Les flammes commencent à monter. Mike Heck fait un bond en arrière. Les vrilles lèchent vers le haut, vacillent dans le vent, puis se fondent en un vortex de flammes, une tornade incandescente se tordant en orange et en rouge. «Ça y est!» Dit un spectateur. Un autre sifflement d'étonnement.
Mais personne n'est concerné. Heck a délibérément allumé le feu, enflammant une casserole de liquide sur le sol d'une pièce bordée de blocs de béton pour contenir les flammes. Une hotte aspirante empêche la fumée de s'échapper dans les salles de classe à proximité.
Le scientifique de feu Michael Gollner de l'université du Maryland à College Park, superviseur de Heck, évoque régulièrement dans son laboratoire de tels piliers enflammés, connus sous le nom de tourbillons de feu. (Gollner et ses collègues explorent la science de ces phénomènes dans le Rapport annuel 2018 de la mécanique des fluides .) À partir de ces expériences et dans des expériences enflammées, il vise à comprendre comment les flammes s'intensifient et se propagent à mesure que des villes et des paysages brûlent. L'objectif de Gollner est de mieux comprendre ce qui pousse le feu à se déplacer de maison en maison et d'arbre en arbre.
La collecte de nouvelles informations sur le comportement des incendies est devenue de plus en plus urgente à mesure que les feux de forêt se sont aggravés, en particulier dans l'ouest de l'Amérique du Nord. À partir du milieu des années 1980, les grands incendies de forêt sont soudainement devenus beaucoup plus fréquents dans les forêts occidentales des États-Unis, en particulier dans le nord des Rocheuses. Plus récemment, les forêts du nord-ouest du Pacifique ont connu la plus forte augmentation de la taille des feux de forêt, avec une augmentation de près de 5 000% de la superficie brûlée de 2003 à 2012 par rapport à la moyenne de 1973-1982. À l’échelle nationale, la superficie moyenne brûlée au cours des années écoulées depuis 2000 est presque le double de la moyenne annuelle des années 90.
Et juste au cours des deux dernières années, plusieurs enfers mortels ont incinéré des parties de la Californie. Plus de 5 600 bâtiments ont été brûlés à Santa Rosa et dans les environs en octobre 2017. En juillet dernier, à Redding, un énorme nuage de chaleur et de cendres avait provoqué l'apparition d'un «firenado» semblable à celui du laboratoire de Gollner, mais beaucoup plus grand et assez féroce. tuer un pompier. Le même mois, des incendies ont brûlé de vastes superficies à Mendocino et dans trois autres comtés. Quatre mois plus tard, 85 personnes sont mortes dans l'incendie du camp au paradis, dont beaucoup ont été incinérées alors qu'elles tentaient d'échapper à l'incendie qui a secoué leur voiture.
Ravages records
Tout compte fait, les récents incendies de l'État ont établi des records pour les incendies les plus meurtriers, les plus meurtriers et les plus destructeurs de la Californie. «La nature a donné une séquence étonnante d'événements, chacun surpassant le précédent», a déclaré Janice Coen, une scientifique de l'atmosphère qui étudie les incendies de forêt au Centre national pour la recherche atmosphérique à Boulder, au Colorado. Elle et les autres se demandent: «Est-ce différent du passé? Que se passe t-il ici?"
Le nombre total d'incendies de forêt aux États-Unis montre une augmentation globale au cours des dernières décennies, bien qu'il y ait une grande variabilité d'une année à l'autre. Le nombre total d'acres brûlés lors de ces incendies montre une tendance similaire, mais légèrement plus spectaculaire, à la hausse. Des études axées sur les incendies de forêt dans l'ouest des États-Unis ont montré une nette augmentation du nombre de grands incendies au cours des dernières années. (Centre national de coordination interinstitutions / Magazine Knowable) De nombreux facteurs ont motivé cette expansion sans précédent des ravages causés par les incendies de forêt. Des décennies d'étouffement par réflexe des incendies dès qu'ils se sont déclarés ont permis aux arbustes et aux arbres à brûler qui s'accumulent dans les flammes de s'accumuler dans les zones non brûlées. Les changements climatiques entraînent des températures plus chaudes, moins de pluie et de neige, et plus de chances que les carburants sèchent et brûlent. (On a reproché aux changements climatiques causés par l’homme d’avoir presque doublé la superficie forestière brûlée dans l’ouest des États-Unis depuis 1984.) Parallèlement, de plus en plus de personnes se déplacent dans des zones de nature vierge, ce qui augmente le risque que quelqu'un mette le feu ou se trouve en danger quand on commence à grandir.
Coen et d'autres scientifiques utilisent la physique pour aider à révéler les causes d'un incendie ordinaire et dégénérer en mégafire épique. Pour ce faire, certains chercheurs s’attaquent aux incendies de forêt en sondant leurs secrets à l’aide d’appareils laser et radar capables de voir à travers les nuages de fumée. D'autres ont mis au point des modèles de pointe décrivant la course des flammes dans le paysage, motivée non seulement par les carburants et le terrain, mais également par la manière dont le feu et l'atmosphère se nourrissent les uns les autres. D'autres encore, comme Gollner, conçoivent des expériences de laboratoire pour comprendre pourquoi une maison peut s'enflammer alors que sa voisine reste indemne.
De telles découvertes peuvent montrer comment les gens peuvent mieux se préparer pour un avenir avec des feux de forêt plus intenses, et peut-être aussi comment les pompiers peuvent les combattre plus efficacement.
Temps d'incendie
En matière de lutte contre les incendies, «on se fie beaucoup à ce que les gens ont vu dans le passé, a déclaré Neil Lareau, météorologue à l'Université du Nevada, à Reno. «Cette expérience personnelle profonde est vraiment précieuse, mais elle s’effondre lorsque l’atmosphère se modifie en ce que j’appellerais un mode aberrant, c’est-à-dire que vous serez témoin de quelque chose que vous n’avez jamais vu auparavant.
Lareau s'efforce donc de rassembler des informations sur les incendies au fur et à mesure qu'ils se déroulent, dans l'espoir de pouvoir un jour donner des avertissements spécifiques aux pompiers lors de leur combat contre les flammes. Il comprend le danger plus que ne le font de nombreux chercheurs universitaires: il a passé trois étés à essayer de se rapprocher le plus possible des incendies de forêt, au sein de la célèbre équipe de recherche en météorologie du feu dirigée par Craig Clements de l'Université d'État de San Jose en Californie.
Comme les chasseurs de tempête qui traquent les tornades dans les plaines du Midwest, les chasseurs de feu doivent être préparés à tout. Ils suivent une formation de pompier et apprennent à anticiper les déplacements de la ligne de feu et à installer un abri anti-incendie en cas d'urgence. Ils s'inscrivent auprès du système fédéral de gestion des urgences pour pouvoir être officiellement invités dans des zones inaccessibles au public. Et ils voyagent avec une machine à balayage laser sophistiquée à l'arrière de l'un de leurs camions pour pénétrer dans les panaches de cendres et de fumée se dégageant d'un incendie actif.
«Simplement en pointant notre laser sur les choses, nous avons commencé à voir des choses que les gens n'avaient pas documentées dans le passé», dit Lareau. Les premières découvertes expliquent pourquoi le panache d'un feu se propage à mesure qu'il monte, que l'air enfumé est poussé vers l'extérieur et que l'air clair est replié vers l'intérieur, et comment des colonnes d'air en rotation peuvent se former dans le panache. «Il existe un environnement fascinant dans lequel le feu et les processus atmosphériques interagissent», dit-il.
Les nuages pyrocumulonimbus se forment et se nourrissent de la chaleur dégagée par un feu de forêt ou une éruption volcanique. Lorsqu'un panache de fumée monte, il se refroidit et se dilate, ce qui permet à l'humidité de l'air de se condenser en un nuage pouvant créer des éclairs ou même des flammes - essentiellement un orage né du feu. (Bureau de météorologie, Australie / Knowable Magazine) L'un des exemples les plus dramatiques de «temps d'incendie» est constitué par les nuages semblables à des orages qui peuvent apparaître très au-dessus d'un feu. Appelés nuages pyrocumulonimbus, ils se forment lorsque l'humidité de l'atmosphère est relativement élevée. Un panache de cendres et d'air chaud monte rapidement du feu, se dilatant et se refroidissant à mesure qu'il monte. À un moment donné, généralement à une altitude d'environ 15 000 pieds, il se refroidit suffisamment pour que la vapeur d'eau contenue dans l'air se condense en nuage. La condensation libère plus de chaleur dans le panache, le revigore et génère un nuage blanc et lumineux pouvant atteindre jusqu'à 40 000 pieds de hauteur.
Sous la base des nuages, l'air peut remonter à une vitesse approchant les 130 milles à l'heure, entraîné par convection dans le panache, a découvert l'équipe de San Jose State. Plus le feu grandit, plus l'air est aspiré dans le courant ascendant, intensifiant ainsi la conflagration. Et dans de rares cas, il peut même y avoir une tornade enflammée.
Naissance d'une tornade enflammée
Lors de l'incendie de Carr, près de Redding, en juillet 2018, Lareau a observé la formation d'un firenado presque en temps réel. Dans ce cas, il n'était pas à proximité avec un laser dans son camion, mais devant un ordinateur examinant des données radar. Les radars météorologiques, comme ceux utilisés pour vos prévisions locales, peuvent suivre la vitesse de petites particules telles que les cendres se déplaçant dans les airs. Au fur et à mesure que l’incendie de Carr se développait, Lareau récupérait les données radar d’une base militaire située à près de 90 miles de l’incendie en expansion. En regardant comment les cendres se déplaçaient dans des directions opposées à différents niveaux de l'atmosphère, il pouvait voir comment la rotation de l'atmosphère dans le panache diminuait et s'intensifiait. Comme les patineurs artistiques tirant leurs bras pendant une rotation, la rotation se contractait et augmentait pour former un vortex cohérent, une tornade incrustée dans le panache de cendres plus grand.
Ce n'est que le deuxième exemple connu, après une tempête de feu en 2003 en Australie, d'une tornade se formant à cause d'un nuage de pyrocumulonimbus, ont écrit Lareau et ses collègues en décembre dans Geophysical Research Letters . Le feu fournit la chaleur initiale qui génère le nuage, qui génère ensuite la tornade. «La dynamique qui a conduit à l’effondrement de la rotation ne provient pas seulement du feu, mais aussi du nuage lui-même», explique Lareau. «C’est vraiment ce qui est différent dans cette affaire par rapport à votre tourbillon d’incendies plus varié.»
Imaginez une tornade au milieu d'une conflagration, et il est facile de comprendre pourquoi l'incendie de Carr a été si dévastateur. Lorsque le vent a atteint 140 milles à l'heure, la tornade de feu a renversé des tours électriques, enroulé un tuyau en acier autour d'un poteau électrique et tué quatre personnes.
Ce nuage de pyrocumulonimbus est apparu au-dessus du feu de Willow près de Payson, en Arizona, en 2004. Ci-dessous, un panache de fumée noire; au-dessus se trouve le nuage étonnamment blanc de gouttelettes d’eau condensée. (Eric Neitzel / Wikimedia Commons) Prédire le prochain mouvement des flammes
C'est ce genre de dévastation qui pousse Coen à modéliser les incendies de forêt. Elle a grandi juste à l'extérieur de Pittsburgh, fille d'un pompier, et a ensuite été fascinée par la façon dont les vents, les tourbillons et autres circulations atmosphériques contribuent à la propagation des flammes. En fonction de la manière dont l'air circule dans le paysage, un feu peut se déplacer où il se déplace - peut-être se scinder en deux parties puis se fusionner à nouveau ou faire apparaître des petits tourbillons ou tourbillons le long de la ligne de feu. «Les forestiers considèrent les incendies comme un combustible et un terrain», déclare Coen. «En tant que météorologistes, nous constatons beaucoup de phénomènes que nous reconnaissons.»
Dans les années 1980 et 1990, les météorologues ont commencé à associer des modèles météorologiques décrivant la circulation de l'air sur des terrains complexes à ceux permettant de prédire le comportement du feu. L'un de ces systèmes, un modèle informatique mis au point par le laboratoire des sciences de l'incendie de Missoula dans le Montana, au Service des forêts des États-Unis, est maintenant régulièrement utilisé par les agences fédérales pour prévoir l'évolution des incendies.
Coen est allé plus loin et a développé un modèle commun atmosphère-feu intégrant le flux d'air. Par exemple, il peut mieux simuler la façon dont les vents tourbillonnent et se détachent des sommets dans les terrains escarpés.
Un séjour sans faille
Son modèle est devenu véritablement choquant le 8 novembre 2018, alors qu'elle devait donner une conférence intitulée «Comprendre et prédire les feux de forêt» à l'Université Stanford. La nuit précédente, alors qu'elle travaillait sur sa présentation, elle a vu des informations selon lesquelles la Pacific Gas and Electric Company envisageait de fermer du matériel dans certaines parties des contreforts de la Sierra Nevada en raison des prévisions de vents violents.
Le lendemain matin, elle s'est rendue au symposium, mais à l'arrière-plan, elle cherchait sur Internet et écoutait les signaux radio d'urgence. Pendant que ses collègues parlaient, elle a suivi le trafic du scanner, entendant qu'un incendie s'était déclaré dans le nord de la Californie et s'était rapidement propagé vers la ville de Paradise. «C'est à ce moment-là que j'ai dû commencer ma présentation», dit-elle. «Je pouvais dire par les vents, la gravité de l'évacuation, que ce serait un événement horrible. Mais à ce stade, nous ne savions pas que ce serait le plus meurtrier de l’histoire de la Californie. »
Ces vents forts dont elle avait entendu parler se révélèrent cruciaux pour la propagation du feu et l'engloutissement du paradis. De forts vents descendant vers le bas ont propulsé les flammes dans la ville fortement boisée. C’est tout à fait prévisible en fonction de la physique de ses modèles, explique Coen: «Beaucoup de choses étranges ont du sens après avoir examiné ces circulations à petite échelle."
Un autre exemple est l'incendie de Tubbs qui a dévasté Santa Rosa en octobre 2017, parcourant 12 kilomètres en seulement trois heures. Les modèles de Coen explorent la façon dont les courants d'air connus sous le nom de vents Diablo se déplacent dans le paysage. Il s'avère qu'une couche d'air stable a rapidement glissé sur la topographie complexe au-dessus de Santa Rosa. Là où il a touché les crêtes des montagnes, il a généré des rafales de vents à grande vitesse. Étonnamment, les rafales de vent ne sont pas venues des sommets les plus hauts, mais plutôt d'un ensemble plus petit de sommets situés sous le vent. L'emplacement de certaines de ces rafales de vent, qui peuvent atteindre 90 milles à l'heure selon son modèle, correspond au point où le feu s'est déclaré, peut-être à cause de pannes de matériel électrique. Coen a décrit les travaux à Washington, DC, en décembre lors d'une réunion de l'Union géophysique américaine.
Les modèles de Coen aident également à expliquer l'incendie de Redwood Valley, qui a débuté dans la même tempête que l'incendie de Tubbs. (Quatorze incendies distincts ont éclaté dans le nord de la Californie en l'espace de 48 heures, alors qu'un système météorologique à haute pression à l'intérieur des terres a envoyé des vents de Diablo au large.) Mais dans ce cas, il y avait un écart de 11 km de large dans les montagnes où les vents soufflaient. capable de se précipiter, en comprimant et en accélérant. Cela ressemblait à un seul et étroit fleuve de vents - qu'il serait difficile de repérer avec les prévisions météorologiques ou les prévisions d'incendie traditionnelles, dit Coen. «Si vous examiniez les données météorologiques et que vous constatiez que cette situation était inhabituelle par rapport au reste, votre esprit aurait tendance à la négliger», dit-elle.
Mais les prévisionnistes doivent faire attention à ces moments de lectures de vents à grande vitesse. Ils pourraient signaler que quelque chose de très localisé - et de très dangereux - se passe.
De l'étincelle à la combustion
Des chercheurs comme Coen surveillent la propagation du périmètre d’un incendie pour prédire où la ligne de tir active pourrait se déplacer. Mais la physique peut également aider les scientifiques à mieux comprendre un autre type de propagation du feu: que se passe-t-il lorsque les vents attrapent des braises et les gonflent des kilomètres avant le feu? Quand ils atterrissent, ces braises peuvent parfois se consumer pendant des heures avant d’allumer un tas de feuilles, un pont ou autre chose inflammable. C'est un gros problème pour les pompiers qui essaient de trouver le meilleur moyen de déployer leurs ressources - que ce soit pour rester sur la ligne de feu principale ou pour poursuivre ceux qui, à leur avis, pourraient provoquer des incendies localisés.
Pour en venir à cette question, Gollner, à l'Université du Maryland, a étudié la physique à petite échelle de ce qu'il faut à une braise pour s'enflammer. Son laboratoire est dans le département de génie de protection contre les incendies, et il semble que la partie. Les briquets au butane remplissent les tiroirs. Une boîte de paille de pin repose sur une étagère. Des gants épais de protection contre le feu reposent sur un tabouret. L'air a une odeur légèrement âcre, comme la bouffée d'un feu qui vient de s'éteindre.
Le long d'un des murs du laboratoire, sous une grande hotte de ventilation, Gollner montre un objet en métal un peu plus plat et plus large qu'une boîte à chaussures. C'est là qu'il crée une braise en enflammant un morceau de bois en forme de liège et en le mettant à l'intérieur de la boîte. Un ventilateur souffle une brise constante sur le brandon en combustion, tandis que les instruments situés sous la boîte mesurent la température et le flux de chaleur de la surface sur laquelle il est assis. Grâce à cet appareil, Gollner peut étudier ce qu’il faut à la braise pour générer suffisamment de chaleur pour allumer un bâtiment. «De nombreuses études ont été menées sur des parterres de graminées et de matières fines», dit-il. "Nous voulions comprendre comment cela enflamme votre terrasse, votre toit ou votre structure?"
Il s'avère qu'une seule braise, ou une poignée de braises, ne peut pas accumuler autant de chaleur si elle tombe sur un matériau tel qu'une terrasse ou un toit. Mais mettez une ou deux douzaines de braises dans l'appareil de Gollner et le flux de chaleur monte de façon spectaculaire, rapportent ses collègues et lui dans le March Fire Safety Journal . «Vous commencez à avoir une nouvelle radiation entre eux», dit-il. "Il brille, sous le vent - c'est magnifique."
Michael Gollner, scientifique spécialisé dans le domaine des incendies à l'Université du Maryland, présente un dispositif qui teste la manière dont le feu se propage sous différents angles. Lorsqu'il soulève la surface d'allumage de l'horizontale à inclinée, les flammes réagissent différemment - des informations que les pompiers peuvent utiliser lors de la lutte contre les incendies grandissants. (Alexandra Witze) Juste un petit tas de braises peut générer environ 40 fois la chaleur du soleil par une journée chaude. C'est autant le chauffage, et parfois plus, que l'incendie lui-même. C'est également suffisant pour enflammer la plupart des matériaux, tels que le bois d'une terrasse.
Donc, s'il y a beaucoup de braises qui volent devant un feu, mais que ces braises atterrissent relativement loin les unes des autres, elles risquent de ne pas générer la chaleur radiative nécessaire pour générer un feu de tache. Mais si les braises s’empilent, peut-être soufflées par le vent dans une crevasse, elles peuvent se consumer, puis déclencher un allumage, explique Gollner. La plupart des maisons qui brûlent à l’interface forêt-ville prennent feu, souvent des heures après le passage du front de l'incendie.
Comprendre le flux de chaleur à ces petites échelles peut expliquer pourquoi certaines maisons brûlent, d'autres pas. Lors de l’incendie de Tubbs, des maisons d’un côté de certaines rues ont été détruites et celles de l’autre côté n’ont pratiquement pas été endommagées. C'est peut-être parce que la première maison qui a allumé de l'énergie irradiée chez son voisin, a ensuite brûlé des maisons voisines comme des dominos à cause de la chaleur radiative. Lorsque les maisons sont étroitement serrées les unes contre les autres, les propriétaires ne peuvent pas faire beaucoup plus pour atténuer le danger en enlevant les broussailles et les matériaux inflammables autour de la maison.
Contrôler la bête
Gollner - un natif californien qui a grandi en évacuant des incendies de forêt - travaille maintenant sur d'autres aspects de la propagation du feu, comme par exemple ce qu'il faut à un morceau de végétation enflammé pour se dissiper par temps venteux et enflammer d'autres arbustes sous le vent. Il étudie les tourbillons de feu pour voir s'ils peuvent être utilisés pour brûler les nappes de pétrole dans l'océan, car les tourbillons brûlent le pétrole plus rapidement et plus proprement qu'un feu non rotatif. Et il commence un projet sur les effets sur la santé de l'inhalation de fumée de feu de forêt.
Pour le moment, il espère que ses recherches pourront aider à sauver des maisons et des vies lors d’un incendie actif. «Vous ne ferez jamais rien qui résiste au feu», dit-il. «Mais si vous améliorez les choses, vous ferez une grande différence.» Les maisons construites avec des boucliers contre les braises, ou utilisant des matériaux résistants à l'inflammation comme l'asphalte au lieu de bardeaux de bois, risquent moins de s'enflammer que les maisons non construites ces normes. Si seulement 10 maisons et non pas 1 000 s'enflamment lors d'une tempête de feu, les pompiers pourraient être en mesure de mieux gérer la prochaine grande conflagration, explique Gollner.
Alors que le climat se réchauffe et que les incendies deviennent plus extrêmes, les scientifiques du feu savent que leurs travaux sont plus pertinents que jamais. Ils s'efforcent de faire en sorte que leurs recherches soient au centre des préoccupations - en première ligne avec les responsables de la gestion des urgences. Coen, par exemple, s’efforce de gérer ses modèles de feux de forêt plus rapidement que le temps réel, de sorte que, lors du prochain grand incendie, elle puisse rapidement prévoir son évolution compte tenu du vent et des autres conditions atmosphériques. Et Lareau développe des moyens de suivre la propagation d’un incendie presque en temps réel.
Il utilise des informations météorologiques, telles que le radar au sol qu'il a utilisé pour suivre l'avion Carr Firenado, ainsi que des satellites capables de cartographier le périmètre de l'incendie en étudiant la chaleur dégagée par le sol. Finalement, il souhaite voir un système de prévision en temps réel des feux de forêt, comme ceux qui existent actuellement pour les orages, les tornades, les ouragans et autres événements météorologiques.
«Les avertissements ne vont pas arrêter le feu», dit Lareau. «Mais peut-être que cela nous aidera à décider où prendre ces décisions. Ce sont des environnements où les minutes comptent. "
Knowable Magazine est une entreprise journalistique indépendante issue de Annual Reviews. Alexandra Witze (@alexwitze) est une journaliste scientifique qui vit dans l’interface sauvage-urbaine au-dessus de Boulder, dans le Colorado, où elle voit parfois de la fumée provenant d’incendies proches.
