Warum es so schwer ist, den Rauch von Waldbränden vorherzusagen

Von Carolyn Kormann

Stellen Sie sich den borealen Wald im Norden Quebecs am Morgen des 1. Juni vor. Bären, Elche und Wölfe zogen umher und umkreisten die ungewöhnlich trockenen Seen, Moore, Flüsse und Bäche. Am Nachmittag, nach wochenlangem Sonnenschein, rollten plötzlich heftige Gewitter über die ausgedehnten Waldgebiete mit Schwarz- und Weißfichten, subalpinen Tannen, Jackkiefern und Espen. Immer wieder schlugen Blitze in den Boden ein. An einem einzigen Tag wurden 123 Feuer entzündet. Der Torf und Duff des Waldbodens begann zu schwelen. Umgestürzte Baumstämme knisterten und spuckten. Die unteren Äste der Fichten fingen Feuer. Als die Brände schnell zunahmen, stieg Rauch in die mittleren und oberen Schichten der Troposphäre auf, drei bis fünf Meilen über dem Boden. Unterdessen blieb über Prince Edward Island ein großes küstennahes Tiefdruckwettersystem aufgrund eines ungewöhnlich welligen, stehenden Jetstreams stecken, der laut Forschung mit der raschen Erwärmung der Arktis in Zusammenhang steht. Der Wind drehte sich gegen den Uhrzeigersinn und fegte eine Woche nach den Blitzeinschlägen die verdampften Überreste des borealen Waldes in die Lungen der New Yorker.

Hunderte Kilometer von seinem Ursprung in Quebec entfernt breitete sich der Rauch zwischen Wolkenkratzern und Schulen aus, wehte durch Zäune und Gassen und schwebte vor Sandsteinhäusern und Bodegas. Für die meisten der Millionen, die am 7. Juni den kupferfarbenen Himmel sahen, fühlte sich die Ankunft des Rauchs plötzlich und unerwartet an. Mitte Juli traf erneut Rauch ein, dieses Mal aus Alberta im Westen Kanadas. In New York gab Gouverneurin Kathy Hochul am Sonntag, dem 16. Juli, eine Warnung heraus, und am nächsten Tag schoss der Luftqualitätsindex (AQI), der die Luftverschmutzung misst und im Sommer in New York City normalerweise bei etwa vierzig liegt, erneut in die Höhe über hundert.

Die Dringlichkeit von Hochuls Aussage – „wir aktivieren Notfallbenachrichtigungen auf unseren Straßen und öffentlichen Verkehrsmitteln und stellen den Bezirken Masken zur Verteilung zur Verfügung“, sagte sie – spiegelte nicht nur ein besseres Verständnis für das historische Ausmaß der kanadischen Waldbrände in diesem Jahr wider, sondern auch für die Situation die Notwendigkeit, die Öffentlichkeit besser darüber aufzuklären, wie sie sich vor schlechter Luft schützen kann. Und doch: Warum keine frühere Warnung? Weder waren die Waldbrände, die eine Woche zuvor ausgebrochen waren, verborgen, noch waren die Wetterbedingungen ein Geheimnis. Ich fragte einen Sprecher des New Yorker Department of Environmental Conservation (DEC), der sagte, dass die „Meteorologen der Behörde die besten verfügbaren wissenschaftlichen Erkenntnisse nutzen, um tägliche Schwankungen der Luftqualität vorherzusagen“. Bedeutet das, dass die beste verfügbare Wissenschaft wirklich nur eine Vorhersage von einem Tag zulässt?

Die Lösung dieses Rätsels beginnt mit der Bürokratie. Die Environmental Protection Agency (EPA) sammelt und verarbeitet Luftqualitätsdaten von staatlichen und lokalen Monitoren – eine Folge des Clean Air Act – und sendet die Daten dann an die National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), die sie in die Rechenzentren ihrer Supercomputer einspeist. Wetter- und Luftqualitätsmodelle. Staatliche und lokale Experten – wie die New Yorker DEC-Meteorologen – kombinieren ihre eigenen Analysen mit ihren Interpretationen der NOAA-Richtlinien sowie anderer Modelle und geben dann rund um die Uhr Luftqualitätsvorhersagen für ihre Zuständigkeitsbereiche heraus. Die EPA verteilt diese staatlichen und lokalen Prognosen auch landesweit.

All dies läuft auf eine Ein-Tages-Vorhersage hinaus, völlig unabhängig vom übrigen Wetter. Aber ist Rauchwetter nicht auch Wetter? „Ich würde Rauch als einen meteorologischen Begriff betrachten“, sagte mir Matt Sitkowski, der leitende Wissenschaftsredakteur des Weather Channel. „Rauch kann die Sicht- und Temperaturvorhersagen verändern.“ Er bemerkte, dass Wetterstationsberichte ein offizielles Symbol (das einem dünnen Schornstein ähnelt) verwenden, um auf das Phänomen hinzuweisen: „Sicht durch Rauch eingeschränkt“. Das Glossar der American Society of Meteorology (AMS) umfasst Rauch, definiert als „Fremdpartikel in der Atmosphäre, die aus Verbrennungsprozessen resultieren; eine Art Lithometeor.“ METAR, ein von Fliegern und Meteorologen verwendeter Wettercode, listet Rauch auf und gibt ihm die lautmalerische lateinische Abkürzung FU. Und doch gibt es in der Wetter-App meines Telefons keinen Tab für Rauch. Ich kann überprüfen, wie hoch der Taupunkt, die Luftfeuchtigkeit und der Luftdruck in den nächsten zehn Tagen sein werden. Ich kann sogar die Sichtbarkeit überprüfen. Aber FU? Phooey. Es gibt nur eine Popup-Blase, die den Luftqualitätsindex in Echtzeit anzeigt. Das sagt Ihnen jedoch nicht, ob Ihr asthmatisches Kind am Wochenende draußen spielen kann oder ob ältere Hochzeitsgäste bei einer Zeremonie im Freien in Sicherheit sind. Das Geheimnis bleibt bestehen. Warum haben wir keine Rauchprognosen?

Im November 2018 durchforstete Tina Katopodes Chow, eine begeisterte, bebrillte Professorin für Umwelttechnik an der UC Berkeley, das Internet und fragte sich dasselbe. Das Lagerfeuer brannte im gesamten Butte County und erstickte die Bay Area. (Siehe AMS-Glossar.) Chow fand schließlich eine NOAA-Webseite mit einem Rauchvorhersagemodell. Aber ganz oben stand in Fettschrift: „Experimentelle Prognose, Nutzung auf eigene Gefahr.“ Trotzdem überprüfte sie es jeden Tag, und eines Morgens, nach einer Woche schlechter Luft, hieß es, dass sich der Rauch verziehen würde. „Ich dachte: ‚Oh, morgen wird es besser!‘ Aber das war es nicht.“ Chow, die seit ihrem Harvard-Studium von der Strömungsmechanik – der Strömung von Luft und Wasser – besessen ist und nicht dazu neigt, ein Problem unerforscht zu lassen, schickte eine E-Mail an die beiden Entwickler des NOAA-Modells, Eric James und Ravan Ahmadov. „Ich dachte: ‚Oh, ich bin nur neugierig. Haben Sie Ihr Modell validiert?‘ Weil mir dieser große Unterschied aufgefallen ist.‘ ”

Die Vorhersage von Rauch ist ein schwieriges Problem und so knifflig, dass es in den USA bis Dezember 2020 keine hochauflösende, automatisch aktualisierte Rauchvorhersage gab. Eine kleine Gruppe von NOAA-Wissenschaftlern hatte die Idee, Rauch vorherzusagen, schon Jahre zuvor in Umlauf gebracht, aber die Möglichkeiten, die Technologie, und tatsächlich war die Dringlichkeit nicht vorhanden gewesen. Das begann sich etwa im Jahr 2014 zu ändern, als NOAA und der Nationale Wetterdienst das Atmosphärenmodell „High-Resolution Rapid Refresh“ (oder HRRR, reimt sich auf „Fell“) auf den Markt brachten – ein stündlich aktualisiertes Echtzeitwetter auf dem neuesten Stand der Technik -Vorhersagesystem. Zwei Jahre später bat die Agentur James – der einen Master in Atmosphärenwissenschaften hatte, aber noch nicht einmal mit seiner Doktorarbeit begonnen hatte – und Ahmadov, einen Experten für Luftverschmutzungschemie, experimentellen Code zu schreiben, der Rauch in ein Gebäude integrieren könnte Parallelversion von HRRR. Die NASA hatte eine Reihe polar umlaufender Satelliten gestartet, die über Instrumente verfügten, die zunehmend in der Lage waren, Brandherde aus dem Weltraum zu erkennen. „Das war also eine Chance“, sagte James. Das neue Modell hieß HRRR-Smoke.

James und Ahmadov einigten sich darauf, mit Chow an einem Papier zusammenzuarbeiten, das die Genauigkeit von HRRR-Smoke während des Lagerfeuers analysierte. Normalerweise ist die Validierung eines Rauchvorhersagemodells äußerst schwierig, da es zu jedem Zeitpunkt oft mehrere Rauch- und Luftverschmutzungsquellen gibt. Aber das Lagerfeuer war zu dieser Zeit das einzige große Waldfeuer im Westen, was es zu einem hervorragenden Beispiel dafür machte, die Vorhersagen des Modells darüber zu überprüfen, wohin sich der Rauch ausbreiten würde. Chow und ihre Schüler betrachteten das Projekt als eine nicht finanzierte Liebesarbeit. In ihrer im Jahr 2022 veröffentlichten Arbeit wurde festgestellt, dass das Modell recht gut funktionierte und zunächst erfolgreich die Entwicklung der Camp Fire-Rauchfahne und ihre 3D-Dimensionen über komplexem Gelände simulierte. Da HRRR-Smoke jedoch auf Satellitenbeobachtungen von Bränden und Strahlungsmessungen angewiesen ist, muss es in der Lage sein, die Hotspots eines Feuers zu erkennen. Das Lagerfeuer erzeugte jedoch so dichten Rauch, dass er die Sicht des Satelliten versperrte. Der Satellit ging davon aus, dass es sich bei dem Rauch um eine Wolke handelte, dass es keine Hitze gab und dass das Feuer verschwunden war. In dem Papier wurde auch darauf hingewiesen, dass das Modell nur auf polarumlaufenden Satelliten beruhte und keine Daten von Boden-Luft-Sensoren berücksichtigte.

James und Ahmadov fuhren fort, den Modellcode zu debuggen, neu zu schreiben und zu verfeinern, mit Hilfe der Arbeit von Chow und ihren Schülern. (Sie versuchen nun, den Algorithmus so zu verbessern, dass er weiß, dass ein riesiges Feuer nicht über Nacht verschwinden wird.) Der Sommer 2020 war besonders schlimm. Mehr als die Hälfte der kalifornischen Bevölkerung war einen Monat oder länger mit ungesunder oder gefährlicher Luft (AQI über 150) konfrontiert. „Im ganzen Land waren so viele Menschen von Rauch betroffen, besonders aber im Westen der USA“, sagte James. Als die NWS im Dezember 2020 ihre vierte Version des Allwetter-HRRR-Modells auf den Markt brachte, führte sie offiziell den Rauchvorhersagecode ein. HRRR-Smoke war jetzt zuverlässig online und aktualisierte sich stündlich. Niemand musste einen Knopf drücken.

Dennoch sind mehr als zwei Jahre vergangen und das Modell macht keine Vorhersagen über 48 Stunden hinaus. „Die Vorhersage von Rauch ist aus mehreren Gründen sehr schwierig“, sagte mir Marshall Burke, Professor an der Stanford University und führender Experte für die Rauchbelastung und -auswirkungen von Waldbränden. „Zuerst müssen die Emissionen richtig eingestellt werden. Sie benötigen eine gute Schätzung der Müllmenge, die ein Flächenbrand in die Atmosphäre schleudert.“ Das ist zum Teil ein Produkt der Vegetationsart. HRRR-Smoke geht davon aus, dass ein Wald mehr Rauch produziert als Grasland. Die Biomasse eines Waldes unterliegt jedoch enormen Schwankungen. „Die Form der Biomasse und der Feuchtigkeitsgehalt sind entscheidend“, sagte mir Robert Gray, ein Waldbrandökologe in British Columbia. Die Struktur des Waldbodens hängt von der Menge an Torf, Duff, umgestürzten Baumstämmen und toten Bäumen ab – möglicherweise getötet durch Käferplagen, die sich mit dem Anstieg der globalen Temperaturen vermehrt haben. Einige Baumarten, wie zum Beispiel Espen, ähneln Asbest und fungieren fast als Brandschutz. Andere sind leicht entzündlich – nordamerikanische Feuerwehrleute nennen Schwarzfichte „Gas am Stiel“. Schwelende Verbrennung erzeugt die schlimmsten Waldbrandemissionen. Aber HRRR-Smoke kann solche Details noch nicht einbauen.

Es ist auch schwierig, die „Injektionshöhe“ zu bestimmen – also wie hoch der Rauch in die Atmosphäre gelangt. Ist es in der Nähe der Oberfläche begrenzt, was bedeutet, dass es nur die lokale Luftqualität beeinträchtigt, oder bildet es eine gewaltige Wolke, die fünf Meilen in die Atmosphäre reicht und einen Transport über große Entfernungen ermöglicht? Oder wird es einen Pyrocumulonimbus bilden – ein meteorologisches Monster, das sein eigenes Wetter erzeugt und große Mengen Rauch in die Stratosphäre injiziert, wo er den ganzen Globus umkreisen kann? Der Rauch der Brände in Quebec gelangte nach Europa.

Bei Vorhersagen, die sich über mehrere Tage in die Zukunft erstrecken, nehmen die Unsicherheiten einfach deshalb zu, weil es schwierig ist, zu wissen, was das Feuer tun wird. Wird es in zwei Tagen weniger aktiv sein, weil Regen auf dem Weg ist? Oder steigt die Temperatur und sinkt die Luftfeuchtigkeit? James und Ahmadov beginnen mit der Modulation der Rauchmenge, die ihr Modell basierend auf der Wettervorhersage vorhersagt. Was ist mit den Bemühungen von Feuerwehrleuten und Wasserbombern? Werden sie einen Brand kontrollieren und den Rauch verlangsamen? Wieder zu granular. „Das übersteigt derzeit bei weitem unsere Möglichkeiten“, sagte James.

Sobald sich Rauch in einem bestimmten Bereich befindet, ist es für das Modell nicht schwierig, grob vorherzusagen, wohin er sich entwickeln wird. „Der Transport findet zwischen Hoch- und Tiefdruckgebieten statt“, sagte James, „also könnte ein Tiefdruckgebiet im Nordosten Rauch aus dem Nordwesten bringen, wie es diesen Sommer häufig passiert ist.“ Wenn die vorhergesagte Windrichtung jedoch auch nur um ein paar Grad falsch ist, könnte das bedeuten, dass die vorhergesagte Rauchwolke über Hunderte von Kilometern stark abweicht.

Die größte Herausforderung besteht darin, die Rauchdichte in der Nähe der Oberfläche vorherzusagen. Damit Partikel unsere Luftqualität stark beeinträchtigen, müssen sie sich natürlich in der Nähe der Oberfläche befinden, also in der Luft, die wir atmen. Selbst wenn HRRR-Smoke genau vorhersagt, wie viel Kohlenstoff ein Feuer ausstößt, sagte mir Sitkowski vom Weather Channel: „Der Rauch kann sich in der Atmosphäre auf und ab bewegen, wenn er sich flussabwärts von einem Flächenbrand bewegt.“ Diese Variabilität in der Luftsäule, bei der sich dichte Rauchflecken mit unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten und -richtungen bewegen, kann einen großen Einfluss auf die resultierende Luftqualität an entfernten Orten haben. Wenn es darum geht, zu wissen, ob die Luftqualitätsindex-Blase fünfzig oder einhundertfünfzig anzeigt, ob der Himmel nur dunstig oder apokalyptisch gegrillt sein wird, haben die Prognosen noch viel zu tun. „Die Rauchvorhersagen sind heute ungefähr so ​​zuverlässig wie die Wettervorhersagen vor 45 Jahren“, sagte mir Jeff Masters, der Mitbegründer der Website Weather Underground. Deshalb müssen wir uns vorerst damit begnügen, uns den Launen der Elemente zu ergeben. Und an rauchigen Tagen müssen die Menschen daran erinnert werden, die Fenster zu schließen, Masken zu tragen und drinnen zu bleiben.

Der kanadische Borealwald wird wie ein Phönix aus dem Feuer wiedergeboren. Mehrere seiner häufig vorkommenden Arten, wie Schwarzfichte sowie Jack- und Drehkiefern, können sich ohne Feuer nicht fortpflanzen. Grelle Hitze ist das Einzige, was das Harz schmilzt, das ihre serösen Zapfen zusammenhält, und ihre Samen auf den Waldboden abgibt. Serotiny – der Name für diesen Prozess – ist die Antwort der Evolution auf Feuer. Auch wir haben uns mit dem Feuer weiterentwickelt. Unsere Zivilisation würde nicht existieren, ohne dass das Feuer uns aus der Dunkelheit führt, uns warm hält, die Nährstoffe und Energie unserer Nahrung freisetzt und unsere großen Erfindungen antreibt. Aber all diese Verbrennungen – insbesondere die Verbrennung fossiler Brennstoffe in den letzten zwei Jahrhunderten – haben gefährliche Mengen Kohlendioxid in die Atmosphäre geschleudert, die Klimakrise angeheizt und die schlimmsten Waldbrände ausgelöst, die unsere moderne Gesellschaft je gesehen hat. In den letzten zehn Jahren waren allein in Quebec bis Anfang August durchschnittlich 554.968 Acres abgebrannt. Aber dieses Jahr sind 12.670.167 Acres abgebrannt. Es wird erwartet, dass die Waldbrände den ganzen September über und möglicherweise auch noch später weiter brennen werden, was bedeutet, dass wir diesen Sommer mit mehr rauchigen Tagen rechnen müssen.

Die Klimakrise bringt ein neues Wetter, für das Rauchprognosen notwendig sind. „Dieses Jahr ist ziemlich verrückt. So etwas haben wir noch nie gesehen“, erzählte mir Masters. „Aber es wird nicht das letzte Mal sein, dass wir so etwas sehen. Angesichts der enormen Auswirkungen dieser Art von Ereignissen auf unsere Gesellschaft wird es meiner Meinung nach großen Druck geben, bessere Rauchvorhersagen zu erhalten.“ (Private Unternehmen wie IQAir treiben diesen Bereich ebenfalls voran.) So gut und notwendig Feuer für den Wald auch sein mag, der Rauch, den es ausstößt, ist niemals gut für uns. „Es ist eines der schlimmsten Dinge, die man atmen kann“, sagte Masters. Mehrtägige Vorhersagen, die darauf hinweisen, dass sich der Rauch in eine bestimmte Richtung ausbreitet, sind möglicherweise ungenau und verraten uns möglicherweise nicht den genauen Luftqualitätsindex in einer Woche, wären aber dennoch eine gute Ergänzung zu Wetterübertragungen und Apps. Wenn überhaupt, könnten sie dazu dienen, die Menschen an die Klimakrise zu erinnern – nicht nur daran, dass die Waldbrandsaison immer länger und intensiver wird, sondern auch daran, dass alle davon betroffen sein werden. Es ist nicht mehr nur ein Problem für Menschen, die sich dafür entscheiden, in einem Waldbrandgebiet oder im Westen zu leben. Es ist global, es ist unausweichlich, es ist jedermanns Wetter. ♦