La historia del modelado de incendios forestales

¿Cuáles son los orígenes del modelado de incendios?

¿Quién maneja actualmente modelos de fuego? 

¿Por qué los modelos de incendios no son tan impactantes como los modelos meteorológicos? ¿Llegarán algún día?

Modelado de incendios El pionero del modelado de incendios fue un ingeniero mecánico llamado Wallace Fons, que construyó túneles de viento y fuegos de cuna para estudiar el comportamiento y las propiedades del fuego.

Izquierda: un túnel de viento construido por Fons para su estudio, “Análisis de la propagación del fuego en combustibles forestales ligeros”; Derecha: un fuego de cuna, una rejilla 3D de palos con diferentes espesores y densidades. Imagen de Fons et al. «Modelo de proyecto de incendio: Informe resumido de progreso – II».

Fons observó que el fuego se propaga calentando sucesivamente las partículas de combustible vecinas hasta la temperatura de ignición. Razonó que la velocidad de propagación del fuego se controla en gran medida por el tiempo que tarda el fuego en encender el tipo de combustible y por la distancia entre las partículas de combustible.

En 1946, Fons publicó el primer modelo matemático de propagación de incendios forestales. El modelo aplicó la ecuación de conservación de energía a un lecho de combustible uniforme expuesto al fuego y encontró una relación logarítmica entre la velocidad de propagación del fuego y la temperatura del lecho de combustible. A pesar de las fallas del modelo (linealizó la contribución de la radiación, es decir, ignoró la cuarta potencia de la temperatura en las ecuaciones de transferencia de calor por radiación), fue validado por experimentos con agujas de pino.

Como la mayoría de los otros científicos expertos en incendios del país en ese momento, Fons trabajó para el Servicio Forestal, que era y es parte del Departamento de Agricultura de los Estados Unidos (USDA). Desde su establecimiento en 1905, el Servicio Forestal se había convertido esencialmente en un hegemón y estaba librando una «guerra contra el fuego» bien documentada.

El Servicio Forestal controlaba la ciencia del fuego, con el objetivo singular de suprimir los incendios forestales; No está del todo claro si ese objetivo fue también la motivación detrás del primer modelo de incendio, pero sin duda jugó un papel en la decisión de la agencia de emplear a Fons.

El nacimiento del modelado del fuego coincidió con el final de la Segunda Guerra Mundial, momento en el que el enfoque de la investigación sobre el fuego había pasado de suprimir el fuego a convertirlo en un arma.

Después de la guerra, las autoridades estaban convencidas de que la próxima guerra también sería una guerra de fuego, y es bastante fácil entender por qué. Japón había lanzado globos de hidrógeno que portaban bombas (llamados Fu-Gos, o «globos de fuego») a los Estados Unidos en un intento de provocar incendios forestales. Si bien el lanzamiento no tuvo éxito en gran medida, fue el ataque de mayor alcance que el mundo había visto. Luego, estaban las tormentas de fuego, incendios masivos inducidos por bombas que crearon vientos a nivel de huracán. Después de que las fuerzas aliadas bombardearan Dresde, Hamburgo y Tokio, tormentas de fuego inesperadas se desataron en las ciudades. El ataque atómico de Hiroshima produjo otra tormenta de fuego, que destruyó más de cuatro millas cuadradas.

Reconociendo la necesidad de entender el fuego, el gobierno federal comenzó a invertir fuertemente en investigación multidisciplinaria de incendios y experimentos de campo a gran escala, y continuó haciéndolo durante gran parte de la Guerra Fría. El Servicio Forestal se involucró activamente en las pruebas de explosión nuclear, empleando a los mejores científicos de incendios del país. Si bien EE. UU. No lanzó otro modelo de incendio importante hasta la década de 1960, el impulso inspirado en la guerra para la investigación del fuego descubrió un conocimiento fundamental sobre el fuego que formó la base de los futuros modelos de fuego.

El propio Fons, que trabajó para el Servicio Forestal hasta su muerte en 1963, participó en varios experimentos clasificados que estudiaban el impacto de los incendios inducidos por detonaciones en los bosques y otros materiales.

Uno de estos experimentos, parte de la Operación Tumbler-Snapper, exploró si los árboles pueden brindar seguridad frente a una explosión nuclear. Para medir cómo los árboles se doblan o rompen bajo la fuerza de las ondas de choque, Fons condujo árboles a velocidades fijas en la plataforma de un camión especialmente equipado. El Servicio Forestal extendió este trabajo para estudiar los efectos de la explosión en un bosque de pinos artificial que establecieron en Nevada. Un video de este experimento (alrededor de las 32:05) muestra a varios hombres que parecen ser capaces de levantar UN ÁRBOL COMPLETO sin ayuda de una sola mano … hasta que ve la grúa en la esquina más adelante en el video.

¿Podemos también hacer una pausa para apreciar la ironía de estas transiciones cinematográficas increíblemente llenas de humo?

De todos modos, el primer modelador de incendios aparentemente también fue un activo para la defensa nacional; en 1961, el entonces vicepresidente Lyndon Johnson le otorgó a Fons el Premio al Servicio Superior del USDA por «contribuciones pioneras notables a la investigación de incendios forestales y a la defensa nacional, incluido el establecimiento de los efectos térmicos y explosivos de las explosiones nucleares en los bosques y otras cubiertas naturales».

Algunas de las otras iniciativas del Servicio Forestal relacionadas con incendios durante este tiempo fueron menos fructíferas. Por ejemplo, lanzaron el Proyecto Skyfire en 1953 con el objetivo de prevenir incendios modificando el clima. Específicamente, los investigadores intentaron suprimir los rayos sembrando tormentas eléctricas con yoduro de plata.

En las décadas de 1960 y 1970, varios países lanzaron nuevos modelos de fuego, con Estados Unidos, Australia, Rusia y Canadá liderando estos esfuerzos. Al igual que el modelo de Fons, muchos de los modelos más nuevos eran físicos, basados en las leyes de la mecánica de fluidos, la combustión y la transferencia de calor.

Sin embargo, Australia y Rusia también lanzaron los primeros modelos empíricos (McArthur, 1966) y semi-empíricos (Molchenov, 1957). Esta nueva ola de modelos de incendios, basada en correlaciones estadísticas de experimentos o estudios históricos de incendios forestales, fue posible gracias a los experimentos y la recopilación de datos de las décadas anteriores.

Uno de los modelos de incendios más influyentes es el modelo semi-empírico de Dick Rothermel de propagación del fuego hacia adelante, publicado en 1972. Rothermel fue un ingeniero aeronáutico convertido en modelador de incendios del USDA. Basó su modelo de propagación del fuego en el modelo de balance de calor de 1971 de Frandsen, así como en datos de experimentos en túneles de viento e incendios forestales australianos. El modelo calcula la tasa de propagación del fuego hacia adelante dividiendo la fuente de calor por el disipador de calor:

Cálculos en el modelo básico de propagación del fuego superficial de Rothermel. Referencia: USDA .

Las ecuaciones de Rothermel eran adecuadas para tantos incendios forestales que el Servicio Forestal las implementó en la primera versión del Sistema Nacional de Clasificación de Peligros de Incendios (NFDRS), que inicialmente consistía en tablas de búsqueda y nomogramas. Usando papel y lápiz, los bomberos conectaron manualmente el viento y el ángulo de la pendiente para estimar la velocidad y la dirección de propagación del fuego.

Hoy en día, el NFDRS está computarizado, pero aún se basa en las innovadoras ecuaciones de Rothermel. De hecho, el modelo Rothermel es la columna vertebral de todos los modelos de incendios que se utilizan en una aplicación de campo en la actualidad.

Izquierda: sistema de clasificación de peligro de incendio temprano, del Sistema Nacional de Clasificación de Peligro de Incendio de 1978: documentación técnica; Derecha: pronóstico reciente de WFAS – Severe Fire Danger Mapping System.

Otro
avance modelado de incendios de la década de 1970 fue el uso del principio de Huygens de propagación de las ondas de propagación modelo de incendio en todas las direcciones. El principio de Huygens, propuesto originalmente para describir ondas de luz viajeras, trata cada punto en el borde de un frente de onda como una fuente independiente de ondas secundarias que propagan la onda.

Aplicado al modelado de incendios, el principio de Huygens simula la propagación del fuego utilizando ondas (normalmente ondas elípticas). En cada momento, el vector de pendiente del viento determina la forma y orientación de cada elipse, mientras que las condiciones del combustible determinan su tamaño (tasa de dispersión). Las ondas forman una especie de envoltura alrededor del perímetro de fuego original, y el borde exterior de esta envoltura es el nuevo frente de fuego.

Principio de Huygen aplicado a la propagación del fuego, con viento uniforme del suroeste (referencia: FARSITE ). A) El fuego se propagó por un paisaje con un tipo de combustible uniforme; B) El fuego se extendió por un paisaje con cuatro tipos de combustible diferentes.

Sanderlin y Sunderson fueron los primeros en aplicar el principio de Huygens al modelado de incendios. Su “modelo de propagación radial del fuego” computarizado, publicado en 1975, proyectaba el crecimiento del fuego utilizando un campo de viento tridimensional y un paisaje de topografía y combustible en cuadrícula. Poco después, en 1982, Hal Anderson del Laboratorio de Ciencias del Fuego de Missoula aplicó el principio de Huygens a los datos del perímetro de una prueba de fuego. Hasta el día de hoy, el principio de Huygens es uno de los dos métodos más comunes para propagar el fuego (el otro método propaga el fuego basándose en el contacto directo o en la proximidad de las células vecinas).

Mientras el modelado de incendios estaba regresando, el Servicio Forestal estaba comiendo un pastel humilde. Otras agencias federales se habían cansado del monopolio del Servicio Forestal sobre la ciencia del fuego y estaban ansiosas por implementar sus propias políticas. El Servicio de Parques Nacionales, el Departamento del Interior y la Fundación Nacional de Ciencias se involucraron en la investigación de incendios. Al mismo tiempo, la financiación del Servicio Forestal del departamento de defensa, que había estado fluyendo de manera constante desde el final de la Segunda Guerra Mundial, comenzó a agotarse.

Con este cambio en la investigación sobre incendios, se produjo un giro en la actitud hacia las quemas prescritas (provocar incendios intencionales), que había estado resurgiendo gradualmente como una estrategia de manejo forestal desde la década de 1940. Los incendios forestales, que antes se consideraban nada más que una amenaza para la vida y los valiosos recursos forestales, se estaban reconociendo cada vez más como una parte vital del sistema terrestre.

A medida que este frenesí de investigación sobre incendios impulsado por la financiación llegó a su fin, muchas preguntas sobre la física y la química del fuego quedaron sin resolver. No obstante, la era inminente de las computadoras avanzó enormemente en el modelado de incendios en las décadas siguientes.

Antes de las computadoras, la gente pronosticaba el crecimiento del fuego utilizando mapas físicos, nomogramas, cálculos de la tasa de dispersión y vectores de efectos de pendiente y viento. Con el advenimiento de las computadoras llegaron los modelos de simulación de incendios computarizados, que convirtieron los modelos de puntos 1D existentes de propagación del fuego hacia adelante en modelos planos 2D que propagan todo el perímetro del fuego a través de un paisaje. El Servicio Forestal lanzó el primer programa de predicción del comportamiento de incendios forestales, llamado Behave, en 1984. Behave se basó en las ecuaciones de Rothermel e inicialmente se programó en una calculadora TI-59.

Sin embargo, la falta de datos sobre el terreno y el combustible limitó gravemente el software de propagación temprana del fuego. En la década de 1990, las capacidades de teledetección, los sistemas de información geográfica (GIS) y una mayor potencia informática reavivaron el interés por el modelado del comportamiento del fuego. Behave y otros paquetes de software de modelado de incendios se integraron con GIS, llevando los datos del paisaje a la simulación de incendios.

En los años 90 y principios de la década de los noventa, los investigadores lanzaron varios simuladores de incendios nuevos basados en SIG. Ejemplos notables en los EE. UU. Incluyeron Dynafire (1991), Firemap (1992), FARSITE (1993), Burn (1994) y Embyr (2000). Con la excepción de Embyr, cada uno de estos modelos se basó en las ecuaciones de Rothermel.

En 1996, García Vega y otros investigadores del Servicio Forestal publicaron la primera aplicación del aprendizaje automático al modelado de incendios forestales. Utilizaron una red neuronal artificial, entrenada y probada con datos históricos de incendios forestales, para predecir incendios forestales causados por humanos en Alberta, Canadá. Utilizando el índice de tiempo, el tamaño de la región, y el distrito como datos de entrada, su modelo predijo correctamente donde los incendios no se producirá el 85% del tiempo y en el que se producirá el 78% de las veces.

También fue en 1996 cuando el investigador de la National Science Foundation, Terry Clark, demostró que los modelos de propagación del fuego podían combinarse con modelos atmosféricos numéricos. Este acoplamiento permitió al fuego interactuar con la atmósfera y «crear su propio clima» en simulaciones, como lo hace en el mundo real. La humedad atmosférica, la temperatura, la velocidad del viento y la dirección del viento afectan el ambiente del fuego, mientras que el humo, los flujos de calor y los flujos de humedad del fuego influyen en la atmósfera.

El modelo de Clark, llamado CAWFE, marcó el comienzo de una nueva generación de modelos acoplados de atmósfera de fuego que caen en gran parte en uno de dos campos. El primer campamento, ejemplificado por CAWFE y WRF-SFIRE, combina un modelo empírico simplificado de propagación de incendios con un modelo numérico de predicción del tiempo en 3D (con una resolución de cientos de metros o más).

Flujo de información del modelo acoplado fuego-atmósfera WRF-SFIRE.

El segundo campo de modelos acoplados de atmósfera de fuego incluye modelos como el Simulador dinámico de incendios de interfaz urbano-salvaje (WFDS) y HIGRAD / FIRETEC. Estos programas combinan modelos de incendios con un modelo de dinámica de fluidos computacional (CFD), que simula un flujo de aire turbulento a una resolución muy alta (metros individuales) en un área relativamente pequeña.

Esto lo pone bastante al tanto de la historia del modelado de incendios en los EE. UU., Pero ¿dónde se encuentra el campo hoy?

Modelado de fuego hoy
En esta sección final, abordo algunas de las preguntas más interesantes sobre el modelado de incendios en la actualidad.

¿Quién dirige realmente los modelos de fuego?

  • ¿Cómo se utilizan los modelos de incendios para combatir incendios reales?
  • ¿Por qué los modelos de fuego no son mejores y cómo pueden mejorar?
¿Quién dirige realmente los modelos de fuego?

Alerta de spoiler: no son bomberos. Estados Unidos gestiona las respuestas a los incendios forestales a través del Sistema de Comando de Incidentes, un esfuerzo interdepartamental que se estableció en la década de 1970 después de los devastadores incendios forestales de California. Bajo este sistema, un analista de incendios (o analista de comportamiento de incendios) ejecuta un modelo de incendio y transmite los aspectos más destacados de la salida del modelo al Comandante de incidentes (IC).

El IC coordina una respuesta de emergencia basada en muchos flujos de información, uno de los cuales es la salida del modelo de incendio. Además del modelo, el IC también debe considerar dónde están las tripulaciones y si son seguras, qué estructuras están en mayor riesgo, cómo se puede acceder al incendio, dónde están las fuentes de agua más cercanas, cómo está el clima, qué tipo de terreno con el que se enfrentan, y así sucesivamente. El CI utiliza toda esta información para tomar decisiones rápidas sobre dónde deben concentrarse los recursos y qué deben hacer las tripulaciones en tierra.

¿Cómo se utilizan los modelos de incendios para combatir incendios reales?

Las organizaciones de extinción de incendios en los EE. UU. Utilizan varios tipos de modelos de incendios para el manejo de incendios forestales en el mundo real, con ejemplos notables que incluyen FARSITE (Flammap) y el Sistema de apoyo a la decisión de incendios forestales (WFDSS), creado en 2009. Todos los incendios bajo la jurisdicción del gobierno federal se ejecutan WFDSS.

Dicho esto, todavía reprimimos el 97% de los incendios forestales en los EE. UU. (Es el otro 3% el que causa toda la devastación en las noticias). Dado que modelar un incendio que no se propagará es inútil, los analistas solo modelan alrededor del 1% de los incendios forestales (y el 3% de los de tierras federales). Como tal, la aplicación más común de la salida del modelo de incendios es, con mucho, la puesta en escena: decidir dónde mover los recursos de extinción de incendios en función de dónde es más probable que ocurran los incendios forestales.

Cuando se trata de modelar incendios forestales en curso en tiempo real (en lugar de predecir dónde comenzarán), la mayoría de los modelos operativos de incendios son bastante básicos y se basan en datos de entrada simples. Todos estos sistemas utilizan modelos empíricos de propagación de incendios 1D, que son más rápidos y menos complejos que sus contrapartes físicas. A medida que las computadoras se vuelven más rápidas y poderosas, los modelos físicos se incorporan cada vez más en las simulaciones de propagación de incendios. Algunos de los modelos más complejos, como el modelo acoplado de atmósfera de fuego WRF-SFIRE, ya son lo suficientemente rápidos para su uso en tiempo real.

Los equipos de gestión de incendios forestales también están aprovechando las herramientas basadas en IA. Por ejemplo, el Departamento de Silvicultura y Protección contra Incendios de California (CalFire) está utilizando Wildfire Analyst Enterprise, desarrollado por la startup Technosylva, para predecir el comportamiento de los incendios forestales. Wildfire Analyst Enterprise usa modelos de propagación de incendios y aprendizaje automático para comparar incendios actuales e históricos, luego usa esta información para predecir dónde irá un incendio y cuándo llegará allí.

A fines de agosto, el jefe del batallón CalFire, Jon Heggie, envió bomberos y equipo a Felton, California, después de que Wildfire Analyst Enterprise predijera que el incendio del CZU Lightning Complex se propagaría allí. Pudieron salvar muchos hogares como resultado de la intervención temprana.

¿Por qué los modelos de fuego no son mejores y cómo pueden mejorar?

En este momento, la barrera más grande que se interpone en el camino de mejores modelos de incendios es la falta de conocimiento sobre la física y la química del fuego, particularmente los incendios forestales a gran escala.

Preguntas candentes sobre el fuego.

Irónicamente, entre la acumulación excesiva de combustible de décadas de supresión de incendios forestales y las estaciones más cálidas y secas de las últimas décadas, nuestros incendios forestales están comenzando a parecerse cada vez más a los incendios inducidos por bombas altamente impredecibles que estudiamos tan intensamente después de la Segunda Guerra Mundial.

Afortunadamente, la reintegración gradual de las quemas prescritas como estrategia de manejo forestal brinda una excelente oportunidad para impulsar la ciencia del fuego y mejorar los modelos de incendios. Para entender por qué, considere el problema estrechamente relacionado de modelar el clima. El fuego y el clima están íntimamente relacionados entre sí y, en muchos sentidos, el modelado de incendios es un problema de modelado del clima. El fuego y el clima (a diferencia de los terremotos, por ejemplo) se pueden observar directamente. Entonces, ¿por qué el modelado meteorológico ha superado al modelado de incendios?

Aparte de la financiación, otra razón (estrechamente relacionada) son los datos. Todos los días, los modeladores meteorológicos se despiertan con más datos meteorológicos, que pueden usar para ayudar a validar sus modelos. Lo mismo no es ni remotamente cierto para los modeladores de incendios. Recuerde, todavía suprimimos el 97% de los incendios forestales en este país, por lo que es realmente difícil para los modeladores de incendios validar sus modelos y recopilar datos a escalas relevantes para modelar incendios forestales reales.

Por esta razón, el cambio histórico en la política de quema prescrita es realmente emocionante para el modelado de incendios. Las quemaduras prescritas son mucho más similares a los incendios forestales reales que los incendios en entornos de laboratorio, pero son mucho más fáciles de recopilar datos. Después de todo, sabemos exactamente cuándo, dónde y cómo comienzan las quemaduras prescritas. Combine esto con computadoras más rápidas y potentes y mejor tecnología de detección remota (por ejemplo, LIDAR), y el modelado de incendios estará bien preparado para mejorar rápidamente en el futuro cercano, SI estos esfuerzos cuentan con los fondos suficientes.

Si bien los científicos y los formuladores de políticas reconocen ahora la quema prescrita como la estrategia de manejo de incendios más rentable en términos generales, este cambio de paradigma no ha ido acompañado de un aumento proporcional en la quema prescrita. En el oeste de EE. UU., La actividad de quema prescrita se ha mantenido estable o incluso disminuido entre 1998 y 2018.

Cambio en la actividad de quema prescrita entre 1998 y 2018 en diferentes regiones de los EE. UU. (Referencia:  MDPI ).

En áreas que están realizando más quemaduras prescritas, el gobierno federal no está liderando el esfuerzo; Los incendios forestales graves están obligando cada vez más a las agencias federales a dedicar más recursos a la extinción de incendios. En los últimos cinco años, la Oficina de Asuntos Indígenas fue la única agencia federal que asignó más del 25% de su presupuesto de extinción de incendios para quemas prescritas; también fue la única agencia federal que aumentó considerablemente la actividad de quema prescrita. En el sureste, donde las quemas prescritas aumentaron más, el 70% de las quemas fueron dirigidas por organizaciones no federales.

Para empeorar las cosas, muchos estados cancelaron las quemaduras prescritas planificadas en 2020 debido al COVID-19, debido a una preocupación fundada sobre cómo la disminución de la calidad del aire podría empeorar la pandemia. Entonces, si bien las quemaduras prescritas pueden mejorar la ciencia del fuego, lo que a su vez puede mejorar los modelos de incendios, no estamos exactamente en el camino correcto para llegar allí.

Referencia: AAAS

Los modelos de fuego, como los incendios, no se desarrollan en el vacío. Al igual que el panorama físico, el panorama político en los Estados Unidos determina cómo los estadounidenses enfrentan — y modelan — los incendios forestales.

Los años 40 y 50 vieron el nacimiento del modelado del fuego y las mejoras impulsadas por la guerra en la ciencia del fuego. A medida que avanzaba la Guerra Fría, los años 60 y 70 fueron testigos del florecimiento de nuevos modelos de fuego. Los años 80 y 90 trajeron simuladores de fuego que elevaron esos modelos 1D a dos dimensiones. La década de 2000 trajo modelos acoplados de atmósfera de fuego, computadoras cada vez más rápidas y nuevas herramientas de inteligencia artificial.
Lo
que necesitamos ahora es un conocimiento científico mejor de los incendios forestales a gran escala, y se quema más prescrito para ayudar a conseguirlo.

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devnow

Autor desde: August 12, 2020

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