Определение интенсивности лесных пожаров по люминесценции кварца

8 июня 2020 года пожар «Мангум» начался в 25 км к северу от Северного края национального парка Гранд-Каньон. К моменту его локализации, примерно месяц спустя, огонь охватил более 280 км² территории. Аспирантка Университета штата Юта Эйприл Финни немедленно приступила к созданию карты интенсивности пожара на основе данных дистанционного зондирования, а через шесть месяцев собрала образцы почвы на выгоревшей территории, надеясь обнаружить в них зерна кварца.

Исследование стало основой для доклада научного руководителя Финни, Тэмми Риттенур, на ежегодном собрании Геологического общества Америки GSA Connects 2023. Ученые сосредоточились на свойстве кварца люминесцировать (испускать свет). При воздействии ионизирующего излучения некоторые атомы в минерале высвобождают электроны. В кварце структурные дефекты кристалла (например, замещение атома кремния титаном или натрием) создают «ловушки», которые могут удерживать такие электроны миллионы лет — до тех пор, пока кристалл не подвергнется нагреву или воздействию света, что высвобождает электрон и вызывает люминесценцию, «обнуляя» ее сигнал.

Обычно метод люминесцентного датирования определяет время последнего воздействия света или тепла на минерал. В этом же исследовании, где возраст пожара был известен, ученые использовали измерение чувствительности люминесценции (количество света на единицу дозы радиации), чтобы выявить зерна кварца, подвергшиеся повышенному нагреву от пожара, который усиливает люминесцентные свойства. Финни впервые провела полевую проверку гипотезы о связи интенсивности пожара и силы люминесценции.

Она собрала образцы почвы внутри периметра пожара в зонах разной степени выгорания, а также контрольные образцы за пределами пожара, на территориях, не горевших как минимум 70 лет. Результаты показали, что образцы из зоны пожара люминесцируют сильнее контрольных. Разница между зонами разной интенсивности также очевидна: образцы из зон сильного пожара светятся до вдвое ярче, чем из зон средней интенсивности. Это доказывает, что интенсивность пожара фиксируется в величине сигнала люминесценции кварца.

Таким образом, интенсивность люминесценции кварца в поверхностных почвах служит индикатором воздействия огня в прошлом. Карты интенсивности пожаров существуют только для недавних событий, а метод люминесценции кварца позволяет заглянуть в прошлое на до двух миллионов лет. Эти данные можно использовать как прокси для реконструкции пожарных режимов — характеристик частоты и интенсивности природных пожаров в конкретной экосистеме на длительных временных интервалах. Понимание этих закономерностей критически важно для прогнозирования современных и будущих пожарных режимов, что имеет серьезные последствия для картографирования опасностей и разработки стратегий смягчения их последствий на юго-западе США.