Il laboratorio volante DC-8 della NASA ha preso il volo lunedì per dare il via a un'indagine di due mesi sui cicli di vita del fumo degli incendi negli Stati Uniti. L'obiettivo è comprendere meglio l'impatto del fumo sul tempo e sul clima e fornire informazioni che porteranno a una migliore previsione della qualità dell'aria.

Una campagna congiunta guidata dalla NASA e dalla National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), Fire Influence on Regional to Global Environments and Air Quality (FIREX-AQ) si rivolge ad ampie domande sulle proprietà chimiche e fisiche del fumo di fuoco, come viene misurato e come cambia dal momento della combustione al suo destino finale centinaia o migliaia di miglia sottovento. Tutto ciò ha implicazioni per la salute pubblica.

"In definitiva, il nostro obiettivo è comprendere meglio le complesse interazioni fumo-atmosfera per migliorare i modelli per le previsioni sulla qualità dell'aria, portando a una maggiore precisione e una notifica più rapida, che sono fondamentali per le comunità sottovento agli incendi, ", ha affermato il co-investigatore di FIREX-AQ Barry Lefer, responsabile del programma di composizione troposferica presso la sede della NASA a Washington. "Questo scopo comune è ciò che ha unito le nostre agenzie diversi anni fa, quando abbiamo iniziato a pianificare questo grande sforzo".

"Abbiamo messo insieme un eccezionale team di scienziati che utilizzeranno la suite di strumenti e modelli più sofisticati mai assemblati per esaminare la natura degli incendi e del fumo, "ha detto David Fahey, direttore della divisione di scienze chimiche della NOAA. "La nostra lunga collaborazione con la NASA ci ha portato letteralmente in giro per il pianeta e ha prodotto troppe importanti scoperte scientifiche da contare. Mi aspetto che questo non sarà diverso".

La prima fase della campagna è incentrata sull'osservazione del fumo degli incendi negli Stati Uniti occidentali. Dotato di strumenti di telerilevamento e in situ all'avanguardia, diversi velivoli con base a Boise, Idaho, lavoreranno all'unisono per campionare i pennacchi di fumo e la loro chimica mutevole insieme alle dinamiche meteorologiche, tracciare i pennacchi dalla combustione a destinazioni spesso a diversi stati di distanza.

Il laboratorio volante DC-8 della NASA, un cavallo di battaglia scientifico che viaggia a lunga distanza, sarà affiancato da due NOAA Twin Otters. Anche l'aereo ER-2 della NASA che raggiungerà la stratosfera volerà fuori dall'Armstrong Flight Research Center di Palmdale, California.

A metà agosto, la base operativa si sposterà a Salina, Kansas, con voli diretti al fumo degli incendi agricoli nel sud-est degli Stati Uniti. Ci sono centinaia di questi incendi ogni anno e sono situati vicino ai centri abitati, ma la loro piccola dimensione rispetto alla capacità di osservazione satellitare significa che spesso non vengono rilevati dai satelliti che forniscono la base per molte stime degli importi delle emissioni di fumo. Le osservazioni dei velivoli sono anche fondamentali per comprendere la dinamica dei pennacchi su piccola scala e il loro impatto scientifico.

Le previsioni del fumo si basano su diversi modelli di previsione che utilizzano come input il satellite e altri dati, come la quantità di superficie bruciata negli incendi agricoli. I satelliti NASA e NOAA forniscono informazioni, come il tipo di carburante, intensità del fuoco e bruciare l'area della cicatrice, insieme al vento, temperatura e altre variabili meteorologiche, che alimentano modelli che prevedono la quantità di fumo, direzione e velocità.

La chimica del fumo inizia con il tipo di carburante, se foreste di pini, boschi di querce o cespugli di salvia. Oltre a gas come anidride carbonica e monossido di carbonio, la combustione rilascerà diversi tipi e quantità di gas di breve durata chiamati composti organici volatili (COV), che si combinano con altri gas e la luce solare per produrre ozono a livello del suolo, un gas dannoso per l'uomo e dannoso per i raccolti. Oltre al tipo di carburante, la temperatura dell'ustione influisce anche sulla chimica risultante; generalmente, più fresco, gli incendi senza fiamma producono più COV, monossido di carbonio e particolato, tutte dannose per la salute umana. più caldo, gli incendi ardenti producono meno COV, monossido di carbonio e particolato totale, ma più carbonio nero, un materiale aerosol con conseguenze negative per la salute e un ulteriore potenziale di riscaldamento del clima.

"Ciò che sta bruciando è importante, ma come sta bruciando conta forse anche di più, "ha detto Carsten Warneke, Università del Colorado e scienziato della missione NOAA per FIREX-AQ. Nel 2016, lui e i suoi colleghi della NOAA hanno bruciato combustibili diversi a temperature variabili nel laboratorio Missoula Fire Science per ottenere una comprensione più dettagliata di questi fattori. "Ora, con questa campagna, stiamo portando la nostra comprensione dal laboratorio al fumo di grandi incendi che si verificano nel campo in cui le dinamiche atmosferiche cambiano notevolmente nel tempo e nella distanza. Da qui, possiamo continuare il nostro lavoro per migliorare i modelli".

Risolvere queste incertezze nella chimica del carburante gioca anche in un'altra area di interesse per la campagna:l'altezza di iniezione del pennacchio. Le altezze di iniezione del pennacchio dipendono da una complessa interazione della dinamica del fuoco con le condizioni meteorologiche e la geografia circostanti.

Fuochi più freddi, che più spesso si verificano di notte, iniettare fumo basso nell'atmosfera, dove rappresenta un rischio per la salute delle comunità sottovento. Gli incendi più caldi inietteranno fumo ad altitudini più elevate, dove può viaggiare più lontano lateralmente ma è più probabile che rimanga lontano dalle aree popolate.

Data l'importanza dei loro dati per i modelli di previsione, diversi satelliti vengono utilizzati per recuperare le altezze di iniezione del pennacchio. Alcuni satelliti con strumenti lidar potrebbero essere utilizzati per misurare direttamente l'altezza di iniezione, ma questi satelliti non osservano molto frequentemente gli incendi. Strumenti a infrarossi su altri satelliti vengono utilizzati per ricavare una misura dell'intensità del fuoco, che a sua volta viene utilizzato per stimare l'altezza di iniezione e la quantità di fumo emesso, ma le nuvole e altre coperture di fumo spesso ostacolano il rilevamento.

L'aereo sta osservando direttamente le altezze di iniezione del pennacchio e le confronterà con altre misurazioni dirette come la potenza radiativa del fuoco, chimica del fumo e condizioni atmosferiche a diverse altitudini. Ciò fornirà una comprensione più chiara dell'altezza del pennacchio in funzione della chimica e di altri fattori come il tempo. "Stiamo crescendo il compendio di osservazioni che possono darci fiducia che, quando stimiamo l'aumento del pennacchio per motivi di previsione del fumo, creeremo un modello più accurato che porterà a migliori previsioni sulla qualità dell'aria, " ha detto Jim Crawford della NASA Langley, FIREX-AQ Scienziato della missione NASA.

Il miglioramento a lungo termine delle previsioni sulla qualità dell'aria è uno degli obiettivi principali della campagna, ma FIREX-AQ affronterà anche gli impatti più ampi del fumo sul tempo e sul clima. Per esempio, le particelle di fumo possono agire per aiutare ad avviare le nuvole. Il fumo influenza anche la quantità di luce solare che le nuvole riflettono nell'atmosfera. Le proprietà ottiche delle particelle di fumo - quanta luce assorbe e disperde il fumo - dipende dalle loro dimensioni e composizione e determina i loro effetti climatici.

FIREX-AQ aiuterà ad affrontare una delle maggiori incertezze sulle emissioni degli incendi, vale a dire i materiali responsabili dell'assorbimento della luce nel fumo. Tradizionalmente, tutto l'assorbimento della luce è stato attribuito al black carbon. Il ricercatore NOAA Joshua Schwarz è concentrato sul supporto di questi aspetti della missione rilevanti per l'aerosol.

"Negli ultimi anni, è stato riconosciuto il carbonio non nero, specie di aerosol che assorbono la luce come il carbone marrone, " ha detto Schwarz, che è uno scienziato co-missione per FIREX-AQ. "La combustione della biomassa è una delle principali fonti di carbonio marrone, e questa è un'opportunità davvero entusiasmante in FIREX-AQ perché abbiamo la strumentazione necessaria per rispondere alla domanda sul carbonio marrone fuoco-fumo e su come cambia nell'atmosfera".

I miglioramenti apportati da FIREX-AQ alla comprensione dei recuperi satellitari delle proprietà degli aerosol sul Nord America miglioreranno anche il valore di tali osservazioni su altre aree del globo. "Se possiamo migliorare la nostra comprensione delle emissioni degli incendi in Nord America, aiuteremo a fare un grande passo avanti sull'impatto globale netto sul clima della combustione della biomassa".