Wenn Flammen angreifen

„Bestimmte Flammenverhalten können eine Warnung sein, wenn Eruptionsübergänge wahrscheinlich sind“, sagte Postdoktorand Jerome Fox. „Bei einem Waldbrand könnten diese Verhaltensweisen die Feuerwehrleute warnen, Abstand zu halten.“

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Von Peter ReuellHarvard-Mitarbeiterautor

Datum: 2. April 2015

Die Bekämpfung von Waldbränden birgt viele Gefahren, und vielleicht am beängstigendsten ist die Tatsache, dass sich langsame Brände plötzlich in schnelle, tödliche Brände ausbreiten können. Es ist ein Moment, vor dem sich Feuerwehrleute fürchten und der kaum vorhersehbar zu sein scheint.

Jerome Fox ist sich nicht so sicher, ob das unmöglich ist.

Fox, ein Postdoktorand im Labor von George Whitesides, Professor an der Woodford L. and Ann A. Flowers University, ist der Autor einer neuen Studie, in der Forscher vorhersagen konnten, wann Testflammen im Labor wahrscheinlich von langsam auf zu schnelllebig. Ihre Bemühungen könnten schließlich den Weg für ähnliche Vorhersagen für Waldbrände ebnen. Die Studie wird in einem kürzlich in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlichten Artikel beschrieben.

„Im Moment gelten diese abrupten Übergänge in den Ausbreitungsraten als unvorhersehbar“, sagte Fox. „Unsere experimentellen Ergebnisse legen nahe, dass das möglicherweise nicht stimmt. … Bestimmte Flammenverhalten können warnen, wenn Eruptionsübergänge wahrscheinlich sind. Bei einem Waldbrand könnten diese Verhaltensweisen die Feuerwehrleute warnen, Abstand zu halten.“

Natürlich ist es unmöglich, einen Waldbrand ins Labor zu bringen. Um zu verstehen, wie sich Flammen in komplexen Umgebungen ausbreiten, hat Fox ein Modellsystem entwickelt: einen entzündeten Streifen Nitrozellulose.

Beim Anzünden brannten die Streifen, aber nicht immer auf die gleiche Weise. In einigen Fällen bewegten sich die Flammen langsam entlang der Streifen und nahmen klar definierte Formen an. In anderen Fällen bewegten sich die Flammen schnell und bildeten unklare, fast stürmische Strukturen.

„Unter den gleichen Bedingungen gibt es zwei stabile Zustände“, sagte Fox. „Mithilfe dieses Modellsystems versuchten wir, Muster in der Flammendynamik (den Bewegungen der Flamme) zu identifizieren, die uns warnen könnten, wenn eine sich langsam bewegende Flamme wahrscheinlich in eine sich schnell bewegende Flamme ausbrechen würde. Wir haben sie gefunden.“

Fox sagte, die Flammen zeigten ein Verhalten, das als „kritische Verlangsamung“ bekannt sei.

„Unter Bedingungen, unter denen Übergänge zur sich schnell bewegenden Flamme wahrscheinlicher wurden, erholte sich das System langsamer von Störungen“, sagte Fox. „Wir haben das System gestört, indem wir eine Falte in den Nitrozellulosestreifen eingebracht haben. Beim Auftreffen auf die Falte würden sich langsam bewegende Flammen in manchen Fällen in sich schnell bewegende Flammen verwandeln; in anderen Fällen würden sie sich ohne Übergang erholen. Wir haben gemessen, wie lange es im letzteren Fall dauerte, bis sich diese Flammen erholten. Unter Bedingungen, bei denen langsame zu schnelle Übergänge wahrscheinlicher waren, waren die Erholungszeiten viel länger. Das ist genau die Definition einer kritischen Verlangsamung.“

Störungen entstehen jedoch nicht nur durch von Forschern geschaffene Hindernisse.

„Natürlich ist die Flamme sogenannten stochastischen Störungen ausgesetzt“, sagte Fox. „Das sind Störungen, die durch kleine Luftbewegungen und andere zufällige Ereignisse verursacht werden. Diese subtilen Umweltveränderungen können zum Flackern von Flammen führen. Als wir dieses Flackern mit einer Hochgeschwindigkeitskamera beobachteten, konnten wir die gleiche Verlangsamung beobachten, die wir bei den Flammen beobachteten, die sich aus Falten im Streifen erholten.“

Obwohl andere Forscher die Hypothese aufgestellt haben, dass natürliche Schwankungen in allen Bereichen, von den Finanzmärkten bis zum Klima, Symptome einer kritischen Verlangsamung aufweisen könnten, sagte Fox, die neue Studie sei die erste, die das Phänomen bei Bränden nachweise.

„Sie können sich vorstellen, dass es schwierig ist, so etwas wie das Klima zu stören, aber Wissenschaftler können Schwankungen in der CO2-Konzentration überwachen und nach Anzeichen einer kritischen Verlangsamung suchen, die vor bevorstehenden Klimaveränderungen warnen könnten“, sagte er.

Fox warnte jedoch, dass noch mehr Arbeit erforderlich sei, bevor Wissenschaftler sicher sagen können, ob Waldbrände ähnliche Symptome einer kritischen Verlangsamung aufweisen wie die Flammen in ihrem Modellsystem.

„Wir können keinen direkten Zusammenhang herstellen, da es sich offensichtlich um einen brennenden Papierstreifen handelt und ein Waldbrand ein Waldbrand ist. Es gibt einige Probleme bei der Skalierung“, sagte Fox. „Aber interessanterweise enthalten beide Systeme einen Schlüsselbestandteil der Bistabilität: einen Mechanismus der positiven Rückkopplung. In unserem Modellsystem stabilisiert diese Rückkopplung die Bildung eines zweiten stabilen Zustands, der sich schnell bewegenden Flamme. Diese Flamme bewegt den Nitrozellulosestreifen und verändert gleichzeitig seine Position auf dem Streifen als Reaktion auf solche Bewegungen. Waldbrände haben einen konzeptionell ähnlichen Rückkopplungsmechanismus: Wind-Feuer-Kopplung. Wind beeinflusst die Ausbreitung eines sich bewegenden Feuers, und dieses Feuer setzt Wärme frei, wodurch sich die lokalen Windgeschwindigkeiten verändern – oft sogar verstärken. Wenn sich schnell ausbreitende Brände, die durch die Wind-Feuer-Kopplung aufrechterhalten werden, einen zweiten stabilen Zustand darstellen, könnten Waldbrände, wie die Flammen in unserem Modellsystem, Symptome einer kritischen Verlangsamung aufweisen, die warnen, wann es wahrscheinlich ist, dass sich schnell ausbreitende Brände ausbrechen.“

Für die Zukunft, sagte Fox, hofft er, neue Studien durchführen zu können, um zu untersuchen, ob Waldbrände wie im Labor bistabil sein können, ob Rückkopplungsmechanismen in Vorhersagemodelle für die Brandausbreitung integriert werden können und ob Feuerwehrleute, die an ihnen arbeiten Die Frontlinien könnten möglicherweise Symptome einer kritischen Verlangsamung erkennen.

„Dann beginnen wir vielleicht zu verstehen, wie wir diese Warnsignale in umsetzbare Informationen für Brandschutzteams integrieren können“, sagte er.