Cosa ci dice la complessa matematica della modellazione del fuoco sul futuro delle foreste della California

Gli incendi della California stanno diventando sempre più grandi e difficili da prevedere. L'unico modo per domarli potrebbe essere rifare il paesaggio stesso.

David Ryder/Getty Images

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• Saul Elbain pagina di archivio

18 gennaio 2021

Al culmine della peggiore stagione di incendi mai registrata in California, Geoff Marshall guardò il suo computer e si rese conto che un enorme incendio stava per cogliere di sorpresa i vigili del fuoco .

Marshall gestisce il team di previsione del fuoco al Dipartimento di silvicoltura e protezione antincendio della California (noto come Cal Fire), con sede a Sacramento, che gli affida un compito sempre più difficile: anticipare il comportamento degli incendi che ogni anno diventano meno prevedibili.

Il problema era evidente da dove sedeva Marshall: le foreste della California erano intrappolate tra un regime di gestione dedito alla crescita di fitti boschi - e all'eradicazione del fuoco a bassa intensità che un tempo li aveva disboscati - e un clima sempre più instabile e in rapido riscaldamento.

Di conseguenza, sempre più incendi stavano attraversando una soglia poco conosciuta dai tipici incendi boschivi - parte di un normale ciclo di combustione per un paesaggio come quello della California - a incendi mostruosi e altamente distruttivi. A volte chiamati mega incendi (un termine scientificamente privo di significato che si riferisce vagamente a incendi che bruciano più di 100.000 acri), questi enormi incendi si verificano più spesso in tutto il mondo, esplodono in vaste aree della California, del Cile, dell'Australia, dell'Amazzonia e della regione del Mediterraneo .

In quel particolare momento in California lo scorso settembre, diversi incendi senza precedenti erano ardente contemporaneamente . Insieme, raddoppieranno la superficie record della stagione degli incendi del 2018 in meno di un mese. Ma altrettanto preoccupante per Marshall quanto le loro dimensioni era che gli incendi più grandi spesso si comportavano in modi inaspettati, rendendo più difficile prevedere i loro movimenti.

Per affrontare questa nuova era, Marshall aveva a sua disposizione un nuovo strumento: Analista degli incendi , un programma di previsione e modellazione degli incendi in tempo reale che Cal Fire ha concesso in licenza per la prima volta a un'azienda californiana chiamata TecnoSylva nel 2019.

Il lavoro di previsione della propagazione degli incendi era stato a lungo una questione di ellissi e modelli disegnati a mano, quindi analisti lenti li hanno messi prima di coricarsi e speravano che fossero finiti la mattina. Wildfire Analyst, d'altra parte, incanala i dati da dozzine di feed distinti: previsioni meteorologiche, immagini satellitari e misure dell'umidità in una determinata area. Quindi proietta tutto ciò su un'elegante sovrapposizione grafica di fuochi che bruciano in tutta la California.

Uno strumento di modellazione chiamato Wildfire Analyst mostra come un incendio in California potrebbe diffondersi in un periodo di otto ore. Gli oggetti rossi sono edifici.

Ogni notte, mentre le squadre dei vigili del fuoco dormono, Wildfire Analyst semina quelle foreste digitali con milioni di ustioni di prova, pre-calcolando la loro diffusione in modo che analisti umani come Marshall possano eseguire simulazioni in pochi secondi, creando percorsi che possono trasferire su Google Maps per mostrarli i loro superiori dove ci sono i rischi maggiori. Ma questo rischio particolare, si rese improvvisamente conto Marshall, era sfuggito al programma.

Il display ora mostrava un gruppo di poligoni rosa e verdi brillanti che si insinuavano sul fianco orientale delle Sierras, vicino alla città di Big Creek. I poligoni, uno dei tanti feed portati direttamente in Wildfire Analyst, provenivano da FireGuard, un feed in tempo reale dal Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti che stima le posizioni attuali di tutti gli incendi. Si stavano diffondendo, molto più velocemente di quanto avrebbero dovuto, lungo il drenaggio del Big Creek.

Nei suoi calcoli, Wildfire Analyst aveva fatto una serie di ipotesi. Vide, dall'altra parte del Big Creek, una fitta macchia di legname pesante. Tradizionalmente si pensava che tali supporti impedissero la rapida diffusione del fuoco, che i modelli attribuiscono in gran parte a combustibili pregiati come la paglia di pino.

Ma Marshall si rese improvvisamente conto, come non avevano fatto gli algoritmi che guidavano Wildfire Analyst, che il drenaggio conteneva tutti gli ingredienti per una tempesta di fuoco perfetta. Sapeva che quel legname pesante era in realtà un'enorme macchia di alberi morti indeboliti dagli scarafaggi, uccisi dalla siccità e cotti da due settimane di calore a 100 °C in una legna da ardere perfetta per le immagini. E la valle del Big Creek concentrerebbe il vento sul fuoco come un mantice. Senza una stazione meteorologica alla foce del torrente, il programma non poteva vedere tutto questo.

Marshall tornò al suo computer e rilesse alcuni numeri tenendo conto delle nuove variabili. Osservò sul suo schermo il fuoco che si diffondeva a velocità spaventosa attraverso la Sierra. Sono andato al trailer dell'operazione e ho detto ai miei superiori: penso che salterà il fiume San Joaquin, ricorda. E se lo fa, funzionerà alla grande.

Questa era, in quel momento, un'affermazione inverosimile: nessun incendio della California aveva mai fatto una corsa di nove miglia con legname pesante, non importa quanto asciutto. Ma in questo caso, la combustione degli alberi ha creato potenti pennacchi di aria surriscaldata che hanno acceso il fuoco. Saltò il fiume e corse attraverso il bosco fino a un bacino noto come Piscina mastodontica , dove un ponte aereo dell'ultimo minuto salvato 200 camper dalla morte infuocata.

The Creek Fire è stato un caso di studio sulla sfida che gli analisti del fuoco di oggi devono affrontare, che stanno cercando di prevedere i movimenti di incendi che sono molto più gravi di quelli visti solo un decennio fa. Dal momento che capiamo così poco su come funziona il fuoco, stanno usando strumenti matematici basati su presupposti obsoleti, nonché piattaforme tecnologiche che non riescono a catturare l'incertezza nel loro lavoro. Programmi come Wildfire Analyst, sebbene utili, danno un'impressione di precisione e accuratezza che può essere fuorviante.

Superare gli incendi più distruttivi richiederà non semplicemente nuovi strumenti di calcolo, ma un cambiamento radicale nel modo in cui vengono gestite le foreste. Insieme a cambiamento climatico , generazioni di decisioni di gestione del territorio e dell'ambiente, volte a preservare le foreste che molti californiani sentono in dovere di proteggere, hanno inavvertitamente creato questa nuova era di fuoco iperdistruttivo.

Ma se questi enormi incendi continuano, la California potrebbe vedere le foreste della Sierra cancellate completamente come quelle di Le Blue Mountains australiane . Evitare questo scenario da incubo richiederà un cambio di paradigma. Residenti, comandanti dei vigili del fuoco e leader politici devono passare da una mentalità di prevenzione o controllo degli incendi a imparare a conviverci. Ciò significherà abbracciare tecniche di gestione degli incendi che incoraggiano ustioni più frequenti e, in definitiva, consentire agli incendi di trasformare per sempre i paesaggi che amano.

Presupposti traballanti

Alla fine di ottobre, Marshall ha condiviso il suo schermo e mi ha portato in tournée in Wildfire Analyst. Abbiamo visto i poligoni fluorescenti di FireGuard di un nuovo dito di fiamma erompere dal fumo Complesso di agosto . Con pochi clic, posò quattro minuscoli fuochi virtuali lungo il bordo del fuoco reale, sul lato opposto della linea di fuoco che ne aveva bloccato l'avanzamento. Pochi secondi dopo, il fuoco è sbocciato attraverso il paesaggio simulato. Nelle condizioni attuali, secondo il modello, un incendio scoppiato in quei punti potrebbe esplodere fino a 8.000 acri, una corsa di quasi tre miglia, entro 24 ore.

Per Marshall e il resto degli analisti di Cal Fire, Wildfire Analyst fornisce una piattaforma standardizzata su cui condividere i dati degli incendi che stanno osservando, le proiezioni sulle corse che potrebbero fare e gli hack per fare in modo che un incendio simulato si avvicini al comportamento di uno reale . Con queste informazioni, cercano di anticipare dove andrà un incendio, che in teoria può guidare le decisioni su dove inviare gli equipaggi o quali regioni evacuare.

Come ogni modello, Wildfire Analyst è valido solo quanto i dati che lo alimentano e tali dati sono validi solo quanto la nostra comprensione scientifica del fenomeno in questione. Quando si tratta della meccanica degli incendi boschivi, quella comprensione è medievale, dice Marco Finney , direttore del Servizio forestale degli Stati Uniti Missoula Fire Lab .

Il nostro attuale approccio alla modellazione degli incendi, che alimenta ogni piattaforma analitica in tempo reale, incluso Wildfire Analyst di TechnoSylva, si basa su un particolare insieme di equazioni che un ricercatore di nome Richard Rothermel derivò al Fire Lab quasi mezzo secolo fa per calcolare la velocità con cui il fuoco si sarebbe mosso, con date condizioni di vento, attraverso determinati combustibili.

Il presupposto chiave di Rothermel, forse necessario, dati gli strumenti computazionali disponibili all'epoca, ma che ora sappiamo essere falso, era che gli incendi si diffondessero solo attraverso le radiazioni poiché la parte anteriore della fiamma cattura combustibili pregiati (paglia di pino, lettiera, ramoscelli) a terra.

Quella diffusione, scoprì Rothermel, si spostava verso l'esterno in un bordo sottile e in espansione lungo un'ellisse. Per capire come sarebbe cresciuto un incendio, i vigili del fuoco sul campo hanno usato nomogrammi : grafici predefiniti che assegnavano valori specifici per la velocità del vento, la pendenza e le condizioni del carburante per rivelare una velocità media di diffusione.

DIPARTIMENTO DEGLI STATI UNITI DELL'AGRICOLTURA

Nei suoi primi giorni sul campo, dice Finney, stendevi la tua cartella di nomogrammi sul cofano del tuo pick-up e facevi le tue proiezioni a matita spessa, tracciando su una mappa topografica dove l'incendio sarebbe stato in un'ora o due, o tre. Le equazioni di Rothermel hanno permesso agli analisti di modellare il fuoco come un gioco di Go, attraverso cellule omogenee di un paesaggio bidimensionale.

Questo è dove le cose sono rimaste per decenni. Wildfire Analyst e strumenti simili rappresentano un riconfezionamento di questo approccio più che un miglioramento fondamentale. (TechnoSylva non ha risposto a più richieste di intervista.) Ciò che serve ora è meno una tecnica per la previsione in tempo reale che una rivalutazione fondamentale di come funziona il fuoco e uno sforzo concertato per riportare i paesaggi della California a qualcosa che si avvicina a un equilibrio naturale.

Complicazioni

Il problema per prodotti come Wildfire Analyst e per analisti come Marshall è facile da stabilire e difficile da risolvere. Un incendio non è un sistema lineare, che procede da causa a effetto. È un sistema accoppiato in cui causa ed effetto sono aggrovigliati. Anche sulla scala di a candela , l'accensione innesca una reazione autosufficiente che deforma l'ambiente circostante, modificando ulteriormente l'intero sistema: il carburante si trasforma in fiamma, aspira più vento, il che alimenta ulteriormente il fuoco e scompone più carburante.

Tali sistemi sono notoriamente sensibili anche a piccoli cambiamenti, il che li rende diabolicamente difficili da modellare. Una piccola variazione nei dati di partenza può portare, come con i calcoli di Creek Fire, a una risposta esponenzialmente errata. In termini di questo tipo di complessità non lineare, il fuoco è molto simile al tempo, ma i modelli fluidodinamici computazionali utilizzati per costruire previsioni, ad esempio, per il National Weather Service richiedono supercomputer. I modelli che cercano di catturare la complessità di un incendio boschivo sono in genere centinaia di volte più semplici.

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Scienziati pionieri come Rothermel hanno affrontato questo problema intrattabile ignorandolo. Invece, hanno cercato fattori, come la velocità del vento e la pendenza, che potessero aiutarli a prevedere la prossima mossa di un incendio in tempo reale.

Guardando indietro, dice Finney, è un miracolo che le equazioni di Rothermel funzionino per gli incendi. C'è l'assoluta differenza di scala: Rothermel ha derivato le sue equazioni da piccoli fuochi controllati appiccati in letti di carburante da 18 pollici. Ma ci sono anche errori più fondamentali. La cosa più lampante è stata l'ipotesi di Rothermel che il fuoco si diffonda solo per radiazione, invece che attraverso le correnti di convezione che si vedono quando un falò tremola.

Questa ipotesi non è vera, eppure per alcuni incendi, anche enormi come Complesso dell'Oklahoma nordoccidentale del 2017 , che ha bruciato più di 780.000 acri, le equazioni di diffusione di Rothermel sembrano ancora funzionare. Ma a determinate scale e in determinate condizioni, il fuoco crea un nuovo tipo di sistema che sfida qualsiasi tentativo di descriverlo.

Il Creek Fire in California, ad esempio, non è semplicemente andato alla grande. Creava un pennacchio di aria calda che si accumulava sotto la stratosfera, come il vapore contro il coperchio di una pentola a pressione. Allora spuntò fino a 50.000 piedi , aspirando l'aria dal basso che ha alimentato le fiamme, creando un sistema temporalesco, completo di fulmini e tornado di fuoco, dove non avrebbe dovuto esserci tempesta.

Altri enormi incendi distruttivi sembrano rimbalzare sul tempo, o l'un l'altro, in modi caotici. Gli incendi di solito si attenuano di notte, ma nel 2020 due delle più grandi corse in California sono scoppiate di notte. Poiché il calore aumenta, gli incendi di solito bruciano in salita, ma nel Orso di fuoco , due enormi teste di fiamma hanno corso per 22 miglia in discesa, una linea di pennacchi tornadici che roteavano tra di loro.

Finney dice che non sappiamo se l'intensità abbia causato gli strani comportamenti o viceversa, o se entrambi siano derivati ​​da una dinamica più profonda. Una misura della nostra ignoranza, a suo avviso, è che non possiamo nemmeno fare affidamento su di essa: sarebbe davvero bello sapere quando i nostri modelli attuali funzioneranno e quando no, dice.

Illusioni

Per Finney e altri scienziati del fuoco, il pericolo con prodotti come Wildfire Analyst non è necessariamente che siano imprecisi. Tutti i modelli lo sono. È che nascondono le soluzioni all'interno di una scatola nera e, cosa molto più importante, si concentrano sul problema sbagliato.

A differenza di Wildfire Analyst, la vecchia generazione di strumenti richiedeva agli analisti di sapere esattamente quali coperture e ipotesi stavano facendo. I nuovi strumenti lasciano tutto ciò al computer. Tali prodotti giocano nell'ossessione del campo per la modellazione, mi hanno detto uno scienziato dopo l'altro, nonostante il fatto che nessun modello possa prevedere cosa farà il fuoco.

Puoi sempre calibrare il sistema in seguito in modo che corrisponda alle tue osservazioni, dice Brandon Collins , uno scienziato ricercatore sugli incendi alla UC Berkeley. Ma puoi prevederlo in anticipo?

Farlo è una questione di scienza più che di tecnologia: richiederebbe la ricerca primaria per sviluppare e testare una nuova teoria della fiamma. Ma tale lavoro è costoso e la maggior parte del denaro per la ricerca sugli incendi viene assegnato per risolvere problemi tecnici specifici. Il Missoula Fire Lab sopravvive grazie ai resti di un budget dell'era della Great Society; la sua struttura gemella, il Macon Fire Lab in Georgia, è stato chiuso negli anni '90.

Collins e Finney stanno facendo il possibile con i fondi a loro disposizione. Fanno entrambi parte di un gruppo di lavoro pubblico-privato sulla scienza del fuoco chiamato Piregenza questo sta convertendo un silo di grano in una fornace per vedere come grandi tronchi, come il legname caduto su Big Creek, diffondono il fuoco.

Nel frattempo, il team di Finney al Missoula Fire Lab sta lavorando per sviluppare un set di dati che risponda a domande fondamentali sul fuoco, una potenziale base per nuovi modelli. Mirano a descrivere come il vento sui tronchi fumanti guida nuovi fronti di fiamma; quantificare la probabilità che le braci lanciate da una fiamma indichino o accendano nuovi fuochi; e studiare il ruolo che le pinete sembrano svolgere nell'incoraggiare il proprio incendio.

Il punto di questi modelli è meno vedere dove andrà un particolare incendio una volta scoppiato, e più servire come strumento di pianificazione per aiutare i californiani a gestire meglio il paesaggio incline al fuoco e represso in cui vivono.

Come gli ecosistemi in Cile, Portogallo, Grecia e Australia, tutte regioni che di recente hanno visto più mega incendi, le foreste di conifere della California si sono evolute nel corso di migliaia di anni in cui gli incendi naturali e causati dall'uomo hanno periodicamente eliminato il carburante in eccesso e creato lo spazio e i nutrienti per nuovi crescita.

Prima del 19° secolo, si pensa che i nativi americani abbiano deliberatamente bruciato ogni anno la maggior parte della California quanta ne è stata bruciata nel 2020. Pratiche simili sono sopravvissute fino agli anni '70: gli allevatori ai piedi della Sierra avrebbero bruciato i cespugli per incoraggiare una nuova crescita per i loro animali da mangiare. I taglialegna hanno estratto tonnellate di legname dalle foreste preparate per produrne enormi volumi, bruciando i detriti sul posto.

JOSH BERENDES / UNSPLASH

Poi, quando gli allevatori fallirono e vendettero la loro terra a sviluppatori, i pascoli divennero comunità residenziali. I regolamenti sull'aria pulita scoraggiavano i restanti allevatori dal bruciare. E decenni di conflitto tra le organizzazioni ambientaliste e le compagnie di disboscamento si sono concluse, negli anni '90, con i taglialegna che hanno abbandonato le foreste che un tempo avevano sgomberato.

Nella Sierra, come in queste altre regioni ora soggette a enormi incendi distruttivi, un paesaggio fortemente alterato, strappato molto tempo fa da ogni equilibrio naturale, è stato in gran parte abbandonato. Milioni di acri di pini crescevano, gremiti e assetati. Alla fine molti furono uccisi dalla siccità e dagli scarabei della corteccia, accumulandosi in una preponderanza di carburante. Gli incendi che avrebbero potuto ripulire la terra e ripristinare la foresta sono stati estinti dal Servizio forestale degli Stati Uniti e Cal Fire, il cui obiettivo principale era diventato la soppressione del fuoco all'ingrosso.

Liberarsi di questa eredità non sarà facile. Il futuro verso cui Finney sta lavorando è quello in cui le persone possono confrontare vari modelli e decidere quale funzionerà meglio per una determinata situazione. Lui e il suo team sperano che dati migliori portino a modelli di pianificazione migliori che, dice, potrebbero darci la fiducia necessaria per far bruciare alcuni incendi e fare il nostro lavoro per noi.

Tuttavia, dice, concentrarsi troppo sui modelli rischia di perdere una domanda più importante: e se ignorassimo l'aspetto fondamentale degli incendi: abbiamo bisogno di più fuoco, fuoco adeguato, in modo da non lasciare che gli incendi ci sorprendano e ci distruggano?

Vivere con gli incendi

Nel 2014, il Re Fuoco imperversava attraverso la Sierra della California, lasciando una cicatrice da ustione dove gli alberi non sono ancora ricresciuti. Invece, dice il silvicoltore del Servizio Forestale Dana Walsh , sono stati sostituiti da spesse stuoie di chaparral, un arbusto incline al fuoco che ha spremuto il ritorno della foresta.

La gente chiede cosa succede se lasciamo che la natura faccia il suo corso dopo un grande incendio, dice Walsh. Ottieni 30.000 acri di chaparral.

Questo è il pericolo che ora devono affrontare i paesaggi dai Pirenei alla California Sierra fino alle Blue Mountains australiane, afferma Marc Castellnou , uno scienziato catalano dei vigili del fuoco che è consulente di TechnoSylva. Negli ultimi due decenni, ha studiato l'aumento dei mega incendi in tutto il mondo, osservando come hanno infranto record di lunghezza o velocità delle corse.

Per troppo tempo, dice, la politica antincendio e forestale della California ha resistito a un inevitabile cambiamento nel paesaggio. Lo stato non ha bisogno di strumenti predittivi impeccabili per vedere dove sono dirette le sue foreste, dice: Il carburante si sta accumulando, l'energia si sta accumulando, l'atmosfera si sta riscaldando. Il paesaggio si riequilibrerà.

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La scelta della California, come in Catalogna, dove Castellnou è il capo scienziato del corpo dei vigili del fuoco di 4.000 persone della provincia autonoma, è di muoversi con quel cambiamento e avere qualche possibilità di influenzarlo, oppure di essere travolto da mega incendi.

L'obiettivo non è rigenerare le foreste native in queste aree, che secondo Castellnou sono state rese obsolete dai cambiamenti climatici, piuttosto che lavorare con il paesaggio per sviluppare un nuovo tipo di foresta in cui è meno probabile che gli incendi si trasformino in enormi incendi.

In larga misura, il suo approccio consiste nel tornare alle vecchie tecniche di gestione del territorio. Le popolazioni rurali della sua regione un tempo controllavano gli incendi distruttivi avviando o consentendo incendi frequenti a bassa intensità e nel frattempo utilizzando il bestiame per mangiare i cespugli. Hanno piantato bancarelle di specie di legno duro resistenti al fuoco che si ergevano come sentinelle, bloccando le onde di fuoco.

Per Castellnou, però, questo significa anche fare scelte politicamente difficili. Nel luglio 2019, appena fuori Tivissa, in Spagna, l'ho visto spiegare a un gruppo di sindaci catalani rurali e coltivatori di olive perché aveva lasciato bruciare l'area intorno alle loro città.

Si era preoccupato che se le squadre avessero rallentato gli incendi catalani, avrebbero potuto farlo formare un pirocumulonembo, una violenta nuvola di fuoco, tuoni e vento come quella che si è formata sopra il Creek Fire. Un tale fenomeno avrebbe potuto spronare il fuoco fino a conquistare comunque le città. Ora, dice, indicando la cicatrice dell'ustione, le città avevano una difesa antincendio al posto di una responsabilità. Era un'altra tessera in un paesaggio a mosaico di pascoli, foreste e vecchie cicatrici da fuoco che potevano interrompere gli incendi.

Per quanto le ustioni pianificate siano difficili da ingoiare per molti, lasciare che gli incendi brucino le città, anche quelle evacuate, è una vendita ancora più difficile. E sostituire le foreste incontaminate della Sierra Nevada con un paesaggio in grado di sopravvivere sia alla siccità che agli incendi più distruttivi - diciamo, boschi aperti di pini ponderosa punteggiati da campi d'erba, raccolti da capre o bovini - potrebbe sembrare una perdita.

Fare bene tutto questo significa adottare un cambiamento nella filosofia grande quanto qualsiasi cambiamento nella tecnologia o nella scienza predittiva, uno che accolga con favore il ritorno del fuoco come parte naturale dell'ambiente. Non stiamo cercando di salvare il paesaggio, dice Castellnou. Stiamo cercando di aiutare a creare il prossimo paesaggio. Non siamo qui per combattere le fiamme. Siamo qui per assicurarci di avere una foresta domani.