Las llamas comienzan a elevarse. Mike Heck salta hacia atrás. Los zarcillos lamen hacia arriba, ondeando en el viento, luego se funden en un vórtice de llamas, un tornado incandescente retorciéndose en naranja y rojo. "¡Ahí va!", Dice un espectador. Otro silba de asombro.
Pero a nadie le preocupa. Heck prendió fuego deliberadamente, encendiendo un recipiente con líquido en el piso de una habitación llena de bloques de concreto para contener las llamas. Una campana de succión sobre la cabeza evita que el humo llegue a las aulas cercanas.
El supervisor de Heck, el científico de incendios Michael Gollner de la Universidad de Maryland en College Park, evoca con regularidad tales pilares ardientes, conocidos como remolinos de fuego, en su laboratorio. (Gollner y sus colegas exploran la ciencia de estos fenómenos en la Revisión Anual de Mecánica de Fluidos de 2018). De ellos, y de otros experimentos ardientes, su objetivo es aprender cómo las llamas se intensifican y se propagan a medida que las ciudades y los paisajes arden. El objetivo de Gollner es comprender mejor qué impulsa el fuego para saltar de casa en casa y de árbol en árbol.
La recopilación de nuevas ideas sobre el comportamiento del fuego se ha vuelto cada vez más urgente a medida que los incendios forestales se han vuelto más extremos, particularmente en el oeste de América del Norte. A partir de mediados de la década de 1980, los grandes incendios forestales de repente se volvieron mucho más comunes en los bosques del oeste de los EE. UU., Especialmente en las Montañas Rocosas del norte. Más recientemente, los bosques en el noroeste del Pacífico han visto el mayor aumento en el tamaño de los incendios forestales, con un aumento de casi 5, 000 por ciento en el área de quemaduras entre 2003 y 2012 en comparación con el promedio de 1973-1982. A nivel nacional, la superficie promedio quemada en los años desde 2000 es casi el doble del promedio anual para la década de 1990.
Y solo en los últimos dos años, varios infiernos mortales han incinerado partes de California. Más de 5.600 edificios se incendiaron en Santa Rosa y sus alrededores en octubre de 2017. En julio pasado, en Redding, una enorme columna de aire caliente y cenizas generó un "tornado de fuego" giratorio como el del laboratorio de Gollner, pero mucho más grande y lo suficientemente feroz. matar a un bombero El mismo mes, los incendios quemaron grandes extensiones en Mendocino y otros tres condados. Cuatro meses después, 85 personas murieron en el Camp Fire in Paradise, muchas de ellas incineradas mientras intentaban escapar del incendio en sus automóviles.
Devastaciones récord
En total, los incendios recientes del estado establecieron récords para los incendios forestales más grandes, mortíferos y destructivos de California. "La naturaleza ha dado una secuencia sorprendente de eventos, cada uno superando al anterior", dice Janice Coen, una científica atmosférica que estudia incendios forestales en el Centro Nacional de Investigación Atmosférica en Boulder, Colorado. Ella y otros se preguntan: “¿Es esto diferente del pasado? ¿Que está pasando aqui?"
El número total de todos los incendios forestales de los EE. UU. Muestra un aumento general en las últimas décadas, aunque hay mucha variabilidad año tras año. El total de acres quemados en esos incendios forestales muestra una tendencia ascendente similar, aunque un poco más dramática. Los estudios que se han centrado en los incendios forestales del oeste de los EE. UU. Han demostrado un aumento claro en los últimos años en la cantidad de incendios grandes. (Centro Nacional de Coordinación Interagencial / Revista Knowable) Muchos factores han impulsado esta expansión sin precedentes de la devastación de los incendios forestales. Décadas de extinción de incendios por reflejo tan pronto como se encendieron han permitido que se acumulen arbustos y árboles alimentados por fuego en áreas no quemadas. El cambio climático trae temperaturas más cálidas, menos lluvia y nieve, y más posibilidades de que los combustibles se sequen y se quemen. (Se ha culpado al cambio climático causado por el hombre por casi duplicar el área forestal quemada en el oeste de los Estados Unidos desde 1984.) Mientras tanto, más personas se están mudando a áreas silvestres, lo que aumenta la posibilidad de que alguien encienda un incendio o esté en peligro cuando uno comienza a crecer.
Coen y otros científicos están aprovechando la física para ayudar a revelar qué causa que un incendio ordinario se intensifique en un mega fuego épico. Para hacer esto, algunos investigadores conducen hasta los bordes de los incendios forestales, investigando sus secretos con equipos láser y de radar que pueden ver a través de las nubes de humo. Otros han desarrollado modelos de vanguardia que describen cómo las llamas corren por el paisaje, impulsadas no solo por los combustibles y el terreno, sino también por cómo el fuego y la atmósfera se retroalimentan entre sí. Y aún otros, como Gollner, están ideando experimentos de laboratorio para descubrir por qué una casa puede encenderse mientras su vecino permanece ileso.
Tales hallazgos pueden mostrar cómo las personas pueden prepararse mejor para un futuro con incendios forestales más intensos, y tal vez cómo los bomberos pueden combatirlos de manera más efectiva.
Tiempo de fuego
Cuando se trata de combatir incendios, "se depende mucho de lo que la gente ha visto hacer en el pasado", dice Neil Lareau, meteorólogo de la Universidad de Nevada, Reno. "Esa profunda experiencia personal es realmente valiosa, pero se rompe cuando la atmósfera entra en lo que yo llamaría un modo atípico: cuando presenciarás algo que nunca has visto antes".
Entonces, Lareau trabaja para recopilar información sobre los incendios a medida que se desarrollan, con la esperanza de algún día poder entregar advertencias específicas para los bomberos mientras luchan contra las llamas. Entiende el peligro más que muchos investigadores académicos: pasó tres veranos tratando de acercarse lo más posible a los incendios forestales, como parte del reconocido equipo de investigación de meteorología de incendios dirigido por Craig Clements de la Universidad Estatal de San José en California.
Al igual que los cazadores de tormentas que acechan tornados en las llanuras del Medio Oeste, los cazadores de incendios tienen que estar preparados para cualquier cosa. Pasan por el entrenamiento de bomberos, aprenden cómo anticipar dónde podría moverse la línea de bomberos y cómo desplegar un refugio contra incendios en caso de emergencia. Se registran en el sistema federal de gestión de emergencias para que puedan ser invitados oficialmente a áreas donde el público no puede ir. Y viajan con una sofisticada máquina de escaneo láser en la parte trasera de uno de sus camiones para penetrar las cenizas y las columnas de humo que se elevan de un incendio activo.
"Solo por apuntar nuestro láser a las cosas, comenzamos a ver cosas que la gente no había documentado en el pasado", dice Lareau. Los primeros descubrimientos incluyen por qué el penacho de un fuego se extiende a medida que se eleva mientras el aire humeante se empuja hacia afuera y el aire limpio se pliega hacia adentro, y cómo se pueden formar columnas de aire giratorias dentro del penacho. "Existe un entorno fascinante donde el fuego y los procesos atmosféricos interactúan entre sí", dice.
Las nubes de Pyrocumulonimbus se forman y se alimentan del calor que surge de un incendio forestal o una erupción volcánica. A medida que se eleva una columna de humo, se enfría y se expande, permitiendo que la humedad de la atmósfera se condense en una nube que puede crear rayos o incluso tornados de fuego, esencialmente una tormenta eléctrica que nace del fuego. (Bureau of Meteorology, Australia / Knowable Magazine) Uno de los ejemplos más dramáticos de "clima de fuego" son las nubes de tormenta que pueden aparecer muy por encima de un incendio. Llamadas nubes de pyrocumulonimbus, se forman cuando hay una humedad relativamente alta en la atmósfera. Una columna de ceniza y aire caliente se eleva rápidamente del fuego, expandiéndose y enfriándose a medida que aumenta. En algún momento, típicamente a unos 15, 000 pies de altura, se enfría lo suficiente como para que el vapor de agua dentro del aire se condense en una nube. La condensación libera más calor en el penacho, revitalizándolo y generando una nube blanca brillante que puede elevarse hasta 40, 000 pies de altura.
Debajo de la base de la nube, el aire puede correr hacia arriba a velocidades cercanas a las 130 millas por hora, impulsadas por la convección dentro del penacho, descubrió el equipo del Estado de San José. Cuanto más crece el fuego, más aire es arrastrado hacia la corriente ascendente, intensificando toda la conflagración. Y en casos raros, incluso puede generar un tornado en llamas a continuación.
Nacimiento de un tornado ardiente
Lareau observó cómo se formaba un tornado de fuego casi en tiempo real durante el incendio de Carr, cerca de Redding, en julio de 2018. En este caso, no estaba cerca con un láser en su camión, sino sentado frente a una computadora mirando datos de radar. Los radares meteorológicos, como los utilizados para su pronóstico local, pueden rastrear la velocidad de partículas pequeñas como cenizas que se mueven en el aire. A medida que se desarrollaba el incendio de Carr, Lareau extrajo datos de radar de una base militar a casi 90 millas del creciente incendio. Al observar cómo la ceniza se movía en direcciones opuestas a diferentes niveles en la atmósfera, pudo ver cómo la rotación atmosférica dentro del penacho se estaba reduciendo e intensificando. Al igual que los patinadores artísticos tirando de sus brazos durante un giro, la rotación se contrajo y aceleró para formar un vórtice coherente: un tornado incrustado en el penacho de cenizas más grande.
Es solo el segundo ejemplo conocido, después de una tormenta de fuego en 2003 en Australia, de un tornado que se forma debido a una nube de pirocumulonimbos, escribieron Lareau y sus colegas en diciembre en Geophysical Research Letters . El fuego proporciona el calor inicial que genera la nube, que luego genera el tornado. "Las dinámicas que conducen al colapso de la rotación no solo son impulsadas por el fuego, sino que también son impulsadas por la nube misma", dice Lareau. "Eso es realmente lo que es diferente de este caso, en comparación con su remolino de fuego más variedad de jardín".
Imagine un tornado en medio de una conflagración, y es fácil ver por qué el incendio de Carr fue tan devastador. Con una velocidad del viento de 140 millas por hora, el tornado de fuego derribó torres eléctricas, envolvió una tubería de acero alrededor de un poste eléctrico y mató a cuatro personas.
Esta nube de pirocumulonimbos rugió sobre el incendio de Willow cerca de Payson, Arizona, en 2004. A continuación se muestra el penacho de humo oscuro; arriba está la nube sorprendentemente blanca de gotas de agua condensada. (Eric Neitzel / Wikimedia Commons) Predecir el próximo movimiento de las llamas
Ese tipo de devastación es lo que impulsa a Coen a modelar incendios forestales. Ella creció a las afueras de Pittsburgh, hija de un bombero, y más tarde quedó fascinada por la forma en que los vientos, los remolinos y otras circulaciones atmosféricas ayudan a impulsar la propagación de las llamas. Dependiendo de cómo fluye el aire a través del paisaje, un fuego puede cambiar donde se está moviendo, tal vez dividiéndose en dos partes y luego fusionándose nuevamente, o haciendo pequeños remolinos o remolinos a lo largo de la línea de fuego. "Los forestales piensan en los incendios como combustible y terreno", dice Coen. "Para nosotros, como meteorólogos, vemos muchos fenómenos que reconocemos".
En las décadas de 1980 y 1990, los meteorólogos comenzaron a vincular modelos climáticos, que describen cómo fluye el aire sobre terrenos complejos, con aquellos que predicen el comportamiento del fuego. Uno de estos sistemas, un modelo de computadora desarrollado en el Laboratorio de Ciencias del Fuego Missoula del Servicio Forestal de los Estados Unidos en Montana, ahora es utilizado regularmente por las agencias federales para pronosticar dónde crecerán los incendios.
Coen fue un paso más allá y desarrolló un modelo conjunto de atmósfera y fuego que incorpora flujo de aire. Puede, por ejemplo, simular mejor cómo los vientos en remolino y romper picos en terrenos empinados.
Su modelo se volvió sorprendentemente real el 8 de noviembre de 2018, cuando estaba programada para dar una charla, "Comprender y predecir incendios forestales", en la Universidad de Stanford. La noche anterior, mientras trabajaba en su presentación, vio informes de que la Pacific Gas and Electric Company estaba considerando cerrar el equipo en partes de las estribaciones de Sierra Nevada porque se pronosticaron fuertes vientos.
A la mañana siguiente fue al simposio, pero se sentó en la parte de atrás buscando en Internet y escuchando transmisiones de radio de emergencia. Mientras sus colegas hablaban, ella siguió el tráfico del escáner y escuchó que se había encendido un incendio en el norte de California y se extendió rápidamente hacia la ciudad de Paradise. "Fue entonces cuando tuve que iniciar mi presentación", dice ella. “Me di cuenta por los vientos, por lo mal que iba la evacuación, que iba a ser un evento horrible. Pero en ese momento no sabíamos que sería el más mortal en la historia de California ".
Esos fuertes vientos de los que había escuchado resultaron ser cruciales para la forma en que el fuego se extendió y envolvió el Paraíso. Fuertes vientos descendentes empujaron las llamas hacia la ciudad boscosa. Según Coen, era completamente predecible según la física de sus modelos: "Muchas cosas extrañas tienen sentido después de observar estas circulaciones a pequeña escala".
Otro ejemplo es el incendio de Tubbs que devastó a Santa Rosa en octubre de 2017, rugiendo a través de 12 millas en poco más de tres horas. Los modelos de Coen exploran cómo los flujos de aire conocidos como vientos de Diablo se mueven a través del paisaje. Resulta que una capa de aire estable se deslizó rápidamente sobre la compleja topografía sobre Santa Rosa. Donde golpeó las montañas, generó ráfagas de vientos de alta velocidad. Sorprendentemente, las ráfagas de viento no salieron de los picos más altos, sino más bien de un conjunto más pequeño de picos a favor del viento. La ubicación de algunas de esas ráfagas de viento, que alcanzaron hasta 90 millas por hora según su modelo, corresponde al lugar donde se encendió el fuego, tal vez debido a fallas en los equipos eléctricos. Coen describió el trabajo en Washington, DC, en diciembre en una reunión de la Unión Geofísica Americana.
Los modelos de Coen también ayudan a explicar el incendio del Valle de Redwood, que comenzó en la misma tormenta de viento que el incendio de Tubbs. (Catorce incendios separados estallaron en el norte de California en el lapso de 48 horas, ya que un sistema meteorológico de alta presión hacia el interior envió vientos de Diablo corriendo hacia la costa). Pero en este caso había una brecha de siete millas de ancho en las montañas que eran vientos capaz de atravesar, comprimir y acelerar. Era como un solo río estrecho de vientos, que sería difícil de detectar con el clima tradicional o los pronósticos de incendios, dice Coen. "Si estuvieras mirando los datos del clima y vieras que esta situación era inusual en comparación con el resto, tu mente tendería a descartarla", dice ella.
Pero los pronosticadores deben prestar atención a esas señales de viento de alta velocidad. Podrían estar señalando que algo muy localizado y muy peligroso está sucediendo.
De chispa a combustión
Investigadores como Coen rastrean la extensión del perímetro de un incendio para predecir dónde podría moverse la línea de fuego activa. Pero la física también puede ayudar a los científicos a comprender mejor otro tipo de propagación del fuego: lo que sucede cuando los vientos atrapan ascuas y las levantan millas por delante del frente de fuego. Cuando aterrizan, esas brasas a veces pueden arder en el lugar durante horas antes de encender un montón de hojas, una cubierta o algo más inflamable. Ese es un gran problema para los bomberos que intentan averiguar dónde desplegar sus recursos, ya sea para permanecer en la línea de fuego principal o para perseguir donde creen que podrían encenderse los focos.
Para llegar a esta pregunta, en la Universidad de Maryland, Gollner ha estado trabajando en la física a pequeña escala de lo que se necesita para que se encienda una brasa. Su laboratorio está en el Departamento de Ingeniería de Protección contra Incendios, y se ve bien. Los encendedores de butano llenan los cajones. Una caja de paja de pino descansa sobre un estante. Guantes gruesos de protección contra incendios yacen sobre un taburete. El aire huele ligeramente acre, como el olor a fuego recién extinguido.
A lo largo de una pared del laboratorio, debajo de una gran campana de ventilación, Gollner muestra un artilugio de metal un poco más plano y ancho que una caja de zapatos. Aquí es donde crea una brasa al encender un trozo de madera en forma de corcho y ponerlo dentro de la caja. Un ventilador sopla una brisa constante sobre la ardiente marca de fuego, mientras que los instrumentos debajo de la caja miden la temperatura y el flujo de calor de la superficie en la que se encuentra. Con este dispositivo, Gollner puede estudiar lo que se necesita para que las brasas generen suficiente calor para iniciar un incendio en un edificio. "Se han realizado muchos estudios sobre lechos de pastos y cosas finas", dice. "Queríamos entender, ¿cómo enciende su cubierta, su techo o su estructura?"
Resulta que una sola brasa, o un puñado de brasas, no puede acumular tanto calor si cae sobre un material como una cubierta o un techo. Pero coloque una o dos docenas de brasas en el dispositivo de Gollner y el flujo de calor aumenta dramáticamente, informan él y sus colegas en el March Fire Safety Journal . "Comienzas a tener re-radiación entre ellos", dice. "Brilla bajo el viento, es simplemente hermoso".
El científico de incendios de la Universidad de Maryland, Michael Gollner, demuestra un dispositivo que prueba cómo se propaga el fuego en diferentes ángulos. Cuando eleva la superficie de ignición de horizontal a inclinada, las llamas reaccionan de manera diferente, información que los bomberos pueden usar para combatir incendios crecientes. (Alexandra Witze) Solo un pequeño montón de brasas puede generar aproximadamente 40 veces el calor que sentirías del sol en un día caluroso. Eso es tanto calentamiento, y a veces más, como proviene del fuego mismo. También es suficiente para encender la mayoría de los materiales, como la madera de una cubierta.
Entonces, si hay muchas brasas volando antes de un incendio, pero esas brasas aterrizan relativamente lejos una de la otra, es posible que no acumulen el calor radiativo necesario para generar un incendio puntual. Pero si las ascuas se acumulan, tal vez arrastradas por el viento en una grieta de una cubierta, pueden arder juntas y luego desencadenar una ignición, dice Gollner. La mayoría de las casas que se queman en la interfaz urbano-forestal se encienden por estas brasas, a menudo horas después de que el frente de incendios haya pasado.
Comprender el flujo de calor en estas pequeñas escalas puede aclarar por qué algunas casas se queman y otras no. Durante el incendio de Tubbs, las casas de un lado de algunas calles fueron destruidas, mientras que las del otro lado apenas sufrieron daños. Eso puede deberse a que la primera casa que encendió irradiaba energía a su vecino, que luego quemó las casas vecinas como fichas de dominó debido al calor radiativo. Cuando las casas están muy juntas, solo hay mucho que los propietarios pueden hacer para mitigar el peligro limpiando arbustos y materiales inflamables alrededor de la casa.
Controlando a la bestia
Gollner, un nativo de California que creció evacuando incendios forestales, ahora está trabajando en otros aspectos de la propagación del fuego, como lo que se necesita para que un pedazo de vegetación llameante se desprenda con vientos fuertes y encienda otros arbustos a favor del viento. Está estudiando remolinos de fuego para ver si pueden usarse para quemar manchas de petróleo en el océano, ya que los remolinos queman el petróleo más rápido y más limpio que un fuego no giratorio. Y está comenzando un proyecto sobre los efectos en la salud de inhalar humo de incendios forestales.
Por ahora, espera que su investigación pueda ayudar a salvar hogares y vidas durante un incendio activo. "Nunca vas a hacer nada a prueba de fuego", dice. "Pero a medida que lo haces mejor, haces una gran diferencia". Las casas construidas con escudos contra las brasas que ingresan a través de las aberturas del ático, o que usan materiales resistentes al fuego como el asfalto en lugar de las tejas de madera, pueden ser menos propensas a encenderse que las casas no construidas para Esas normas. Si solo 10 hogares y no 1, 000 se encienden durante una tormenta de fuego, los bomberos podrían manejar mejor la próxima gran conflagración, dice Gollner.
A medida que el clima se calienta y los incendios se vuelven más extremos, los científicos del fuego saben que su trabajo es más relevante que nunca. Están presionando para que su investigación cuente donde sea importante: en primera línea con los funcionarios de gestión de emergencias. Coen, por ejemplo, está trabajando para ejecutar sus modelos de incendios forestales más rápido que en tiempo real, para que cuando estalle el próximo gran incendio pueda predecir rápidamente a dónde irá dado el viento y otras condiciones atmosféricas. Y Lareau está desarrollando formas de rastrear la propagación de un incendio en tiempo casi real.
Utiliza información meteorológica como el radar terrestre que utilizó para rastrear el tornado de Carr, así como satélites que pueden mapear el perímetro del fuego al estudiar el calor que fluye del suelo. Eventualmente, quiere ver un sistema de predicción en tiempo real para incendios forestales como los que existen actualmente para tormentas, tornados, huracanes y otros eventos climáticos.
"Las advertencias no van a detener el fuego", dice Lareau. “Pero quizás nos ayudará a decidir dónde tomar esas decisiones. Estos son entornos donde los minutos importan ".
Knowable Magazine es un esfuerzo periodístico independiente de Annual Reviews. Alexandra Witze (@alexwitze) es una periodista científica que vive en la interfaz urbano-forestal sobre Boulder, Colorado, donde ocasionalmente ve humo de incendios cercanos.
