Le laboratoire volant DC-8 de la NASA a pris son envol lundi pour lancer une enquête de deux mois sur les cycles de vie de la fumée des incendies aux États-Unis. L'objectif est de mieux comprendre l'impact de la fumée sur le temps et le climat et de fournir des informations qui permettront d'améliorer les prévisions de la qualité de l'air.

Une campagne conjointe menée par la NASA et la National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), Fire Influence on Regional to Global Environments and Air Quality (FIREX-AQ) cible des questions générales sur les propriétés chimiques et physiques de la fumée d'incendie, comment il est mesuré et comment il change depuis le moment de la combustion jusqu'à son destin final à des centaines ou des milliers de milles sous le vent. Tous ces éléments ont des implications pour la santé publique.

"Finalement, notre objectif est de mieux comprendre les interactions complexes fumée-atmosphère pour améliorer les modèles de prévision de la qualité de l'air, conduisant à une précision accrue et à une notification plus rapide, qui sont critiques pour les communautés sous le vent des incendies, " a déclaré Barry Lefer, co-investigateur de FIREX-AQ, responsable du programme de composition troposphérique au siège de la NASA à Washington. "C'est cet objectif commun qui a réuni nos agences il y a plusieurs années lorsque nous avons commencé à planifier cet effort majeur."

"Nous avons réuni une équipe exceptionnelle de scientifiques qui utiliseront la suite d'instruments et de modèles la plus sophistiquée jamais réunie pour examiner la nature des incendies et de la fumée, " a déclaré David Fahey, directeur de la division des sciences chimiques de la NOAA. "Notre long partenariat avec la NASA nous a littéralement fait faire le tour de la planète et a produit trop de découvertes scientifiques majeures pour être comptées. Je pense que ce ne sera pas différent."

La première phase de la campagne est centrée sur l'observation de la fumée des incendies de forêt dans l'ouest des États-Unis. Equipé d'instruments de télédétection et in situ de pointe, plusieurs avions basés à Boise, Idaho, travaillera à l'unisson pour échantillonner les panaches de fumée et leur chimie changeante ainsi que la dynamique météorologique, suivre les panaches de la combustion vers des destinations souvent éloignées de plusieurs états.

Le laboratoire volant DC-8 de la NASA, un cheval de bataille scientifique qui voyage sur de longues distances, sera rejoint par deux Twin Otter de la NOAA. L'avion ER-2 de la NASA atteignant la stratosphère décollera également du centre de recherche en vol Armstrong à Palmdale, Californie.

A la mi-août, la base d'opérations déménagera à Salina, Kansas, avec des vols dirigés contre la fumée des incendies agricoles dans le sud-est des États-Unis. Il y a des centaines de ces incendies chaque année et ils sont proches des centres de population, mais leur petite taille par rapport à la capacité d'observation des satellites signifie qu'ils ne sont souvent pas détectés par les satellites qui fournissent la base de nombreuses estimations des quantités d'émissions de fumée. Les observations des aéronefs sont également essentielles pour comprendre la dynamique des panaches à petite échelle et leurs impacts scientifiques.

Les prévisions de fumée sont basées sur plusieurs modèles de prévision différents qui utilisent comme données d'entrée des satellites et d'autres données, comme la superficie brûlée par les incendies agricoles. Les satellites de la NASA et de la NOAA fournissent des informations, comme le type de carburant, intensité du feu et zone de cicatrice de brûlure, avec le vent, température et autres variables météorologiques, qui alimentent les modèles qui prédisent la quantité de fumée, direction et vitesse.

La chimie de la fumée commence par le type de carburant, que ce soit des forêts de pins, forêts de chênes ou broussailles de sauge. En plus des gaz tels que le dioxyde de carbone et le monoxyde de carbone, la combustion libère différents types et quantités de gaz à courte durée de vie appelés composés organiques volatils (COV), qui se combinent avec d'autres gaz et la lumière du soleil pour produire de l'ozone troposphérique, un gaz nocif pour l'homme et qui endommage les cultures. Outre le type de carburant, la température de la brûlure affecte également la chimie résultante; en général, glacière, les feux couvants produisent plus de COV, le monoxyde de carbone et les particules, qui sont tous nocifs pour la santé humaine. Plus chaud, les feux enflammés produisent moins de COV, le monoxyde de carbone et les particules totales, mais plus de carbone noir, un matériau en aérosol avec des conséquences négatives sur la santé et un potentiel de réchauffement climatique supplémentaire.

"Ce qui brûle compte, mais comment ça brûle est peut-être encore plus important, " a déclaré Carsten Warneke, Scientifique de mission de l'Université du Colorado et de la NOAA pour FIREX-AQ. En 2016, lui et ses collègues de la NOAA ont brûlé différents combustibles à différentes températures dans le laboratoire Missoula Fire Science pour mieux comprendre ces facteurs. "Maintenant, avec cette campagne, nous prenons notre compréhension du laboratoire pour la fumée des grands incendies qui se produisent sur le terrain où la dynamique atmosphérique change considérablement au fil du temps et de la distance. D'ici, nous pouvons continuer notre travail pour améliorer les modèles."

La résolution de ces incertitudes dans la chimie du carburant joue également un rôle dans un autre domaine d'intérêt de la campagne :la hauteur d'injection du panache. Les hauteurs d'injection de panache dépendent d'une interaction complexe de la dynamique des incendies avec les conditions météorologiques et la géographie environnantes.

Feux plus frais, qui surviennent plus souvent la nuit, injecter de la fumée bas dans l'atmosphère, où il pose un risque pour la santé des communautés sous le vent. Des feux plus chauds injecteront de la fumée à des altitudes plus élevées, où il peut voyager plus loin latéralement mais est plus susceptible de rester à l'écart des zones peuplées.

Compte tenu de l'importance de leurs données pour les modèles de prévision, plusieurs satellites sont utilisés pour récupérer les hauteurs d'injection de panache. Quelques satellites équipés d'instruments lidar pourraient être utilisés pour mesurer directement la hauteur d'injection, mais ces satellites n'observent pas très fréquemment les incendies. Des instruments infrarouges sur d'autres satellites sont utilisés pour dériver une mesure de l'intensité de l'incendie, qui est à son tour utilisé pour estimer la hauteur d'injection ainsi que la quantité de fumée émise, mais les nuages ​​et autres couvertures de fumée entravent souvent la détection.

L'avion observe directement les hauteurs d'injection de panache et les comparera à d'autres mesures directes telles que la puissance radiative du feu, la chimie des fumées et les conditions atmosphériques à différentes altitudes. Cela permettra de mieux comprendre la hauteur du panache en fonction de la chimie et d'autres facteurs tels que les conditions météorologiques. « Nous développons le recueil d'observations qui peuvent nous donner l'assurance que, lorsque nous estimons l'élévation du panache pour la prévision de la fumée, nous allons créer un modèle plus précis qui conduira à de meilleures prévisions de la qualité de l'air, " a déclaré Jim Crawford de la NASA à Langley, Scientifique de la mission FIREX-AQ de la NASA.

L'amélioration à plus long terme de la prévision de la qualité de l'air est un objectif majeur de la campagne, mais FIREX-AQ abordera également les impacts plus larges de la fumée sur le temps et le climat. Par exemple, les particules de fumée peuvent agir pour aider à former des nuages. La fumée affecte également la quantité de lumière solaire réfléchie dans l'atmosphère. Les propriétés optiques des particules de fumée - la quantité de lumière absorbée et dispersée par la fumée - dépendent de leur taille et de leur composition et déterminent leurs effets sur le climat.

FIREX-AQ aidera à résoudre l'une des principales incertitudes concernant les émissions d'incendie, à savoir les matériaux responsables de l'absorption de la lumière dans la fumée. Traditionnellement, toute l'absorption de la lumière a été attribuée au noir de carbone. Le chercheur scientifique de la NOAA, Joshua Schwarz, se concentre sur le soutien de ces aspects de la mission liés aux aérosols.

"Dans les années récentes, il y a eu une reconnaissance du carbone non noir, les espèces d'aérosol absorbant la lumière telles que le carbone brun, " dit Schwarz, qui est un scientifique de co-mission pour FIREX-AQ. « La combustion de la biomasse est une source majeure de carbone brun, et c'est une opportunité vraiment excitante dans FIREX-AQ parce que nous avons l'instrumentation nécessaire pour répondre à la question du carbone brun feu-fumée et comment il change dans l'atmosphère."

Les améliorations apportées par FIREX-AQ à la compréhension des récupérations par satellite des propriétés des aérosols au-dessus de l'Amérique du Nord amélioreront également la valeur de ces observations sur d'autres régions du globe. « Si nous pouvons améliorer notre compréhension des émissions des incendies en Amérique du Nord, nous aiderons à faire un grand pas en avant sur l'impact global net de la combustion de biomasse sur le climat."