Пролеты через шлейфы дыма от лесных пожаров могут улучшить прогнозы задымления

Лесные пожары на западе США влияют не только на выгоревшие территории, но и на обширные регионы, покрытые дымом. В последние годы задымленное небо и опасное качество воздуха стали обычными чертами погоды в конце лета.

Многие факторы приводят к тому, что пожары на западе становятся крупнее и генерируют более обширные и долгоживущие шлейфы дыма, способные растягиваться через весь континент. Анализ, проведенный под руководством Вашингтонского университета, рассматривает наиболее детальные на сегодняшний день наблюдения изнутри шлейфов дыма от пожаров на Западном побережье.

Межведомственная команда отслеживала и пролетала через шлейфы дыма от источника, чтобы собрать данные о том, как химический состав дыма меняется со временем. В результате в статье, опубликованной 2 ноября в Proceedings of the National Academy of Sciences, показано, что прогнозы задымления могут значительно занижать количество частиц в более старом дыме.

Новые результаты могут удвоить оценку содержания частиц в старом дыме, что может стать разницей между «умеренным» и «нездоровым» качеством воздуха в регионах, расположенных ниже по ветру от пожара.

«Лесные пожары становятся крупнее и чаще, а дым — более важным вкладом в общее загрязнение воздуха, — сказал ведущий автор Джоэл Торнтон, профессор атмосферных наук UW. — Мы действительно нацелились на шлейфы дыма близко к источнику, чтобы лучше понять, что выбрасывается и как это может трансформироваться по мере движения вниз по ветру».

Знание того, как свежеобразованный дым от лесных пожаров переходит в старый, рассеянный дым, может привести к улучшению прогнозов качества воздуха. Сообщества могут использовать эти прогнозы для подготовки, перенося мероприятия на улице в помещение или меняя их расписание, когда воздух будет небезопасен, а также ограничивая другие загрязняющие виды деятельности, такие как сжигание древесины.

«Есть два аспекта, которые входят в прогнозы задымления, — сказал первый автор Бретт Палм, постдокторант UW в области атмосферных наук. — Первый — это просто куда пойдет шлейф дыма, на основе динамики движения воздуха в атмосфере. Но другой вопрос: сколько дыма будет транспортировано — насколько далеко вниз по ветру качество воздуха будет плохим? Вот на этот вопрос наша работа помогает ответить».

Мультиинституциональная команда измеряла эти реакции, пролетая через шлейфы дыма в июле и августе 2018 года в рамках WE-CAN (Western Wildfire Experiment for Cloud Chemistry, Aerosol Absorption and Nitrogen), полевой кампании под руководством Университета штата Колорадо.

Исследовательские полеты из Бойсе, Айдахо, использовали самолет C-130 для наблюдения за дымом. Исследование включало пролеты через уровни в 2000 микрограммов на кубический метр, что примерно в семь раз хуже, чем самый загрязненный воздух в Сиэтле этим летом. Уплотнения на самолете поддерживали воздух внутри намного чище, хотя, по словам исследователей, это было похоже на полет сквозь дым от костра.

«Мы пытались найти хороший, организованный шлейф, где могли бы начать как можно ближе к пожару, — сказал Палм. — Затем, используя скорость ветра, мы пытались отобрать пробы того же воздуха при последующих пересечениях шлейфа по мере его движения вниз по ветру».

Анализ в новой статье был сосредоточен на девяти четко определенных шлейфах дыма, образованных пожаром Тейлор-Крик на юго-западе Орегона, пожаром Беар-Трап в Юте, пожаром Голдстоун в Монтане, пожаром Саут-Шугарлоф в Неваде и пожарами Шарпс, Кива, Бивер-Крик и Раббит-Фут в Айдахо.

«Вы не можете по-настоящему воспроизвести крупные лесные пожары в лаборатории, — сказал Палм. — В целом, мы пытались отобрать пробы дыма по мере его старения, чтобы исследовать происходящие химические и физические превращения».

Исследователи обнаружили, что один класс выбросов от пожаров, фенолы, составляет лишь 4% сгоревшего материала, но около трети поглощающих свет молекул «бурого углерода» в свежем дыме. Они нашли свидетельства сложных превращений внутри шлейфа: пары конденсируются в частицы, но в то же время и почти с той же скоростью компоненты частиц испаряются обратно в газы. Баланс определяет, сколько твердых частиц сохранится, а следовательно, и качество воздуха по мере движения шлейфа вниз по ветру.

«Один из интересных аспектов — это демонстрация того, насколько динамичен дым, — сказал Палм. — Из-за конкурирующих процессов предыдущие измерения создавали впечатление, что ничего не меняется. Но с нашими измерениями мы смогли действительно 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 реагировать с окружающими газами в атмосфере.

«Когда шлейфы дыма свежие, они почти как низкотемпературное продолжение пожара, потому что в первые несколько часов происходит так много химической активности», — сказал Торнтон.

Понимание состава дыма также может улучшить прогнозы погоды, поскольку дым охлаждает воздух под собой и может даже изменять ветровые режимы. «В Сиэтле есть мнение, что дым изменил погоду, — сказал Торнтон. — Подобные обратные связи между дымом и солнечным светом действительно интересны для будущих исследований».