Lo que la matemática compleja del modelado de incendios nos dice sobre el futuro de los bosques de California

Los incendios de California son cada vez más grandes y más difíciles de predecir. La única forma de domesticarlos puede ser rehacer el paisaje mismo.

Imágenes de David Ryder/Getty

por

• Saúl Elbein página de archivo

18 de enero de 2021

En el apogeo de la peor temporada de incendios forestales registrada en California, geoff marshall Miró su computadora y se dio cuenta de que un enorme incendio estaba a punto de tomar por sorpresa a los bomberos. .

Marshall dirige el equipo de predicción de incendios en el Departamento de Silvicultura y Protección contra Incendios de California (conocido como Cal Fire), con sede en Sacramento, lo que le asigna un trabajo cada vez más difícil: anticipar el comportamiento de los incendios forestales que se vuelven menos predecibles cada año.

El problema era obvio desde donde se encontraba Marshall: los bosques de California estaban atrapados entre un régimen de gestión dedicado a hacer crecer grandes masas de árboles y erradicar el fuego de baja intensidad que una vez los había despejado, y un clima cada vez más inestable y que se calienta rápidamente.

Como resultado, más y más incendios estaban cruzando un umbral poco conocido de los típicos incendios forestales, parte de un ciclo normal de quema para un paisaje como el de California, a monstruosos y altamente destructivos incendios. A veces llamados megaincendios (un término científicamente sin sentido que se refiere vagamente a los incendios que queman más de 100 000 acres), estos incendios masivos ocurren con más frecuencia en todo el mundo y se extienden por grandes extensiones de California, Chile, Australia, el Amazonas y la región del Mediterráneo. .

En ese momento particular en California en septiembre pasado, varios incendios sin precedentes fueron incendio simultaneamente . Juntos, duplicarían la superficie récord de la temporada de incendios forestales de 2018 en menos de un mes. Pero tan preocupante para Marshall como su tamaño era que los incendios más grandes a menudo se comportaban de manera inesperada, lo que dificultaba pronosticar sus movimientos.

Para afrontar esta nueva era, Marshall tenía a su disposición una nueva herramienta: Analista de incendios forestales , un programa de modelado y predicción de incendios en tiempo real que Cal Fire autorizó por primera vez a una empresa con sede en California llamada TechnoSylva en 2019.

El trabajo de predecir cómo se propagan los incendios ha sido durante mucho tiempo una cuestión de elipses y modelos dibujados a mano, por lo que los analistas lentos los colocaron antes de acostarse y esperaron que terminaran por la mañana. Wildfire Analyst, por otro lado, canaliza datos de docenas de fuentes distintas: pronósticos del tiempo, imágenes satelitales y medidas de humedad en un área determinada. Luego, proyecta todo eso en una elegante superposición gráfica de incendios que arden en California.

Una herramienta de modelado llamada Wildfire Analyst muestra cómo un incendio en California podría extenderse durante un período de ocho horas. Los objetos rojos son edificios.

Todas las noches, mientras los equipos de bomberos duermen, Wildfire Analyst siembra esos bosques digitales con millones de quemas de prueba, precalculando su propagación para que los analistas humanos como Marshall puedan hacer simulaciones en cuestión de segundos, creando ejecuciones que pueden transferir a Google Maps para mostrar sus superiores donde están los mayores riesgos. Pero este riesgo en particular, se dio cuenta Marshall de repente, se había escapado del programa.

La pantalla ahora mostraba un grupo de polígonos rosas y verdes brillantes que se arrastraban sobre el flanco este de las Sierras, cerca de la ciudad de Big Creek. Los polígonos, una de las muchas fuentes transferidas directamente a Wildfire Analyst, eran de FireGuard, una fuente en tiempo real de la Departamento de Defensa de EE. UU. que estima las ubicaciones actuales de todos los incendios forestales. Se estaban extendiendo, mucho más rápido de lo que deberían haber sido, por el drenaje de Big Creek.

En sus cálculos, Wildfire Analyst había hecho una serie de suposiciones. Vio, al otro lado de Big Creek, un denso grupo de madera pesada. Tradicionalmente se pensaba que tales rodales impedían la rápida propagación del fuego, que los modelos atribuyen en gran medida a los combustibles finos como la paja de pino.

Pero Marshall se dio cuenta de repente, a diferencia de los algoritmos que manejaban Wildfire Analyst, de que el drenaje contenía todos los ingredientes para una tormenta de fuego perfecta. Sabía que esa madera pesada era, de hecho, una enorme porción de árboles muertos debilitados por los escarabajos, asesinados por la sequía y horneados por dos semanas de 100 °F de calor hasta convertirse en leña perfecta. Y el valle de Big Creek concentraría el viento en el fuego como un fuelle. Sin una estación meteorológica en la desembocadura del arroyo, el programa no podía ver todo eso.

Marshall volvió a su computadora y volvió a ejecutar algunos números con las nuevas variables incorporadas. Observó en su pantalla cómo el fuego se extendía a una velocidad aterradora por la Sierra. Fui al tráiler de la operación y le dije a mis superiores: creo que va a saltar el río San Joaquín, recuerda. Y si lo hace, va a funcionar a lo grande.

Esta fue, en ese momento, una afirmación descabellada: ningún incendio de California había recorrido nunca nueve millas en madera pesada, sin importar cuán seca fuera. Pero en este caso, la combustión de los árboles creó poderosas columnas de aire sobrecalentado que avivaron el fuego. Saltó el río y corrió a través de la madera hasta un depósito conocido como Piscina de mamut , donde un puente aéreo de última hora salvado 200 campistas de la muerte ardiente.

El incendio de Creek fue un caso de estudio en el desafío que enfrentan los analistas de incendios de hoy, que intentan predecir los movimientos de los incendios que son mucho más severos que los vistos hace solo una década. Dado que entendemos tan poco acerca de cómo funciona el fuego, están utilizando herramientas matemáticas basadas en suposiciones obsoletas, así como plataformas tecnológicas que no logran capturar la incertidumbre en su trabajo. Los programas como Wildfire Analyst, si bien son útiles, dan una impresión de precisión y exactitud que puede resultar engañosa.

Adelantarse a los incendios más destructivos requerirá no solo nuevas herramientas informáticas, sino también un cambio radical en la forma en que se gestionan los bosques. Junto con cambio climático , generaciones de decisiones sobre el manejo de la tierra y el medio ambiente, con la intención de preservar los bosques que muchos californianos sienten el deber de proteger, han creado sin darse cuenta esta nueva era de incendios hiperdestructivos.

Pero si estos incendios masivos continúan, California podría ver los bosques de la Sierra borrados tan completamente como los de Las Montañas Azules de Australia . Evitar este escenario de pesadilla requerirá un cambio de paradigma. Los residentes, los comandantes de bomberos y los líderes políticos deben cambiar la mentalidad de prevenir o controlar los incendios forestales a aprender a vivir con ellos. Eso significará adoptar técnicas de manejo de incendios que fomenten las quemas más frecuentes y, en última instancia, permitir que los incendios transformen para siempre los paisajes que aman.

suposiciones inestables

A fines de octubre, Marshall compartió su pantalla y me llevó de gira en Wildfire Analyst. Vimos los polígonos fluorescentes FireGuard de un nuevo dedo de llama salir del fuego sin llama. Complejo de agosto . Con unos pocos clics, colocó cuatro diminutos fuegos virtuales a lo largo del borde del fuego real, al otro lado de la línea de fuego que había bloqueado su avance. Unos segundos más tarde, el fuego floreció en el paisaje simulado. Bajo las condiciones actuales, estimó el modelo, un incendio que estalló en esos puntos podría extenderse a 8,000 acres, una carrera de casi tres millas, dentro de las 24 horas.

Para Marshall y el resto de los analistas de Cal Fire, Wildfire Analyst proporciona una plataforma estandarizada en la que compartir datos de los incendios que están observando, proyecciones sobre las ejecuciones que podrían realizar y trucos para hacer que un incendio simulado se aproxime al comportamiento de uno real. . Con esa información, intentan anticipar a dónde irá el próximo incendio, lo que en teoría puede impulsar las decisiones sobre dónde enviar equipos o qué regiones evacuar.

Como cualquier modelo, Wildfire Analyst es tan bueno como los datos que lo alimentan, y esos datos son tan buenos como nuestra comprensión científica del fenómeno en cuestión. Cuando se trata de la mecánica de los incendios forestales, esa comprensión es medieval, dice marca finney , director del Servicio Forestal de EE. Laboratorio de Bomberos de Missoula .

Nuestro enfoque actual para el modelado de incendios, que impulsa todas las plataformas analíticas en tiempo real, incluido Wildfire Analyst de TechnoSylva, se basa en un conjunto particular de ecuaciones que un investigador llamado Richard Rothermel dedujo en el Fire Lab hace casi medio siglo para calcular qué tan rápido se movería el fuego, con condiciones de viento dadas, a través de combustibles dados.

La suposición clave de Rothermel, tal vez necesaria, dadas las herramientas informáticas disponibles en ese momento, pero que ahora sabemos que es falsa, era que los incendios se propagan solo a través de la radiación cuando el frente de la llama atrapa combustibles finos (paja de pino, hojarasca, ramitas) en el suelo.

Rothermel descubrió que esa extensión se extendía hacia afuera en un borde delgado que se expandía a lo largo de una elipse. Para averiguar cómo crecería un incendio, los bomberos en el campo usaron nomogramas : gráficos prefabricados que asignan valores específicos para la velocidad del viento, la pendiente y las condiciones del combustible para revelar una velocidad promedio de propagación.

DEPARTAMENTO DE AGRICULTURA DE LOS ESTADOS UNIDOS

En sus primeros días en el campo, dice Finney, extendías tu carpeta de nomogramas en el capó de tu camioneta y hacías tus proyecciones con lápiz grueso, trazando en un mapa topográfico dónde estaría el incendio en una hora, dos o más. Tres. Las ecuaciones de Rothermel permitieron a los analistas modelar el fuego como un juego de Go, a través de celdas homogéneas de un paisaje bidimensional.

Así es como han estado las cosas durante décadas. Wildfire Analyst y herramientas similares representan un rediseño de este enfoque más que una mejora fundamental. (TechnoSylva no respondió a múltiples solicitudes de entrevistas). Lo que se necesita ahora es menos una técnica para la predicción en tiempo real que una reevaluación fundamental de cómo funcionan los fuegos y un esfuerzo concertado para restaurar los paisajes de California a algo que se acerque a un equilibrio natural.

Complicaciones

El problema para productos como Wildfire Analyst y para analistas como Marshall es fácil de plantear y difícil de resolver. Un incendio no es un sistema lineal, procediendo de causa a efecto. Es un sistema acoplado en el que se enredan causa y efecto. Incluso en la escala de un vela , el encendido inicia una reacción autosostenida que deforma el entorno que lo rodea, cambiando aún más todo el sistema: el combustible se descompone en llamas, succionando más viento, lo que aviva aún más el fuego y descompone más combustible.

Dichos sistemas son notoriamente sensibles incluso a cambios pequeños, lo que los hace diabólicamente difíciles de modelar. Una pequeña variación en los datos iniciales puede conducir, como con los cálculos de Creek Fire, a una respuesta exponencialmente incorrecta. En términos de este tipo de complejidad no lineal, el fuego se parece mucho al clima, pero los modelos dinámicos de fluidos computacionales que se utilizan para crear pronósticos para, por ejemplo, el Servicio Meteorológico Nacional requieren supercomputadoras. Los modelos que intentan capturar la complejidad de un incendio forestal suelen ser cientos de veces más simples.

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Científicos pioneros como Rothermel se enfrentaron a este problema intratable ignorándolo. En cambio, buscaron factores, como la velocidad del viento y la pendiente, que pudieran ayudarlos a predecir el próximo movimiento de un incendio en tiempo real.

Mirando hacia atrás, dice Finney, es un milagro que las ecuaciones de Rothermel funcionen para los incendios forestales. Existe la gran diferencia en la escala: Rothermel derivó sus ecuaciones a partir de pequeños incendios controlados en lechos de combustible de 18 pulgadas. Pero también hay errores más fundamentales. Lo más evidente fue la suposición de Rothermel de que el fuego se propaga solo por radiación, en lugar de a través de las corrientes de convección que se ven cuando parpadea una fogata.

Esta suposición no es cierta y, sin embargo, para algunos incendios, incluso los grandes como Complejo del noroeste de Oklahoma de 2017 , que quemó más de 780 000 acres, las ecuaciones de dispersión de Rothermel todavía parecen funcionar. Pero a ciertas escalas y bajo ciertas condiciones, el fuego crea un nuevo tipo de sistema que desafía cualquier intento de describirlo.

El incendio de Creek en California, por ejemplo, no solo se hizo grande. Creó una columna de aire caliente que se acumuló bajo la estratosfera, como el vapor contra la tapa de una olla a presión. Entonces eso apareció a través de 50,000 pies , aspirando el aire desde abajo que avivó las llamas, creando un sistema de tormentas, completo con rayos y tornados de fuego, donde no debería haber tormenta.

Otros incendios enormes y destructivos parecen rebotar en el clima, o entre ellos, de manera caótica. Los incendios generalmente se calman por la noche, pero en 2020, dos de las mayores carreras en California estallaron por la noche. Dado que el calor sube, los incendios generalmente arden cuesta arriba, pero en el Oso de fuego , dos enormes cabezas de llamas corrieron 22 millas cuesta abajo, una línea de penachos de tornados girando entre ellos.

Finney dice que no sabemos si la intensidad causó los comportamientos extraños o viceversa, o si ambos surgieron de una dinámica más profunda. Una medida de nuestra ignorancia, en su opinión, es que ni siquiera podemos confiar en ella: sería muy bueno saber cuándo funcionarán nuestros modelos actuales y cuándo no, dice.

Ilusiones

Para Finney y otros científicos especializados en incendios, el peligro de productos como Wildfire Analyst no es necesariamente que sean inexactos. Todos los modelos lo son. Es que esconden soluciones dentro de una caja negra y, mucho más importante, se centran en el problema equivocado.

A diferencia de Wildfire Analyst, la generación anterior de herramientas requería que los analistas supieran con precisión qué coberturas y suposiciones estaban haciendo. Las nuevas herramientas dejan todo eso en manos de la computadora. Dichos productos juegan con la obsesión del campo con el modelado, me dijeron científico tras científico, a pesar de que ningún modelo puede predecir lo que hará el fuego.

Siempre puede calibrar el sistema después para que coincida con sus observaciones, dice brandon collins , científico investigador de incendios forestales en UC Berkeley. ¿Pero puedes predecirlo de antemano?

Hacerlo es una cuestión de ciencia más que de tecnología: requeriría una investigación primaria para desarrollar y probar una nueva teoría de la llama. Pero ese trabajo es costoso y la mayor parte del dinero de la investigación de incendios forestales se otorga para resolver problemas técnicos específicos. El Laboratorio de Bomberos de Missoula sobrevive con los restos de un presupuesto de la era de la Gran Sociedad; su instalación hermana, la Laboratorio de incendios de Macon en Georgia, se cerró en la década de 1990.

Collins y Finney están haciendo lo que pueden con los fondos disponibles. Ambos son parte de un grupo de trabajo público-privado de ciencia de incendios llamado piregencia eso es convertir un silo de grano en un horno para ver cómo los troncos grandes, como la madera caída en Big Creek, propagan el fuego.

Mientras tanto, el equipo de Finney en Missoula Fire Lab está trabajando para desarrollar un conjunto de datos que responda preguntas fundamentales sobre el fuego, una base potencial para nuevos modelos. Su objetivo es describir cómo el viento en troncos humeantes genera nuevos frentes de llamas; cuantificar la probabilidad de que las brasas arrojadas por una llama detecten o enciendan nuevos incendios; y estudiar el papel que parecen jugar los bosques de pinos en el fomento de su propia quema.

El objetivo de esos modelos es menos ver a dónde irá un incendio en particular una vez que se haya desatado, y más servir como una herramienta de planificación para ayudar a los californianos a manejar mejor el paisaje propenso a incendios y extinguido por incendios en el que viven.

Al igual que los ecosistemas en Chile, Portugal, Grecia y Australia—todas las regiones que recientemente han visto más megaincendios—los bosques de coníferas de California evolucionaron a lo largo de miles de años en los que los incendios naturales y provocados por el hombre eliminaron periódicamente el exceso de combustible y crearon el espacio y los nutrientes para nuevos incendios. crecimiento.

Antes del siglo XIX, se cree que los nativos americanos quemaban deliberadamente la misma cantidad de California cada año que quemaron allí en 2020. Prácticas similares sobrevivieron hasta la década de 1970: los ganaderos en las estribaciones de la Sierra quemaban maleza para fomentar un nuevo crecimiento para su animales para comer. Los madereros sacaron toneladas de madera de los bosques preparados para producir grandes volúmenes y quemaron los escombros en el lugar.

JOSH BERENDES / UNSPLASH

Luego, cuando los ganaderos quebraron y vendieron sus tierras a los desarrolladores, los pastizales se convirtieron en comunidades residenciales. Las regulaciones de aire limpio disuadieron a los ganaderos restantes de quemar. Y décadas de conflicto entre las organizaciones ambientalistas y las empresas madereras terminaron, en la década de 1990, cuando los madereros abandonaron los bosques que alguna vez habían talado.

En la Sierra, como en estas otras regiones ahora propensas a enormes y destructivos incendios, se abandonó en gran medida un paisaje muy alterado que hace mucho tiempo fue arrancado de cualquier equilibrio natural. Crecieron millones de acres de pinos, apiñados y sedientos. Eventualmente, muchos fueron asesinados por la sequía y los escarabajos de la corteza, acumulándose en una preponderancia de combustible. Los incendios que podrían haber despejado la tierra y restablecido el bosque fueron extinguidos por el Servicio Forestal de EE. UU. y Cal Fire, cuyo objetivo principal se había convertido en la supresión de incendios al por mayor.

Liberarse de este legado no será fácil. El futuro por el que Finney está trabajando es uno en el que las personas puedan comparar varios modelos y decidir cuál funcionará mejor para una situación determinada. Él y su equipo esperan que mejores datos conduzcan a mejores modelos de planificación que, dice, podrían darnos la confianza para dejar que algunos incendios ardan y hagan el trabajo por nosotros.

Aún así, dice, centrarse demasiado en los modelos corre el riesgo de perderse una pregunta más importante: ¿Qué pasa si ignoramos el aspecto básico de los incendios forestales: que necesitamos más fuego, fuego adecuado, para que no dejemos que los incendios nos sorprendan y nos destruyan?

Vivir con incendios forestales

En 2014, el rey fuego arrasó la Sierra de California, dejando una cicatriz de quemadura donde los árboles aún no han vuelto a crecer. En cambio, dice el silvicultor del Servicio Forestal Dana Walsh , han sido reemplazados por gruesas esteras de chaparral, un arbusto propenso al fuego que ha exprimido el retorno del bosque.

La gente pregunta qué sucede si dejamos que la naturaleza siga su curso después de un gran incendio, dice Walsh. Obtienes 30,000 acres de chaparral.

Este es el peligro que ahora enfrentan los paisajes desde los Pirineos hasta la Sierra de California y las Montañas Azules de Australia, dice Marc Castellnou , científico de incendios catalán que es consultor de TechnoSylva. En las últimas dos décadas, ha estudiado el surgimiento de los megaincendios en todo el mundo, observando cómo rompieron récords de longitud o velocidad de carrera.

Durante demasiado tiempo, dice, la política forestal y de incendios de California se ha resistido a un cambio inevitable en el paisaje. El estado no necesita herramientas de predicción impecables para ver hacia dónde se dirigen sus bosques, dice: el combustible se está acumulando, la energía se está acumulando, la atmósfera se está calentando. El paisaje se reequilibrará.

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La supresión de incendios ha fallado. Esto es lo que California debe hacer en su lugar. Es hora de revertir un siglo de política de manejo de incendios. Eso requerirá reformas regulatorias radicales y toneladas de dinero.

La elección de California, como en Cataluña, donde Castellnou es científico jefe del cuerpo de bomberos de 4.000 personas de la provincia autónoma, es moverse con ese cambio y tener alguna posibilidad de influir en él, o ser arrollado por los megaincendios.

El objetivo es menos regenerar los bosques autóctonos en estas áreas, que Castellnou cree que han quedado obsoletos por el cambio climático, que trabajar con el paisaje para desarrollar un nuevo tipo de bosque donde es menos probable que los incendios forestales se conviertan en llamas masivas.

En gran medida, su enfoque radica en volver a las antiguas técnicas de gestión del territorio. La población rural de su región alguna vez controló los incendios destructivos iniciando o permitiendo incendios frecuentes y de baja intensidad, y utilizando el ganado para devorar la maleza en el ínterin. Plantaron rodales de especies de madera dura resistentes al fuego que se erguían como centinelas, bloqueando las oleadas de llamas.

Para Castellnou, sin embargo, esto también significa tomar decisiones políticamente difíciles. En julio de 2019, en las afueras de Tivissa, España, lo vi explicar a un grupo de alcaldes rurales catalanes y olivareros por qué había dejado quemar el área alrededor de sus pueblos.

Le preocupaba que si las cuadrillas ralentizaban los incendios catalanes, podrían provocar que se formara un pirocumulonimbus, una nube violenta de fuego, truenos y viento como la que se formó sobre el incendio Creek. Tal fenómeno podría haber avivado el fuego hasta que de todos modos tomó las ciudades. Ahora, dice, señalando la cicatriz de la quemadura, los pueblos tenían una defensa contra incendios en lugar de una responsabilidad. Era otro mosaico en un paisaje de mosaico de pastizales, bosques y viejas cicatrices de incendios que podrían interrumpir un incendio forestal.

Si bien las quemas planificadas son difíciles de tragar para muchos, dejar que los incendios forestales arrasen las ciudades, incluso las evacuadas, es una venta aún más difícil. Y reemplazar los bosques vírgenes de Sierra Nevada con un paisaje capaz de sobrevivir tanto a la sequía como a los incendios más destructivos, por ejemplo, rodales abiertos de pino ponderosa salpicados por campos de hierba, arrebatados por cabras o ganado, podría sentirse como una pérdida.

Hacer algo de esto bien significa adoptar un cambio en la filosofía tan grande como cualquier cambio en la tecnología o la ciencia predictiva, uno que le dé la bienvenida al fuego como una parte natural del medio ambiente. No estamos tratando de salvar el paisaje, dice Castellnou. Estamos tratando de ayudar a crear el próximo paisaje. No estamos aquí para combatir las llamas. Estamos aquí para asegurarnos de tener un bosque mañana.