Учёные впервые смоделировали грозы, вызванные лесными пожарами

Учёные впервые успешно смоделировали в системе Earth system models грозы, вызванные лесными пожарами. Эти явления, известные как пирокумулятивные облака, способны создавать собственные погодные системы, усложняя тушение пожаров и влияя на глобальный климат.

Формирующееся пирокумулятивное облако над пожаром Gulch Fire в Орегоне, часть комплекса Beaver Complex Fire, в 2014 году. Автор: NASA

5 сентября 2020 года пожар Creek Fire в Калифорнии стал настолько интенсивным, что начал создавать собственную погодную систему. Экстремальное тепло от огня породило взрывное грозовое облако, которое извергало молнии и дополнительно раздувало бушующее пламя, делая локализацию пожара практически невозможной и подвергая опасности жизни пожарных на земле.

Эти штормы, рождённые лесными пожарами, становятся всё более частой частью пожароопасного сезона на Западе США, оказывая долгосрочное воздействие на качество воздуха, погоду и климат.

До настоящего времени учёные не могли воспроизвести эти явления в моделях земной системы, что ограничивало нашу способность предсказывать их возникновение и понимать их влияние на глобальный климат. Новое исследование представляет собой прорыв, разработав новую модель взаимодействия лесных пожаров и земной системы.

Исследование, опубликованное в Geophysical Research Letters, представляет первую успешную симуляцию этих вызванных пожарами штормов, известных как пирокумулятивные облака, в рамках модели земной системы.

Под руководством учёного из Desert Research Institute Цимина Ке исследование успешно воспроизвело наблюдаемое время формирования, высоту и интенсивность грозового облака пожара Creek Fire — одного из крупнейших известных пирокумулятивных облаков, когда-либо наблюдавшегося в США, согласно NASA.

Модель также воспроизвела множественные грозы, вызванные пожаром Dixie Fire в 2021 году, который возник в совершенно других условиях. Ключевым открытием стало учёт того, как развитие облаков усиливается за счёт влаги, поднимаемой в верхние слои атмосферы рельефом местности и ветрами.

«Эта работа представляет собой прорыв первого рода в моделировании земной системы, — заявил Ке. — Она не только демонстрирует, как экстремальные пожары могут изучаться в рамках моделей земной системы, но и подтверждает растущие возможности DRI в разработке таких моделей».

Когда формируется пирокумулятивное облако, оно выбрасывает дым и влагу в верхние слои атмосферы в объёмах, сравнимых с небольшими вулканическими извержениями, влияя на то, как атмосфера Земли получает и отражает солнечный свет. Эти пожарные аэрозоли могут сохраняться месяцами или дольше, изменяя состав стратосферы.

При переносе в полярные регионы они влияют на динамику антарктического озона, изменяют облака и альбедо, ускоряют таяние льда и снега, преобразуя полярные климатические обратные связи.

Учёные оценивают, что ежегодно по всему миру происходит от десятков до сотен таких штормов, и тенденция к увеличению интенсивности лесных пожаров будет только увеличивать их количество. До сих пор невозможность включить эти штормы в модели земной системы ограничивала нашу способность понимать влияние этого природного явления на глобальный климат.

Исследовательская группа также включала учёных из Ливерморской национальной лаборатории, Калифорнийского университета в Ирвайне и Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории. Их прорыв стал возможен благодаря использованию модели Energy Exascale Earth System Model (E3SM) Министерства энергетики США для успешного захвата сложного взаимодействия между лесными пожарами и атмосферой.

«Наша команда разработала новую модель взаимодействия лесных пожаров и земной системы, которая интегрирует высокоточные выбросы от пожаров, одномерную модель подъёма шлейфа и вызванный пожаром перенос водяного пара в передовую модель земной системы DOE», — объяснил Ке.

Этот прорыв продвигает высокоточное моделирование экстремальных опасностей для повышения устойчивости и готовности страны и предоставляет основу для будущего изучения этих штормов на региональных и глобальных масштабах в рамках моделей земной системы.

Больше информации: Ziming Ke et al, Simulating Pyrocumulonimbus Clouds Using a Multiscale Wildfire Simulation Framework, Geophysical Research Letters (2025). DOI: 10.1029/2024gl114025