Lauffeuer haben den Westen der Vereinigten Staaten während des letzten Jahrzehnts verwüstet. Über drei Millionen Hektar sind in diesem Jahr bereits im ganzen Land abgebrannt. Da Brände jedes Jahr früher ausbrechen und sich weiter in den Herbst hinein ausbreiten und sich von „Feuerjahreszeiten“ zu „Feuerjahren“ entwickeln, berichtet das National Interagency Fire Center, dass viele westliche US-Regionen ein überdurchschnittliches Brandpotenzial aufweisen.
Von der Vorhersage großer Flammen bis hin zur Verhinderung künftiger Brände – Forscher des Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) des Energieministeriums gehen das Problem zunehmend intensiver Waldbrände aus zahlreichen wissenschaftlichen Blickwinkeln an. Und sie lassen dabei unser Licht an.
Feuer bekämpfen… aus dem All
Während Feuerwehrleute im Jahr 2021 an vorderster Front gegen Flammen kämpften, half ein Team von Wissenschaftlern aus einem einzigartigen Blickwinkel: dem Weltraum. PNNL-Datenwissenschaftler Andre Coleman leitet RADR-Fire, das Satellitenbildverarbeitungssystem, das aktive Brände kartiert. RADR-Fire hilft Feuerwehrleuten, Versorgungsunternehmen und anderen Entscheidungsträgern, das Verhalten eines Feuers besser zu verstehen, damit sie inmitten einer Naturkatastrophe fundierte Entscheidungen treffen können.
Aber es ist auch ein Planungstool. Dieselben vom RADR-Fire-System gesammelten Informationen können Versorgungsunternehmen dabei helfen, Risiken einzuschätzen, indem sie Gebiete identifizieren, die am anfälligsten für Waldbrände sind und welche Energieinfrastruktur geschützt werden muss. Sensoren an Bord vieler verschiedener Satelliten – einer davon ein experimenteller Sensor an Bord der Internationalen Raumstation – gewähren einen weiten Blick auf die Erdoberfläche.
Einige satellitengestützte Sensoren können aufzeigen, wo der Kraftstoff stark ist, wie z. B. Gebiete mit trockener, dicht gepackter Vegetation. Andere zeigen, wo gefährdete Infrastrukturen wie Übertragungsleitungen oder Kraftwerke in den Weg eines Feuers geraten. Colemans Team hat mit Feuerwehrleuten zusammengearbeitet, um dem System neue Funktionen hinzuzufügen, z. B. die Fähigkeit, zu markieren, wo feuerhemmende Tropfen gelandet sind. Während Feuerwehrleute Brände am Boden bekämpfen, liefert RADR-Fire wertvolle Informationen von oben.
Herkömmliche Brandkartierungstechniken beinhalten nächtliche Luftbildaufnahmen an Bord von Löschflugzeugen. Wildfire-Analysten verarbeiten Bilder, nachdem das Flugzeug zur Basis zurückgekehrt ist, und zeichnen die sich verschiebenden Grenzen des Feuers häufig von Hand auf der Grundlage der Luftbilder. Diese Karten helfen den Entscheidungsträgern der Brandbekämpfung, begrenzte Ressourcen zuzuweisen und das Feuer strategisch zu managen. Aber der kostspielige Prozess dauert oft Stunden, die Aussicht kann durch dicke Rauchwolken verdeckt werden, und schlechtes Wetter kann Flugzeuge am Boden lassen, die oft nicht verfügbar sind, wenn mehrere Brände Aufmerksamkeit erfordern.
RADR-Fire erledigt die Aufgabe schnell und gerechter. Wo Brandbeobachtungsflugzeuge oft den größten und gefährlichsten Bränden gewidmet sind, kann RADR-Fire kleinere Waldbrände beurteilen, die selten die Aufmerksamkeit der Flugzeuge auf sich ziehen, egal ob sie sich langsam auf Städte zubewegen oder sich durch unbewohnte Landschaften bewegen. Seine Sensoren können durch Rauch blicken und Hitze erkennen und genau anzeigen, wo und wie heiße Feuer brennen, selbst bei schlechter Sicht.
RADR-Fire ist jedoch kein Einzelpunkt-Allheilmittel. Die Kartierungsfunktion ist nur ein entscheidendes Werkzeug unter vielen, das die laufenden Bemühungen zur Bekämpfung von Waldbränden unterstützen soll. Heute verwenden Coleman und sein Team ein ähnliches Satellitennetzwerk, um saisonale, kurzfristige Prognosen des Brandrisikos mit Energieversorgern auszutauschen. Durch die Verarbeitung von Sensordaten, die sich auf die Vegetation rund um die Energieinfrastruktur konzentrieren, kartiert Coleman die „Brennstofflandschaft“ und kennzeichnet besonders wasserarme Gebiete, die reich an trockenem, feuererzeugendem Brennstoff sind.
„Diese saisonalen Vorhersagen sind wirklich eine Erweiterung unserer RADR-Fire-Arbeit“, sagte Coleman. „Im Kern geht es bei RADR-Fire um die Überwachung aktiver Waldbrände. Aber wir haben unsere Tools um die Satellitenfernerkundung erweitert, um jetzt den Zustand von Brennstoffen zu verstehen, sodass wir das aktuellste und aktuellste Bild davon erhalten, was vor sich geht.“
Colemans Team hilft Versorgungsunternehmen bei der Identifizierung anderer netzbezogener Risiken. Wenn eine Umspannstation oder ein Stromleitungskorridor von trockenem Gestrüpp umgeben ist und die Luftfeuchtigkeit niedrig ist, können sie nicht nur auf das Brandrisiko hinweisen, sondern auch auf die Auswirkungen einer regionalen Stromabschaltung. Versorgungsunternehmen müssen die Folgen von Stromausfällen für eine Vielzahl von Diensten verstehen, darunter Krankenhäuser, Einrichtungen für betreutes Wohnen, Polizeistationen, Wasseraufbereitung und -lieferung und mehr.
Feuer stoppen, bevor sie entstehen
Techniken wie Walddurchforstung und kontrolliertes Abbrennen können helfen, zukünftige Brände zu zähmen, bevor sie sich entzünden. Die Flammen hörten auf, als sie zum Beispiel Anfang des Sommers auf die Mammutbäume von Yosemite trafen – etwas, das Parkmanager kontrollierten Verbrennungen zuschreiben. PNNL-Chefwissenschaftler Mark Wigmosta hat mit dem US Forest Service (USFS) ein neues Tool entwickelt, um Regierungsbehörden dabei zu helfen, zu wissen, wo sie kontrollierte Verbrennungen durchführen oder ausdünnen müssen. In einigen Fällen reduzieren diese Ansätze die Brandgefahr um 25–96 Prozent.
Das Team konzentrierte sich auf die Region Wenatchee im US-Bundesstaat Washington, die Anspruch auf das größte Lauffeuer in der Geschichte des Staates erhebt, und arbeitete daran, herauszufinden, wie unterschiedliche Landnutzungsmuster dieses Gebiet widerstandsfähiger gegen Waldbrände und den Klimawandel machen können.
„Indem es die Natur nachahmt und Landschaften komplexer macht, hilft es zu verhindern, dass zukünftige Brände außer Kontrolle geraten“, sagte Wigmosta.
Da Waldbrände immer heftiger werden, arbeiten Forscher des Pacific Northwest National Laboratory daran, ihre Ausbreitung zu verlangsamen und ihre schädlichen Auswirkungen zu mindern. Von der Aufdeckung, wo am besten kontrollierte Verbrennungen durchgeführt werden können, bis hin zum Schutz der Energieinfrastruktur vor dem Weltraum nutzen diese Forscher die Wissenschaft, um den Waldbränden von morgen einen Schritt voraus zu sein. Bildnachweis: Sara Levine
Mit etwa 500 Millionen Morgen öffentlicher, privater, staatlicher und Stammeswälder, die vom USFS-Management unterstützt werden, war es eine Herausforderung, Prioritäten zu setzen, auf welche Bereiche diese Bemühungen mit begrenzten Ressourcen konzentriert werden sollten.
Ansätze wie der von Wigmosta bieten auch andere Vorteile, wie zum Beispiel die Reduzierung des Rauchs von zukünftigen Bränden um 33 Prozent und sogar die Verstärkung des Stromflusses um 7 bis 10 Prozent.
„Diese Informationen werden Landverwaltern dabei helfen, einen Weg nach vorne zu entwerfen, um ihre Ressourcen auf die größten Gewinne auszurichten – ob es sich um reduzierte Waldbrandemissionen, eine verbesserte langfristige Kohlenstoffbindung oder sogar einen erhöhten Stromfluss handelt“, sagte Wigmosta.
Vorhersage der Waldbrände von morgen
Viele der mit der Brandrisikokennzeichnung beauftragten Behörden verlassen sich bei der Einschätzung der Gefahr auf bekannte Brandwetterfaktoren. Wenn Sie durch einen öffentlichen Wald fahren, sehen Sie möglicherweise ein Farbrad, das die Brandgefahr anzeigt: Grün, wenn das Risiko gering ist, Rot, wenn Faktoren wie hohe Temperaturen und starker Wind auf erhöhte Gefahr hinweisen. Aber Waldbrände – und alle Variablen, die ihre Intensität bestimmen – sind komplexer als das.
Einige grundlegende Faktoren wie Temperatur und Windgeschwindigkeit können eine grobe Einschätzung des Risikos geben. Um ein robusteres und genaueres Bild des Verhaltens von Waldbränden jetzt und in Zukunft zu erhalten, müssen wir jedoch mehr berücksichtigen.
Aus diesem Grund leitete die Atmosphärenforscherin Ruby Leung ein Team von Wissenschaftlern bei der Entwicklung eines neuen Ansatzes zur Projektion des Verhaltens von Waldbränden. Ein neues Modellpaar berücksichtigt eine erweiterte Liste von 28 „Waldbrand-Prädiktoren“, die das Verhalten von Waldbränden jetzt und, wenn sie mit Modellen gepaart werden, die den Klimawandel abschätzen, mehrere Jahrzehnte in die Zukunft projizieren.
Die Trockenheit der Vegetation, die Luftfeuchtigkeit, die Anzahl der in der Nähe lebenden Menschen – diese und andere Variablen können ein vollständigeres Bild davon liefern, wie wahrscheinlich es ist, dass ein Feuer ausbricht, wie weit es brennt und wie viel Rauch es freisetzt Atmosphäre.
Das ursprüngliche Ziel der Arbeit, die in Partnerschaft mit der Environmental Protection Agency begann und durch HyperFACETS, ein vom Office of Science des Energieministeriums gesponsertes klimawissenschaftliches Projekt, weiter unterstützt wurde, war das projizieren, wie die Brandemissionen im Klima von morgen steigen und fallen, sagte Leung . Obwohl das zukünftige Brandverhalten je nach Region unterschiedlich sein wird, wird ein Anstieg der Brandemissionen prognostiziert.
„Einige Orte werden einen stärkeren Anstieg der Feueremissionen sehen, während andere weniger sehen werden“, sagte Leung. „Aber generell werden die gesamten Vereinigten Staaten in Zukunft zunehmende Brandemissionen sehen. Und das wird durch wärmere Temperaturen und zunehmende Trockenheit getrieben.“
Der neue Ansatz verwendet künstliche Intelligenz, um herauszufinden, welche Variablen für die Vorhersage von Brandflächen und Rauchniveaus am wichtigsten sind. Genauso wie ein künstlich intelligentes System Bilder von Katzen und Hunden geschickt sortieren kann, kann es auch sortieren, welche Brandvorhersagevariablen der Schlüssel für geschickte Vorhersagen sind.
Es überrascht nicht, dass Kraftstofftrockenheit und Kraftstoffbelastung die größten Beiträge leisten. Aber auch Wettermuster, die sich über Jahre entwickeln, können das Risiko erheblich erhöhen. Solche Muster werden in der konventionellen Brandverhaltensmodellierung normalerweise nicht berücksichtigt.
Die Verfolgung der Emissionswerte von Bränden sei wegen des weit verbreiteten Risikos für die menschliche Gesundheit wichtig, sagte Leung. Aber diese Bedeutung wird nur zunehmen, wenn die Feuer stärker brennen.
„Wenn wir an Umweltverschmutzung denken“, sagte Leung, „denken wir oft an Emissionen aus Autoabgasen oder aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe. Doch die Schadstoffe aus den Emissionen von Waldbränden könnten diese beiden übertreffen und in Zukunft zur größten Schadstoffquelle werden, wenn die Brandemissionen zunehmen anthropogene Emissionen werden eingedämmt.“
Wenn Forscher immer gründlichere Bilder der Waldbrände von morgen malen, werden viele davon profitieren. Versorgungsunternehmen sind besser gerüstet, um die Energieinfrastruktur vor Naturkatastrophen zu schützen, Entscheidungsträger sind besser informiert, wenn es darum geht, auf einen Klimawandel zu reagieren, und die wissenschaftliche Gemeinschaft hat ein besseres Verständnis für extreme Wetterbedingungen.