Многие факторы вызывают разрастание лесных пожаров на Западе и образование более крупных и долговечных дымовых шлейфов, которые могут распространяться по всему континенту. Анализ, проведенный Вашингтонским университетом, рассматривает наиболее подробные на сегодняшний день наблюдения в недрах дыма от лесных пожаров на Западном побережье.
Многопрофильная команда отслеживала и пролетала сквозь шлейфы лесных пожаров от источника, чтобы собрать данные о том, как химический состав дыма меняется с течением времени.
Итоговая статья, опубликованная в ноябре. 2 в Proceedings of the National Academy of the Sciences, показывает, что прогнозы дыма могут неверно предсказывать количество частиц в более стойком дыме.
Новые результаты могут значительно изменить оценку количества частиц в более затвердевшем дыме, что может быть разницей между «умеренным» и «нездоровым» качеством воздуха в регионах с подветренной стороны от очага пожара.
«Лесные пожары становятся все более частыми и частыми, а дым становится все более важным фактором общего загрязнения воздуха», – сказал ведущий автор Джоэл Торнтон, профессор атмосферных наук из Университета штата Вашингтон. «Мы действительно нацелены на дымовые шлейфы близко к источнику, чтобы попытаться лучше понять, что излучается, а затем как они могут трансформироваться при движении по ветру."
Знание того, как вновь образовавшийся дым от лесных пожаров переходит в несвежий, рассеянный дым, может привести к более точным прогнозам качества воздуха. Сообщества могут использовать эти прогнозы для подготовки, переместив мероприятия на свежем воздухе внутрь или изменив расписание в тех случаях, когда воздух будет небезопасным для пребывания на открытом воздухе, а также ограничить другие виды деятельности, загрязняющие окружающую среду, такие как пожары на дровах.
«Есть два аспекта, которые входят в состав прогнозов дыма», – сказал первый автор Бретт Палм, исследователь в области атмосферных наук, получивший докторскую степень в UW. "Первый – это то, куда собирается пойти дымовой шлейф, исходя из динамики движения воздуха в атмосфере. Но другой вопрос: сколько дыма переносится – насколько далеко с подветренной стороны будет плохое качество воздуха?
Это вопрос, который помогает решить наша работа."
Когда деревья, трава и листва горят при высоких температурах, они выделяют сажу или черный углерод, а также органические частицы и пары, называемые органическими аэрозолями, которые обладают большей реакционной способностью, чем сажа.
Пожары также могут производить аэрозоль «коричневого углерода», менее изученную форму органического аэрозоля, придающую небу коричневатую дымку.
Попадая в воздух, органические аэрозоли могут реагировать с кислородом или другими молекулами, уже находящимися в атмосфере, с образованием новых химических соединений. Температура воздуха, солнечный свет и концентрация дыма влияют на эти реакции и, таким образом, изменяют свойства старого дымового шлейфа.
Многопрофильная команда измеряла эти реакции, пролетая сквозь шлейфы лесных пожаров в июле и августе 2018 года в рамках WE-CAN или полевой кампании Western Wildfire Experiment for Cloud Chemistry, Aerosol Absorption и Nitrogen, проводимой Государственным университетом Колорадо.
Исследовательские полеты из Бойсе, штат Айдахо, использовали исследовательский самолет C-130 для наблюдения за дымом. Исследование преодолело уровни 2000 микрограммов на кубический метр, что примерно в семь раз больше, чем у воздуха в Сиэтле этим летом.
Уплотнения на самолете сохраняли воздух внутри корабля намного чище, хотя, по словам исследователей, это было похоже на полет в дыму костра.
«Мы попытались найти красивый, организованный шлейф, откуда мы могли бы начать как можно ближе к огню», – сказал Палм. "Затем, используя скорость ветра, мы попытаемся взять пробу того же воздуха на последующих разрезах, когда он двигался по ветру."
Анализ в новой статье был сосредоточен на девяти четко очерченных дымовых шлейфах, образовавшихся в результате пожара Тейлор-Крик на юго-западе Орегона, пожара Bear Trap в Юте, пожара Голдстоуна в Монтане, пожара Южной Сахарной головы в Неваде и Шарпса в Киве. Пожары в Бивер-Крик и Кроличьей лапке в Айдахо.
«Вы не можете воспроизвести большие лесные пожары в лаборатории», – сказал Палм. «В общем, мы попытались взять образец дыма, поскольку он стареет, чтобы исследовать химию, физические превращения, которые происходят."
Исследователи обнаружили, что один класс выбросов от лесных пожаров, фенолы, составляют только 4% сгоревшего материала, но около одной трети светопоглощающих молекул «коричневого углерода» в свежем дыме. Они обнаружили свидетельства сложных преобразований в шлейфе: пары конденсируются в частицы, но в то же время и почти с той же скоростью компоненты твердых частиц испаряются обратно в газы.
Баланс определяет, сколько твердых частиц остается в живых и, следовательно, качество воздуха, когда шлейф распространяется по ветру.
«Одним из интересных аспектов была демонстрация того, насколько динамичен дым», – сказал Палм. "С конкурирующими процессами предыдущие измерения показали, что ничего не меняется. Но с помощью наших измерений мы действительно смогли проиллюстрировать динамическую природу дыма."
Исследователи обнаружили, что эти изменения химического состава происходят быстрее, чем ожидалось.
Как только дым оказывается в воздухе, даже когда он движется и рассеивается, он начинает испаряться и вступать в реакцию с окружающими газами в атмосфере.
«Когда струи дыма свежие, они почти похожи на низкопробное продолжение огня, потому что в эти первые несколько часов происходит очень много химической активности», – сказал Торнтон.
Авторы также провели серию экспериментов 2019 года в исследовательской камере в Боулдере, штат Колорадо, в ходе которых изучали, как ингредиенты дыма реагируют в дневных и ночных условиях. Лесные пожары, как правило, разрастаются после полуденного ветра, когда солнечный свет ускоряет химические реакции, а затем стихают и тлеют ночью.
Но очень большие лесные пожары могут продолжаться в одночасье, когда более темное небо меняет химию.
Понимание состава дыма также может улучшить прогнозы погоды, потому что дым охлаждает воздух под ним и даже может изменить характер ветра.
«В Сиэтле есть некоторые мысли, что дым изменил погоду», – сказал Торнтон. "Подобные отзывы о взаимодействии дыма с солнечным светом действительно интересны в будущем."