Api mulai naik. Mike Heck melompat mundur. Sulur-sulur menjilat ke atas, bergoyang karena angin, lalu menyatu menjadi pusaran api, tornado pijar yang berwarna oranye dan merah. “Ini dia!” Kata seorang penonton. Peluit lain takjub.
Tapi tidak ada yang peduli. Heck mengatur api sengaja, menyalakan panci berisi cairan di lantai ruangan yang dilapisi dengan blok beton untuk menahan api. Penutup hisap di atas kepala mencegah asap mengepul ke ruang kelas terdekat.
Atasan Heck, ilmuwan kebakaran Michael Gollner dari University of Maryland di College Park, secara teratur menyulap pilar api seperti itu, yang dikenal sebagai pusaran api, di laboratoriumnya. (Gollner dan rekannya mengeksplorasi ilmu tentang fenomena ini dalam Tinjauan Tahunan Mekanika Fluida 2018.) Dari mereka, dan dari eksperimen berapi-api lainnya, ia bertujuan untuk mempelajari bagaimana api meningkat dan menyebar ketika kota dan lanskap terbakar. Tujuan Gollner adalah untuk lebih memahami apa yang mendorong api untuk melompat dari rumah ke rumah dan dari pohon ke pohon.
Mengumpulkan wawasan baru tentang perilaku api menjadi semakin mendesak karena kebakaran hutan menjadi lebih ekstrem, khususnya di Amerika Utara bagian barat. Dimulai pada pertengahan 1980-an, kebakaran hutan besar tiba-tiba menjadi jauh lebih umum di hutan AS bagian barat, terutama di Pegunungan Rocky bagian utara. Baru-baru ini, hutan di Pasifik Barat Laut telah mengalami peningkatan terbesar dalam ukuran kebakaran, dengan peningkatan hampir 5.000 persen pada area terbakar dari 2003 hingga 2012 dibandingkan dengan rata-rata 1973–1982. Secara nasional, luas rata-rata yang terbakar di tahun-tahun sejak tahun 2000 hampir dua kali lipat rata-rata tahunan untuk tahun 1990-an.
Dan hanya dalam dua tahun terakhir, beberapa neraka mematikan telah membakar bagian-bagian California. Lebih dari 5.600 bangunan terbakar ke tanah di dalam dan sekitar Santa Rosa pada Oktober 2017. Juli lalu di Redding, gumpalan udara dan abu yang menjulang tinggi memunculkan “firenado” berputar seperti yang ada di lab Gollner — tetapi jauh lebih besar, dan cukup ganas. untuk membunuh petugas pemadam kebakaran. Pada bulan yang sama, api membakar areal luas di Mendocino dan tiga kabupaten lainnya. Empat bulan kemudian, 85 orang meninggal di Kamp Api di Firdaus, banyak dari mereka yang dibakar ketika mencoba melarikan diri dari kobaran api di mobil mereka.
Tokoh Pemecah Rekor
Semua mengatakan, kebakaran negara baru-baru ini mencatat rekor kebakaran hutan terbesar, paling mematikan dan paling merusak di California. "Alam telah memberikan urutan kejadian yang menakjubkan, masing-masing melebihi yang sebelumnya, " kata Janice Coen, seorang ilmuwan atmosfer yang mempelajari kebakaran hutan di Pusat Penelitian Atmosfer Nasional di Boulder, Colorado. Dia dan yang lainnya mendapati diri mereka bertanya: “Apakah ini berbeda dari masa lalu? Apa yang terjadi di sini?"
Jumlah total semua kebakaran hutan AS menunjukkan peningkatan secara keseluruhan selama beberapa dekade terakhir, meskipun ada banyak variabilitas tahun ke tahun. Total hektar yang terbakar dalam kebakaran hutan itu menunjukkan tren kenaikan yang serupa, jika sedikit lebih dramatis. Studi yang berfokus pada kebakaran hutan di bagian barat AS menunjukkan peningkatan yang jelas dalam beberapa tahun terakhir dalam jumlah kebakaran besar. (Pusat Koordinasi Antar Lembaga Nasional / Majalah yang Dapat Dikenal) Banyak faktor yang mendorong ekspansi kehancuran api yang belum pernah terjadi sebelumnya. Puluhan tahun memadamkan api secara refleksif segera setelah dinyalakan memungkinkan akumulasi semak dan pohon yang memicu kebakaran di area yang tidak terbakar. Perubahan iklim membawa suhu yang lebih hangat, lebih sedikit hujan dan salju, dan lebih banyak peluang bahan bakar mengering dan terbakar. (Perubahan iklim yang disebabkan oleh manusia telah disalahkan karena hampir menggandakan wilayah hutan yang terbakar di Amerika Serikat bagian barat sejak tahun 1984). Sementara itu, lebih banyak orang yang pindah ke daerah hutan, meningkatkan kemungkinan seseorang akan menyalakan api atau berada dalam bahaya ketika seseorang mulai tumbuh.
Coen dan ilmuwan lain memanfaatkan fisika untuk membantu mengungkapkan apa yang menyebabkan nyala api biasa meningkat menjadi megafire epik. Untuk melakukan ini, beberapa peneliti berkendara ke tepi api unggun, mencari tahu rahasia mereka dengan laser dan peralatan radar yang dapat melihat melalui awan asap yang mengepul. Yang lain telah mengembangkan model-model mutakhir yang menggambarkan bagaimana api berkobar melintasi bentang alam, didorong bukan hanya oleh bahan bakar dan medan tetapi juga oleh bagaimana api dan atmosfer saling memberi makan satu sama lain. Dan yang lain lagi, seperti Gollner, sedang merancang eksperimen laboratorium untuk mencari tahu mengapa satu rumah bisa menyala sementara tetangganya tetap tidak terluka.
Temuan semacam itu dapat menunjukkan bagaimana orang dapat mempersiapkan diri lebih baik untuk masa depan dengan kebakaran hutan yang lebih intens, dan mungkin bagaimana petugas pemadam kebakaran dapat memerangi mereka dengan lebih efektif.
Cuaca Api
Ketika berbicara tentang mengatasi kobaran api, "ada banyak ketergantungan pada apa yang orang pernah lihat tentang kebakaran di masa lalu, " kata Neil Lareau, seorang ahli meteorologi di Universitas Nevada, Reno. "Pengalaman mendalam pribadi itu benar-benar berharga, tetapi itu hancur ketika atmosfer memasuki apa yang saya sebut mode outlier - ketika Anda akan menyaksikan sesuatu yang belum pernah Anda lihat sebelumnya."
Jadi Lareau bekerja untuk mengumpulkan informasi tentang kebakaran saat kebakaran itu terjadi, berharap suatu hari dapat memberikan peringatan khusus bagi petugas pemadam kebakaran saat mereka memerangi api. Dia memahami bahaya lebih daripada banyak peneliti akademis: Dia menghabiskan tiga musim panas berusaha untuk mendekati kebakaran hutan sebisa mungkin, sebagai bagian dari tim peneliti meteorologi api terkenal yang dipimpin oleh Craig Clements dari San Jose State University di California.
Seperti pemburu badai yang menguntit tornado di dataran Midwest, pemburu api harus siap untuk apa pun. Mereka menjalani pelatihan pemadam kebakaran, belajar bagaimana mengantisipasi di mana garis api mungkin bergerak dan bagaimana menempatkan tempat penampungan api dalam keadaan darurat. Mereka mendaftar dengan sistem manajemen darurat federal sehingga mereka dapat secara resmi diundang ke daerah-daerah di mana masyarakat tidak bisa pergi. Dan mereka bepergian dengan mesin pemindai laser yang canggih di belakang salah satu truk mereka untuk menembus abu dan asap yang membumbung dari api yang aktif.
"Hanya dengan menunjukkan laser pada benda-benda, kami mulai melihat hal-hal yang belum pernah didokumentasikan orang di masa lalu, " kata Lareau. Penemuan-penemuan awal termasuk mengapa gumpalan api menyebar ketika naik sementara udara berasap didorong keluar dan udara jernih terlipat ke dalam, dan bagaimana kolom udara yang berputar dapat terbentuk di dalam gumpalan. "Ada lingkungan yang menakjubkan di mana api dan proses atmosfer berinteraksi satu sama lain, " katanya.
Awan Pyrocumulonimbus membentuk dan memberi makan panas yang naik dari api liar atau letusan gunung berapi. Saat kepulan asap naik, asap itu mendingin dan mengembang, memungkinkan uap air di atmosfer mengembun menjadi awan yang bisa menciptakan kilat atau bahkan firenadoes — pada dasarnya badai yang lahir dari api. (Biro Meteorologi, Australia / Majalah Dapat Dikenal) Salah satu contoh paling dramatis dari "cuaca api" adalah awan seperti badai yang dapat muncul tinggi di atas api. Disebut awan pyrocumulonimbus, mereka terbentuk ketika ada kelembaban yang relatif tinggi di atmosfer. Gumpalan abu dan udara panas naik dengan cepat dari api, mengembang dan mendingin saat semakin tinggi. Pada titik tertentu, biasanya setinggi sekitar 15.000 kaki, cukup dingin sehingga uap air di udara mengembun menjadi awan. Kondensasi melepaskan lebih banyak panas ke bulu-bulu, menghidupkannya kembali dan menghasilkan awan putih terang yang dapat menjulang hingga 40.000 kaki.
Di bawah pangkalan awan, udara dapat melaju ke atas dengan kecepatan mendekati 130 mil per jam, didorong oleh konveksi dalam bulu-bulu, demikian temuan tim Negara Bagian San Jose. Semakin banyak api tumbuh, semakin banyak udara yang ditarik ke dalam updraft, mengintensifkan seluruh kebakaran. Dan dalam kasus yang jarang terjadi, ia bahkan dapat menyebabkan tornado yang menyala di bawah.
Kelahiran Tornado yang Berapi-api
Lareau menyaksikan wujud api unggun hampir secara real time selama kebakaran Carr, dekat Redding, pada Juli 2018. Dalam kasus ini dia tidak berada di dekatnya dengan laser di truknya, tetapi duduk di depan komputer sambil melihat data radar. Radar cuaca, seperti yang digunakan untuk ramalan lokal Anda, dapat melacak kecepatan partikel kecil seperti abu yang bergerak di udara. Ketika api Carr berkembang, Lareau mengambil data radar dari pangkalan militer hampir 90 mil dari api yang sedang tumbuh. Dengan mengamati bagaimana abu bergerak berlawanan arah pada tingkat berbeda di atmosfer, ia dapat melihat bagaimana rotasi atmosfer di dalam bulu-bulu itu menyusut dan meningkat. Seperti skater-skater yang menarik lengan mereka selama putaran, putaran berkontraksi dan mempercepat untuk membentuk pusaran yang koheren — sebuah tornado yang tertanam dalam bulu abu yang lebih besar.
Ini hanya contoh kedua yang diketahui, setelah badai api tahun 2003 di Australia, dari tornado yang terbentuk karena awan pyrocumulonimbus, Lareau dan rekannya menulis pada bulan Desember di Geophysical Research Letters . Api memberikan panas awal yang menghasilkan awan, yang kemudian menghasilkan tornado. "Dinamika yang menyebabkan keruntuhan rotasi tidak hanya didorong oleh api, mereka juga didorong oleh awan itu sendiri, " kata Lareau. "Itu benar-benar apa yang berbeda dari kasus ini, dibandingkan dengan pusaran api varietas kebunmu yang lebih banyak."
Bayangkan angin puting beliung di tengah-tengah kebakaran, dan mudah untuk melihat mengapa api Carr begitu dahsyat. Dengan kecepatan angin yang melampaui 140 mil per jam, tornado api merobohkan menara listrik, melilitkan pipa baja di sekitar tiang listrik dan menewaskan empat orang.
Awan pyrocumulonimbus ini meraung di atas api Willow di dekat Payson, Arizona, pada tahun 2004. Di bawah ini adalah asap gumpalan gelap; di atas adalah awan putih yang mengejutkan dari tetesan air yang terkondensasi. (Eric Neitzel / Wikimedia Commons) Langkah Selanjutnya Memprediksi Api
Kehancuran seperti itulah yang mendorong Coen untuk membuat model kebakaran hutan. Dia tumbuh di luar Pittsburgh, putri seorang petugas pemadam kebakaran, dan kemudian menjadi terpesona oleh bagaimana angin, pusaran dan sirkulasi atmosfer lainnya membantu mendorong penyebaran api. Bergantung pada bagaimana udara mengalir melintasi lanskap, api dapat bergeser di tempat ia bergerak — mungkin membelah menjadi dua bagian dan kemudian bergabung kembali, atau memunculkan pusaran kecil atau pusaran di sepanjang garis api. "Rimbawan berpikir tentang kebakaran sebagai bahan bakar dan medan, " kata Coen. "Bagi kami, sebagai ahli meteorologi, kami melihat banyak fenomena yang kami kenali."
Pada 1980-an dan 1990-an, ahli meteorologi mulai menghubungkan model-model cuaca, yang menggambarkan bagaimana udara mengalir di atas medan yang kompleks, dengan yang memprediksi perilaku api. Salah satu sistem seperti itu, model komputer yang dikembangkan di Missoula Fire Sciences Laboratory di Montana, AS sekarang secara teratur digunakan oleh lembaga-lembaga federal untuk memperkirakan di mana kebakaran akan tumbuh.
Coen melangkah lebih jauh dan mengembangkan model atmosfer-dan-api bersama yang menggabungkan aliran udara. Sebagai contoh, ini dapat mensimulasikan lebih baik bagaimana angin bertiup dan menerobos puncak di medan yang curam.
Modelnya menjadi sangat nyata pada 8 November 2018, ketika dia dijadwalkan untuk memberikan ceramah, "Memahami dan Memprediksi Kebakaran Hutan, " di Universitas Stanford. Malam sebelumnya, saat mengerjakan presentasinya, dia melihat laporan bahwa Perusahaan Gas dan Listrik Pasifik sedang mempertimbangkan untuk mematikan peralatan di bagian kaki bukit Sierra Nevada karena angin kencang diperkirakan.
Pagi berikutnya dia pergi ke simposium tetapi duduk di belakang mencari di Internet dan mendengarkan feed radio darurat. Ketika rekan-rekan bicara, dia mengikuti lalu lintas pemindai, mendengar bahwa api telah menyala di California Utara dan menyebar dengan cepat ke kota Paradise. "Saat itulah saya harus memulai presentasi saya, " katanya. “Saya bisa tahu dari angin, seberapa parah evakuasi itu terjadi, bahwa itu akan menjadi peristiwa yang mengerikan. Tetapi pada saat itu kami tidak tahu itu akan menjadi yang paling mematikan dalam sejarah California. "
Angin kencang yang dia dengar ternyata sangat penting untuk bagaimana api menyebar dan menelan Firdaus. Angin lereng yang kuat mendorong kobaran api ke kota yang berhutan lebat. Itu sepenuhnya dapat diprediksi sesuai dengan fisika dalam modelnya, Coen mengatakan: "Banyak hal aneh masuk akal setelah Anda melihat sirkulasi skala halus ini."
Contoh lain adalah kebakaran Tubbs yang menghancurkan Santa Rosa pada Oktober 2017, menderu sepanjang 12 mil hanya dalam waktu tiga jam. Model Coen mengeksplorasi bagaimana aliran udara yang dikenal sebagai angin Diablo bergerak melintasi lanskap. Ternyata lapisan udara stabil meluncur dengan cepat di atas topografi kompleks di atas Santa Rosa. Di mana ia menghantam lereng gunung, itu menghasilkan semburan angin kecepatan tinggi. Anehnya, angin yang bertiup tidak datang dari puncak tertinggi, tetapi lebih dari satu set puncak yang lebih kecil yang melawan arah angin. Lokasi beberapa dari semburan angin itu, yang mencapai hingga 90 mil per jam menurut modelnya, sesuai dengan tempat api dinyalakan — mungkin karena kegagalan peralatan listrik. Coen menggambarkan pekerjaan di Washington, DC, pada bulan Desember di sebuah pertemuan American Geophysical Union.
Model Coen juga membantu menjelaskan kebakaran Lembah Redwood, yang dimulai pada badai angin yang sama dengan kebakaran Tubbs. (Empat belas kebakaran terpisah meletus di California Utara dalam rentang 48 jam, ketika sistem cuaca bertekanan tinggi mengirim angin Diablo mengalir deras ke lepas pantai.) Tetapi dalam kasus ini ada celah selebar tujuh mil di gunung-gunung tempat angin bertiup. mampu menerobos, menekan dan mempercepat. Itu seperti satu sungai sempit angin - yang akan sulit dikenali dengan ramalan cuaca tradisional atau api, kata Coen. "Jika Anda melihat data cuaca dan melihat situasi yang satu ini tidak biasa dibandingkan dengan yang lain, pikiran Anda akan cenderung mengabaikannya, " katanya.
Tapi peramal perlu memperhatikan blip pembacaan angin berkecepatan tinggi. Mereka bisa memberi isyarat bahwa sesuatu yang sangat lokal — dan sangat berbahaya — sedang terjadi.
Dari Spark ke Combustion
Para peneliti seperti Coen melacak penyebaran perimeter api untuk memprediksi di mana garis api aktif mungkin bergerak. Tetapi fisika juga dapat membantu para ilmuwan lebih memahami jenis api lain yang menyebar: apa yang terjadi ketika angin menangkap bara api dan menerbangkannya bermil-mil di depan api unggun. Ketika mereka mendarat, bara api itu kadang-kadang bisa membara di tempat selama berjam-jam sebelum memicu tumpukan daun, dek atau sesuatu yang mudah terbakar. Itu masalah besar bagi petugas pemadam kebakaran yang berusaha mencari tahu di mana harus mengerahkan sumber daya mereka — apakah akan tetap berada di jalur pemadam kebakaran utama atau untuk mengejar di mana mereka pikir titik api mungkin menyala.
Untuk menjawab pertanyaan ini, kembali ke Universitas Maryland Gollner telah mengerjakan fisika skala kecil dari apa yang diperlukan untuk menyalakan bara. Laboratoriumnya ada di Departemen Teknik Perlindungan Kebakaran, dan sepertinya bagian itu. Korek api butana mengisi laci. Sekotak jerami pinus diletakkan di atas rak. Sarung tangan pelindung api tebal terletak di atas bangku. Udara berbau agak tajam, seperti bau api yang baru saja padam.
Di sepanjang satu dinding lab, di bawah tudung ventilasi besar, Gollner memamerkan alat logam yang sedikit lebih rata dan lebih lebar dari kotak sepatu. Di sinilah ia menciptakan bara dengan menyalakan sepotong kayu berbentuk gabus dan memasukkannya ke dalam kotak. Kipas angin bertiup sepoi-sepoi terus-menerus di atas api unggun yang membara, sementara instrumen di bawah kotak mengukur suhu dan aliran panas permukaan tempat duduknya. Dengan perangkat ini Gollner dapat mempelajari apa yang diperlukan bara api untuk menghasilkan panas yang cukup untuk memulai kebakaran gedung. "Banyak penelitian telah dilakukan di hamparan rumput dan hal-hal baik, " katanya. "Kami ingin mengerti, bagaimana cara menyalakan dek Anda, atap Anda atau struktur Anda?"
Ternyata bara tunggal, atau segelintir bara, tidak dapat membangun panas sebanyak itu jika mendarat di atas material seperti dek atau atap. Tetapi memasukkan satu atau dua lusin bara ke dalam perangkat Gollner dan fluks panas naik secara dramatis, ia dan rekan-rekannya melaporkan dalam March Fire Safety Journal . "Anda mulai memiliki radiasi ulang di antara mereka, " katanya. "Itu bersinar, di bawah angin - itu indah."
Ilmuwan api Universitas Maryland Michael Gollner mendemonstrasikan sebuah alat yang menguji bagaimana api menyebar pada sudut yang berbeda. Ketika dia menaikkan permukaan kunci kontak dari horisontal ke miring, api bereaksi berbeda — informasi yang bisa digunakan petugas pemadam kebakaran saat memerangi kebakaran yang sedang tumbuh. (Alexandra Witze) Hanya setumpuk bara kecil yang dapat menghasilkan sekitar 40 kali panas yang Anda rasakan dari matahari pada hari yang panas. Itu sama panasnya, dan terkadang lebih banyak, karena berasal dari api itu sendiri. Ini juga cukup untuk menyalakan sebagian besar bahan, seperti kayu geladak.
Jadi, jika ada banyak bara yang terbang di depan api, tetapi bara api itu mendarat relatif jauh satu sama lain, mereka mungkin tidak membangun panas radiasi yang dibutuhkan untuk menghasilkan api tempat. Tetapi jika bara api menumpuk, mungkin ditiup angin ke celah dek, mereka bisa membara bersama dan kemudian memicu kunci kontak, kata Gollner. Sebagian besar rumah yang terbakar di antarmuka hutan-kota terbakar dari bara api ini, sering beberapa jam setelah kebakaran itu sendiri berlalu.
Memahami fluks panas pada skala kecil ini dapat menjelaskan mengapa beberapa rumah terbakar sementara yang lain tidak. Selama kebakaran Tubbs, rumah-rumah di satu sisi beberapa jalan hancur sementara yang di sisi lain hampir tidak ada kerusakan. Itu mungkin karena rumah pertama yang menyalakan energi radiasi ke tetangganya, yang kemudian membakar rumah-rumah tetangga seperti kartu domino karena panas radiasi. Ketika rumah-rumah saling berdekatan, hanya ada begitu banyak pemilik rumah yang bisa lakukan untuk mengurangi bahaya dengan membersihkan sikat dan bahan yang mudah terbakar di sekitar rumah.
Mengontrol Binatang
Gollner — seorang penduduk asli California yang tumbuh dewasa yang mengungsi dari kebakaran hutan — sekarang bekerja pada aspek-aspek lain dari penyebaran api, seperti apa yang diperlukan agar sebatang vegetasi yang menyala untuk terputus dalam angin kencang dan membakar semak-semak lain di bawah angin. Dia sedang mempelajari pusaran api untuk melihat apakah mereka dapat digunakan untuk membakar irisan minyak di laut, karena pusaran membakar minyak lebih cepat dan lebih bersih daripada api yang tidak berotasi. Dan dia memulai sebuah proyek tentang dampak kesehatan dari menghirup asap api.
Untuk saat ini, ia berharap penelitiannya dapat membantu menyelamatkan rumah dan kehidupan selama kebakaran aktif. "Kamu tidak akan pernah membuat sesuatu yang tahan api, " katanya. "Tetapi saat Anda membuatnya lebih baik, Anda membuat perbedaan besar." Rumah yang dibangun dengan perisai terhadap bara yang masuk melalui lubang loteng, atau menggunakan bahan tahan api seperti aspal dan bukan sirap kayu, mungkin lebih kecil kemungkinannya untuk terbakar daripada rumah yang tidak dibangun untuk. standar-standar itu. Jika hanya 10 rumah dan tidak 1.000 terbakar selama badai api, petugas pemadam kebakaran mungkin dapat mengelola kebakaran besar berikutnya dengan lebih baik, kata Gollner.
Ketika iklim menghangat dan kebakaran menjadi lebih ekstrem, para ilmuwan kebakaran tahu pekerjaan mereka lebih relevan dari sebelumnya. Mereka mendorong untuk menjadikan masalah penelitian mereka di tempat yang penting — di garis depan dengan pejabat manajemen darurat. Coen, misalnya, bekerja untuk menjalankan model kebakarannya lebih cepat daripada waktu nyata, sehingga ketika kebakaran besar berikutnya terjadi, ia dapat dengan cepat memperkirakan ke mana perginya angin dan kondisi atmosfer lainnya. Dan Lareau sedang mengembangkan cara untuk melacak penyebaran api dalam waktu dekat.
Dia menggunakan informasi cuaca seperti radar berbasis darat yang digunakannya untuk melacak firenado Carr, serta satelit yang dapat memetakan batas api dengan mempelajari panas yang mengalir dari tanah. Akhirnya, dia ingin melihat sistem prediksi waktu nyata untuk kebakaran hutan seperti yang saat ini ada untuk badai, tornado, badai dan peristiwa cuaca lainnya.
"Peringatan itu tidak akan menghentikan api, " kata Lareau. “Tapi mungkin itu akan membantu kita memutuskan di mana membuat keputusan itu. Ini adalah lingkungan di mana menit penting. "
Majalah Knowable adalah upaya jurnalistik independen dari Ulasan Tahunan. Alexandra Witze (@alexwitze) adalah seorang jurnalis sains yang tinggal di daerah rimba-urban di atas Boulder, Colorado, tempat ia sesekali melihat asap dari kebakaran di dekatnya.
