนาวเย็น)

ภัยพิบัติทางธรรมชาติดังกล่าวจะรุนแรงยิ่งขึ้นในอนาคต นักวิจัยแนะนำเมื่อเดือนที่แล้วในจดหมายวิจัยธรณีฟิสิกส์ พวกเขาสรุปได้ว่าคลื่นความร้อนและไฟป่าจะได้รับผลกระทบรุนแรงยิ่งขึ้นจากการเปลี่ยนแปลงของสภาพอากาศที่เกิดขึ้นเป็นวัฏจักร ตัวอย่างสำคัญของเหตุการณ์ที่เป็นวงจร: เอลนีโญส (El-NEEN-yohs) ช่วงนี้เป็นช่วงที่น้ำผิวดินรอบเส้นศูนย์สูตรในบางพื้นที่ของมหาสมุทรแปซิฟิกอุ่นขึ้น ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของสภาพอากาศทั่วโลก

การใช้คณิตศาสตร์เพื่อจำลองพฤติกรรมของไฟป่านั้นยากพอๆ กับการหยุดการเผาไหม้ ไฟป่าได้รับอิทธิพลจากกลุ่มลักษณะที่ซับซ้อน พืชคลุมดินประเภทใด ที่ดินเป็นที่ราบหรือเนินเขา? ลมพัดเร็วแค่ไหน? ภูมิภาคนี้ร้อนแค่ไหนและต้นไม้แห้งแค่ไหน?

ผู้จัดการดับเพลิงคำนึงถึงสิ่งเหล่านี้ทั้งหมด แต่แบบจำลองที่พวกเขาใช้นั้นออกแบบมาเพื่อชี้แนะกลยุทธ์การควบคุมอัคคีภัยในระหว่างเหตุฉุกเฉิน ซึ่งการสามารถตอบสนองได้อย่างรวดเร็วคือกุญแจสำคัญ คณิตศาสตร์ที่ใช้ไม่สามารถจำลองรายละเอียดทั้งหมดได้ ตัวอย่างเช่น ไม่สามารถพิจารณาว่าไฟมีปฏิสัมพันธ์กับชั้นบรรยากาศอย่างไรเพื่อสร้างลมขึ้นมาเอง นั่นเป็นสิ่งสำคัญ เนื่องจากลมเหล่านั้นสามารถพัดเปลวไฟและพ่นถ่านคุไปในทิศทางที่ไม่คาดคิดได้

สภาพอากาศไฟไหม้

แน่นอนว่าการรวบรวมข้อมูลว่าไฟมีปฏิกิริยาอย่างไรกับบรรยากาศทำให้เกิดความท้าทายอย่างมาก Warren Heilman กล่าวว่า “แทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่จะตั้งเครื่องดนตรีใกล้กับไฟป่าที่มีความรุนแรงสูง เขาเป็นนักอุตุนิยมวิทยาของ Forest Service ในเมืองแลนซิง รัฐมิชิแกน ทำไม? เพราะจะทำให้เครื่องมือเสียหาย

นั่นคือที่มาของวิธีการทำนายแบบใหม่

ศูนย์วิจัยบรรยากาศแห่งชาติอยู่ในโบลเดอร์ โคโล ที่นั่น นักวิทยาศาสตร์บรรยากาศ เจนิซ โคเอน และเพื่อนร่วมงานของเธอได้พัฒนาแบบจำลองใหม่เพื่อทำนายผลกระทบของไฟที่มีต่อสภาพอากาศ

โดยเริ่มจากการศึกษาการเคลื่อนที่ของอากาศเมื่อได้รับความร้อนจากไฟ และการเคลื่อนที่นั้นส่งผลต่อพฤติกรรมของไฟอย่างไร Coen อธิบายว่ามัน “เดือดลงไปถึงคณิตศาสตร์ที่ซับซ้อนและไดนามิกของของไหล” (ไดนามิกของของไหลหมายถึงการเคลื่อนที่ของของเหลวและก๊าซ) ทำสิ่งเหล่านี้ให้ถูกต้อง เธอพูด และ “พฤติกรรมที่ซับซ้อนอย่างน่าสยดสยองนี้มากมายจะเปิดเผยออกมา”

แบบจำลองอาศัยคณิตศาสตร์ที่ใช้ในการพยากรณ์อากาศโดยทั่วไปอยู่แล้ว ทีมของ Coen กำลังนำไปใช้กับไฟป่า เมื่อเร็ว ๆ นี้ทีมของ Coen ใช้มันเพื่อศึกษาสิ่งที่เกิดขึ้นระหว่าง King Fire ปี 2014 เปลวไฟดังกล่าวเผาผลาญพื้นที่เกือบ 400 ตารางกิโลเมตร (154 ตารางไมล์) ในเทือกเขา Sierra Nevada ของรัฐแคลิฟอร์เนีย

ไฟเดินทางค่อนข้างช้า ทันใดนั้น มันวิ่งขึ้นหุบเขาลึก 25 กิโลเมตร (ประมาณ 15 ไมล์) ในเวลาเพียง 11 ชั่วโมง ความดุร้ายของมันทำให้งงงวยเพราะสถานีตรวจอากาศที่อยู่ใกล้เคียงแจ้งว่าลมสงบในเวลานั้น

สภาพแห้งแล้งทำให้ภูมิประเทศแห้งแล้งจนไหม้ได้ง่าย รายงานข่าวกล่าวโทษอย่างรวดเร็วว่าไฟลุกลามอย่างรวดเร็วจากภัยแล้งนั้น แต่โคเอนไม่แน่ใจนัก

ในความเป็นจริงการวิเคราะห์ของเธอชี้ให้เห็นว่าภัยแล้งไม่ได้เป็นตัวขับเคลื่อนหลักของการเพิ่มขึ้นอย่างฉับพลันของไฟ

แต่ทีมของเธอจะแสดงให้เห็นว่ากระแสอากาศที่เกิดจากไฟได้กระตุ้นให้ไฟลุกลามอย่างรวดเร็วในหุบเขา ความแตกต่างของความกดอากาศทำให้เกิดลม ซึ่งเป็นมวลอากาศที่ไหลจากบริเวณที่มีความกดอากาศสูงกว่าไปยังบริเวณที่มีความกดอากาศต่ำกว่า เมื่อไฟทำให้อากาศในหุบเขาอุ่นขึ้น มันได้ลดความกดดันลง ตอนนี้อากาศขยายตัวและสูงขึ้น ในทางกลับกัน ทำให้เกิดกระแสลมที่แรงกว่าการวัดอย่างเป็นทางการที่เคยทำในบริเวณใกล้เคียง

ทีมของ Coen ได้รายงานการค้นพบเหล่านี้ใน Ecological Applications ฉบับเดือนพฤษภาคม

แบบจำลองดังกล่าวยังช่วยอธิบายเหตุการณ์ไฟไหม้ที่น่าแปลกใจอื่นๆ ได้อีกด้วย ตัวอย่างหนึ่งคือ “ไฟร์นาโด” เกิดขึ้นเมื่อวันที่ 26 กรกฎาคมที่ผ่านมาโดยไฟป่าคาร์ กระแสน้ำวนนั้นทำให้เกิดลมแรงกว่า 200 กิโลเมตรต่อชั่วโมง (124 ไมล์ต่อชั่วโมง) และอุณหภูมิสูงถึง 1,500 องศาเซลเซียส (2,732 องศาฟาเรนไฮต์) ลมบ้าหมูที่ลุกเป็นไฟดังกล่าวก่อตัวขึ้นเมื่ออากาศที่เพิ่มสูงขึ้นซึ่งได้รับความร้อนจากไฟป่าปะทะกับอากาศที่ปั่นป่วนรอบๆ

โมเดลอัคคีภัยที่มีรายละเอียดเหล่านี้ให้เบาะแสเกี่ยวกับวิธีจัดการอัคคีภัยในอนาคต ตัวอย่างเช่น ในการวิเคราะห์ King Fire ทีมของ Coen พบว่าปริมาณแปรง (และความแห้งของมัน) มีอิทธิพลต่ออัตราการลุกลามของไฟบนพื้นลาดเอียงเท่านั้น นั่นแสดงให้เห็นว่า ด้วยทรัพยากรที่จำกัด ความพยายามในการกวาดล้างพุ่มไม้อาจมีประโยชน์มากที่สุดในการชะลอการลุกลามของไฟ เมื่องานมุ่งเน้นไปที่พื้นที่ที่เป็นเนินเขา ไม่ใช่พื้นที่ราบ

จำคุ

แบบจำลองของ Coen ดูสภาพอากาศที่ไฟป่าคุกรุ่น แบบจำลองอื่นๆ พยายามทำความเข้าใจว่าเกิดอะไรขึ้นเมื่อไฟป่ารุกลามพื้นที่เมือง ซึ่งคุกคามอาคารต่างๆ

เมลล์ นักวิทยาศาสตร์ด้านการเผาไหม้ของกรมป่าไม้กล่าวว่าพฤติกรรมของไฟที่ชายแดนระหว่างเขตป่ากับเขตเมืองนี้เข้าใจกันดีน้อยกว่าไฟที่ลุกโชนภายในอาคารหรือบนพื้นที่เปิดโล่งอย่างไร ไฟไหม้ชายแดนเหล่านี้ยากต่อการศึกษาเช่นกัน เหตุผลประการหนึ่ง: ไฟป่าที่เคลื่อนเข้ามาในเขตเมืองสามารถเข้าถึงเชื้อเพลิงได้หลากหลายกว่าไฟป่าที่ห่างไกลบางแห่ง นอกจากนี้ไฟป่าเหล่านี้มักจะจุดไฟในอาคารหลายหลัง สิ่งนี้สร้างผลกระทบแบบโดมิโน ซึ่งโดยปกติแล้วจะไม่เป็นปัญหา เช่น ไฟไหม้บ้านทั่วไป

Tubbs Fire ในเดือนตุลาคม 2017 ส่งผลกระทบต่อประเทศไวน์ของแคลิฟอร์เนียอย่างหนัก หลังจากนั้น เมลล์ไปเยี่ยมย่านที่ไหม้เกรียมนอกเมืองซานตาโรซา ผู้เชี่ยวชาญด้านการควบคุมอัคคีภัยไม่ได้มองว่าย่านนี้มีความเสี่ยงสูงในการเกิดอัคคีภัย และที่จริง เปลวไฟด้านหน้าไม่เคยมาถึงชุมชนนี้ แต่มันไม่ได้ปกป้องมันจากการทำลายล้าง การทำลายล้างทั้งหมดมาจากเปลวเพลิง – เศษต้นไม้ พืช และเศษซากที่ไหม้เกรียม – ซึ่งพัดเข้ามาด้วยลมแรง Firebrands สามารถกองและจุดไฟอาคาร อาคารที่ลุกเป็นไฟเหล่านี้สามารถสร้างเปลวไฟของตัวเองได้ อีกไม่นาน “มันยากมากที่จะหยุด” Mell กล่าว

วิธีการจัดอาคาร สิ่งก่อสร้าง ต้นไม้และพืชอื่นๆ ที่เติบโตรอบๆ ชุมชน ล้วนส่งผลต่อความเปราะบางต่อไฟป่า อย่างไรนั้นยังไม่ชัดเจน เพื่อค้นหาว่าชิ้นส่วนเหล่านี้เข้ากันได้อย่างไร Mell เช่นเดียวกับ Coen ศึกษาฟิสิกส์ของไฟ แต่ทีมของเขาไม่ได้โฟกัสไปที่การยิงที่ส่งผลต่อการเคลื่อนที่ของอากาศในระยะทางหลายกิโลเมตร ดูว่าพวกเขาเผาไหม้ในระดับเมตร (หลา) อย่างไร

เขากำลังออกแบบชุดสมการทางคณิตศาสตร์ที่จำลองว่ากองไฟจะถ่ายเทความร้อนไปยังพื้นผิวอย่างไร หรือเชื้อเพลิงเผาไหม้อย่างไรภายใต้สภาวะอุณหภูมิที่กำหนด

เป้าหมายที่ใหญ่กว่าของงานดังกล่าวคือการเข้าใจอันตรายที่มาจากการพ่นคุ ด้วยวิธีนี้จะสามารถออกแบบและจัดการเมืองที่เกิดไฟไหม้ได้อย่างปลอดภัยที่สุด

แบบจำลองขอบเขตพื้นที่ป่าและเมืองเหล่านี้ขึ้นอยู่กับข้อมูลจากการทดลองในห้องแล็บที่ทดสอบว่าถ่านที่คุบินและเผาไหม้อย่างไร Firebrands นั้นแตกต่างจากโพรเจกไทล์อื่น ๆ นั่นเป็นเพราะพวกมันกำลังลุกเป็นไฟขณะบิน แซม แมนเซลโลอธิบาย เขาเป็นวิศวกรที่ National Institutes of Standards and Technology หรือ NIST ในเมืองเกเธอร์สเบิร์ก รัฐแมริแลนด์

ความหนาแน่นของ firebrand นั้นเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา และนั่นส่งผลต่อวิธีการยิงหรือเป่าลม ยิ่งไปกว่านั้น พืชที่ถูกจุดไฟยังจุดไฟที่มีลักษณะแตกต่างจากอาคารที่ถูกไฟไหม้

งานบางอย่างของ Manzello เกี่ยวข้องกับการรวบรวมถ่านที่คุหลังจากไฟไหม้และศึกษาคุณสมบัติของถ่าน เขาสนใจว่ามันใหญ่แค่ไหน ทำมาจากอะไร และหนักเท่าไหร่ ทีมงานของเขาได้สร้าง “มังกร” ขึ้นมาหลายตัว สิ่งเหล่านี้ไม่มีชีวิต แต่เป็นอุปกรณ์ที่มีไฟอยู่ในท้อง พวกมันกินเศษไม้แล้วคายถ่านที่คุ นักวิทยาศาสตร์ที่ NIST สามารถควบคุมขนาดของเศษไม้ที่ติดไฟในท้องมังกรได้ พวกเขายังสามารถควบคุมความเร็วของปากที่คายถ่านคุ สิ่งนี้จะช่วยให้ทีม NIST ระบุว่าการออกแบบหรือวัสดุที่ใช้ในการก่อสร้างอาจส่งผลต่อความเปราะบางของอาคารที่จะเกิดไฟไหม้ได้อย่างไร

ตัวอย่างเช่น หลังคาที่ทำจากกระเบื้องเซรามิก (Sur-AM-ik) เป็นที่นิยมในแคลิฟอร์เนีย ดูเหมือนว่ามันควรจะกันไฟได้เพราะเซรามิกไม่ไหม้ แต่ Manzello รายงานว่า “เราพบว่าเมื่อเราให้หลังคากระเบื้องสัมผัสกับฝักบัวที่จุดไฟ [firebrands] จะทะลุเข้าไปใต้กระเบื้องและ (จุดไฟ) หลังคาได้” คุก็มีความเสี่ยงเช่นกัน พวกที่ตกลงมาบนหลังคาเหล่านี้สามารถเผาไหม้ได้จนมีขนาดเล็กพอที่จะผ่านรอยแตกระหว่างกระเบื้องได้

เขากล่าวว่าการค้นพบดังกล่าวกำลังช่วยชุมชนยกระดับมาตรฐานความปลอดภัยสำหรับอาคารในเมืองที่ติดกับพื้นที่ป่า มาตรฐานที่ใหม่กว่าเหล่านี้อาจกำหนดให้มีการติดตั้ง เช่น กระเบื้องมุงหลังคาบนวัสดุกันไฟ หรือใช้วัสดุปิดช่องว่างระหว่างกระเบื้อง

เห็นได้ชัดว่าไฟป่ามีความสำคัญและซับซ้อน แต่ด้วยวิทยาศาสตร์และคณิตศาสตร์ นักวิจัยกำลังค้นหาวิธีที่ดีกว่าในการทำนายพฤติกรรมของไฟที่ลุกลามเป็นระยะๆ และวิธีสร้างเมืองเหล่านั้นให้ดียิ่งขึ้น ซึ่งวันหนึ่งอาจพบว่าตัวเองอยู่ในเส้นทางของไฟ

สามารถอัพเดตข่าวสารเรื่องราวต่างๆได้ที่ cornerstoneumcwat.com