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Aug 28, 2023

Noticias sobre Óptica y Fotónica

Meeri Kim A medida que el cambio climático aumenta la frecuencia y la intensidad de los incendios forestales, la óptica está ayudando a los investigadores a comprender mejor las amenazas y reducir los impactos. Una primera línea de emergencia contra incendios forestales

Miri Kim

A medida que el cambio climático aumenta la frecuencia y la intensidad de los incendios forestales, la óptica está ayudando a los investigadores a comprender mejor las amenazas y reducir los impactos.

Primera línea de incendios forestales con servicios de emergencia cercanos, Valle de Okanagan, Columbia Británica, Canadá. [NORTE. Fitzhardinge/Getty Images]

La temporada de incendios forestales de primavera de 2023 en Canadá fue la peor registrada, con un área mayor que los Países Bajos (más de 12 millones de acres) quemada en junio. Esa cifra supera la cantidad de tierra quemada en todas las temporadas 2016, 2019, 2020 y 2022 combinadas. Los incendios desplazaron a decenas de miles de personas, destruyeron cientos de hogares y envolvieron al país en un humo tóxico que llegó al este de Estados Unidos. Una espesa neblina anaranjada envolvió a la ciudad de Nueva York, cuya calidad del aire en un momento estuvo entre las peores de cualquier ciudad del mundo.

El incidente sirvió como claro recordatorio de que los incendios forestales son cada vez más frecuentes e intensos debido al cambio climático, un problema que no se limita a América del Norte (ver “Un mundo en llamas”, OPN, septiembre de 2023). Por ejemplo, si bien los incendios forestales han moldeado el paisaje de Australia durante milenios, los cambios climáticos durante el último siglo han aumentado significativamente el riesgo de incendios, según el Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático y el Consejo Australiano del Clima. La temporada de incendios del “Verano Negro” de 2019-2020 fue una de las peores en la historia registrada del país. Y en Europa, muchos observadores vincularon los incendios forestales récord de 2022 en todo el continente con temperaturas de verano extremas, a veces sin precedentes, causadas por el calentamiento global.

Un informe de 2022 del Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente titulado “Propagándose como un incendio forestal: la creciente amenaza de incendios paisajísticos extraordinarios” proyecta un aumento global de los incendios extremos de hasta el 14 % para 2030, el 30 % para finales de 2050 y el 50 % para % a finales de siglo. La peligrosa combinación de aumento de la sequía, altas temperaturas del aire, relámpagos y fuertes vientos da como resultado temporadas de incendios más cálidas, secas y más largas.

Si bien no es posible eliminar completamente el riesgo, los investigadores de incendios forestales pretenden comprender mejor el comportamiento extremo de los incendios en un clima cambiante para reducir los peligros siempre que sea posible, y la óptica desempeña un papel fundamental en su trabajo. En este artículo, ofrecemos algunas instantáneas de los esfuerzos de los científicos estadounidenses, en áreas como el mapeo de combustible, la dinámica de las columnas de humo y la detección temprana, para aprovechar las tecnologías ópticas para ayudar a limitar la intensidad y el impacto de futuros incendios forestales.

Los incendios paisajísticos, que son de bajo impacto, a menudo intencionales y fáciles de controlar, son un importante fenómeno natural y una herramienta de gestión de la tierra. Los incendios forestales, por otro lado, son no deseados, no planificados y en gran medida incontrolables. La ONU define un incendio forestal como “un incendio de vegetación inusual o extraordinario que representa un riesgo significativo para los valores sociales, económicos o ambientales”.

De 1900 a 2023, según datos del Centro de Investigación sobre Epidemiología de Desastres de la Universidad de Lovaina, los incendios forestales mataron a unas 4.600 personas. Esta cifra es baja en comparación con las cifras de muertos por terremotos (más de 2,3 millones) e inundaciones (más de 7 millones). Pero el humo de los incendios forestales (una mezcla compleja de partículas y contaminantes gaseosos) tiene implicaciones para la salud de mayor alcance y a más largo plazo. Las partículas finas (especialmente < 2,5 μm, conocidas como PM2,5) son lo suficientemente pequeñas como para llegar profundamente a los pulmones e incluso al torrente sanguíneo. Según un estudio de 2021 sobre la contaminación por PM2,5 relacionada con los incendios forestales, la exposición anual al humo de los incendios forestales provocó más de 30.000 muertes entre 2000 y 2016 en los 43 países incluidos en el análisis.

Los incendios forestales han destruido ciudades enteras a su paso. Dañan líneas eléctricas y de comunicación, suministros de agua, carreteras y ferrocarriles. El gasto anual mundial en gestión de incendios sigue aumentando, además de los costos de limpieza y reconstrucción. El gobierno federal de Estados Unidos destina casi 2.000 millones de dólares cada año a la lucha contra los incendios forestales, un aumento de más del 170% en la última década.

Se necesitan varios factores para que ocurra un incendio forestal, incluida la ignición, los combustibles continuos, las condiciones de sequía y el “clima de incendio” (como vientos fuertes, altas temperaturas y baja humedad). El cambio climático aumenta las posibilidades de que esto suceda (consulte “Cómo el cambio climático aviva los incendios forestales”, más abajo).

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"Los siete incendios más grandes por superficie en la historia de California ocurrieron en los últimos seis años", dijo Carroll Wills, asesor principal de comunicación de los Bomberos Profesionales de California. "Sólo sobre esta base se puede cuantificar el grado en que las condiciones recientes han contribuido al problema de los incendios".

Los expertos también advierten sobre la posibilidad de que se produzca un círculo vicioso de retroalimentación, en el que el aumento de la actividad de los incendios forestales provoque más emisiones de gases de efecto invernadero, lo que acelerará aún más el cambio climático. Además, los incendios forestales en ecosistemas que almacenan grandes cantidades de carbono terrestre irrecuperable, como las turberas y los bosques tropicales, liberarán grandes cantidades de dióxido de carbono a la atmósfera.

La recopilación y el análisis de datos sobre el comportamiento del fuego pueden mejorar la gestión de los combustibles de los incendios forestales, ayudar a prevenir la ignición y reducir las brechas en la preparación y respuesta a los incendios.

En este contexto aleccionador, es fácil perder la esperanza. Pero Susan Prichard, científica investigadora de la Facultad de Ciencias Ambientales y Forestales de la Universidad de Washington, EE.UU., advierte contra esa tendencia. “Muchas veces, la gente en los medios habla del cambio climático y los incendios forestales como una especie de escenario apocalíptico, y hay una tendencia a simplemente levantar las manos en el aire”, dijo Prichard. "Y como ecólogos que estudiamos estrategias proactivas de manejo de incendios, realmente hemos estado tratando de ir en contra de esa narrativa".

Parte de ese impulso implica desarrollar enfoques para la mitigación de incendios, que serán cruciales para aprender a vivir con el fuego en medio de la realidad del cambio climático. La recopilación y el análisis de datos sobre el comportamiento del fuego pueden mejorar la gestión de los combustibles de los incendios forestales, ayudar a prevenir la ignición y reducir las brechas en la preparación y respuesta a los incendios. Y las técnicas ópticas se han convertido en una herramienta importante en la lucha.

Los modelos más avanzados del comportamiento del fuego utilizan dinámica de fluidos computacional (esencialmente, modelando el fuego como un fluido que fluye a través de un paisaje) e incorporan interacciones entre el combustible, el clima, la topografía y otros factores contribuyentes. La parte más desafiante del modelado de incendios es caracterizar la vegetación en llamas.

Eric Rowell y Michelle Bester, miembros del equipo del Proyecto 3D Fuels, realizando un escaneo lidar terrestre en el Bosque Experimental de Lubrecht, MT, EE. UU. [Cortesía de S. Prichard, Universidad de Washington]

Ahora, con la ayuda de lidar, los investigadores pueden por primera vez mapear combustibles en 3D, lo que lleva a una caracterización de combustibles más precisa y mejores modelos. Este modelo mejorado debería ayudar a los administradores de incendios a explorar estrategias de tratamiento efectivas, incluida la creación de cortafuegos para disminuir la gravedad del incendio, la reducción de las cargas de combustible con quemas prescritas y la optimización de las tácticas de extinción de incendios. Mejores modelos también pueden mejorar los pronósticos de humo y mejorar la evaluación de las reservas de carbono y las interacciones entre el fuego y el clima.

"Si no fuera por lidar, no podríamos informar estos modelos de próxima generación sobre el comportamiento del fuego y la producción de humo, que son absolutamente críticos", dijo Prichard, quien ha cartografiado bosques y pastizales con lidar en el oeste. y el sureste de Estados Unidos durante los últimos cuatro años como parte del Proyecto 3D Fuels.

Lidar es una tecnología de detección remota que emite activamente pulsos láser para medir distancias a los objetos objetivo. Basándose en el retraso de millones de pulsos devueltos, un sistema lidar puede mapear con precisión la vegetación como una densa nube de puntos en 3D.

El mapeo de combustible puede utilizar lidar terrestre, escaneo móvil, aéreo o espacial. Con el lidar terrestre, un escáner montado en un trípode puede capturar un paisaje tanto en 360° como verticalmente. El resultado es un mapa 3D de muy alta resolución con mediciones precisas de parámetros a nivel de árbol como el diámetro del tronco a la altura del pecho, la altura total, la altura de la base de la copa y el ancho de la copa.

"Un problema con el lidar terrestre es que está sujeto a problemas de oclusión porque no puede ver a través de los árboles", dijo Andrew T. Hudak, investigador forestal de la Estación de Investigación de las Montañas Rocosas del Departamento de Agricultura de Estados Unidos. “Con el lidar de escaneo móvil, lo tienes en una mochila, caminas y el software une los escaneos de la nube de puntos mientras te mueves. Entonces obtienes una representación en tiempo real de cómo son los árboles y su estructura”.

Aunque proporciona información limitada a escala de árbol o bajo el dosel, el lidar aéreo tiene la ventaja de describir rápidamente la estructura del bosque en grandes áreas. Los parámetros recopilados con lidar aéreo pueden incluir la ubicación de los árboles dentro de las parcelas, la altura de los árboles, las dimensiones de la copa y las estimaciones de volumen. Normalmente, un avión equipado con un escáner vuela sobre el paisaje con líneas de vuelo paralelas que se superponen, de modo que captura dos perspectivas de vista para cualquier ubicación determinada en el suelo.

Por ejemplo, Hudak trabaja con datos lidar aéreos adquiridos con un sensor Leica ALS60, un sistema de mapeo lidar con espejo de escaneo disponible en el mercado que opera un láser de 1064 nm con un campo de visión de 20° y una superposición lateral del 50 %, volando a una altura de 1200 m. El sistema funciona en modo de “pulsos múltiples en el aire”, lo que permite disparar un segundo pulso láser antes de recibir el reflejo del pulso anterior, duplicando efectivamente la frecuencia del pulso en cualquier altitud determinada.

Ingenieros y técnicos integran el banco óptico y la estructura de caja del instrumento de Investigación de Dinámica de Ecosistemas Globales. [B. Lambert / GSFC]

Las mediciones LIDAR basadas en el espacio se pueden lograr con el instrumento de Investigación de la Dinámica del Ecosistema Global (GEDI) de la NASA en la Estación Espacial Internacional (ISS). GEDI es un instrumento lidar de forma de onda completa, optimizado para proporcionar medidas globales de la estructura de la vegetación, y tiene la resolución más alta y el muestreo más denso de cualquier lidar jamás puesto en órbita. Utiliza tres láseres Nd:YAG (1064 nm) que pulsan 242 veces por segundo con una potencia de 10 mJ, disparando breves pulsos de luz (14 ns de longitud) hacia la superficie de la Tierra.

“Debido a que el rayo láser recorre una distancia tan grande, no se puede evitar la divergencia del rayo. Cuando llega al suelo, tiene unos 25 metros de diámetro”, dijo Hudak, coinvestigador del Proyecto 3D Fuels. "Por lo tanto, es un retorno de energía continua, o una forma de onda, en lugar de una nube de puntos".

De estas formas de onda, se pueden extraer cuatro tipos de información estructural: topografía de la superficie, métricas de altura del dosel, métricas de cobertura del dosel y métricas de estructura vertical. Un inconveniente del GEDI es que, debido a la inclinación orbital de la ISS, el instrumento sólo puede cubrir las regiones templadas y tropicales de la superficie de la Tierra, entre 51,6° N y 51,6° S.

El Proyecto de Combustibles 3D, dirigido por Prichard, integra imágenes de lidar terrestres y aéreos para crear mapas 3D precisos de las capas de combustibles del dosel y del sotobosque que podrían contribuir al comportamiento severo de los incendios forestales. Hudak utiliza lidar aéreo para calcular cuánto combustible se consume en un incendio forestal, generando mapas de consumo que son simplemente la diferencia entre los mapas de carga de combustible antes y después del incendio. Estos hallazgos pueden usarse luego en modelos de comportamiento del fuego para evaluar la efectividad de los tratamientos de reducción de combustible, como resultado no solo de la alteración de los combustibles de la superficie y el dosel, sino también de los cambios en el efecto del flujo del viento. Se espera que algún día estos modelos puedan proporcionar una predicción casi en tiempo real del comportamiento del fuego y el humo.

Desde 2013, Craig B. Clements, director del Centro de Investigación Interdisciplinaria de Incendios Forestales y del Laboratorio de Investigación Meteorológica de Incendios de la Universidad Estatal de San José (EE. UU.), ha estado persiguiendo incendios forestales en una camioneta equipada con una serie de instrumentos, incluido un lidar Doppler de escaneo. Se ha aventurado al borde de decenas de incendios forestales, principalmente en el norte de California.

El sistema móvil de perfiles atmosféricos de la Universidad Estatal de California implementó un lidar Doppler durante el incendio Dixie en 2021. [C. Clementos]

El Sistema Móvil de Perfiles Atmosféricos de la Universidad Estatal de California (CSU-MAPS), una instalación conjunta desarrollada por las Universidades Estatales de San José y San Francisco, es el sistema móvil más avanzado de su tipo en el país. Un componente clave de CSU-MAPS es un lidar Doppler de escaneo comercial de 1,5 µm (Halo Photonics XR), una tecnología de detección remota activa que observa el desplazamiento Doppler de la luz dispersada por aerosoles en el aire, que se utiliza para medir columnas de humo.

"Escaneamos la columna para comprender su estructura y lo que sucede en su interior, en términos de flujos y vientos inducidos por el fuego", dijo Clements. "Y luego podemos ver qué está haciendo el campo de viento alrededor del incendio, lo cual es realmente importante para comprender cómo evolucionan los incendios y su comportamiento".

El lidar Doppler registra dos cantidades: el coeficiente de retrodispersión atenuado y la velocidad Doppler. El coeficiente de retrodispersión atenuado es sensible a aerosoles de tamaño micrométrico, principalmente a partículas de 0,5 a 2 µm en el caso de columnas de humo de incendios forestales. Las velocidades Doppler, que normalmente resultan del movimiento del humo y las partículas de ceniza en el aire, se utilizan para investigar aspectos del flujo de aire dentro y alrededor de las columnas convectivas y dentro de la capa límite convectiva ambiental. Además, CSU-MAPS incluye un perfilador de temperatura y humedad por microondas, un sistema de radiosonda para parámetros atmosféricos y una estación meteorológica automatizada.

Una vez que se detecta un incendio de interés, Clements y su equipo cargan el camión y aceleran hacia el incendio, con el objetivo de posicionarse entre 1 y 3 km del frente del incendio. "Siempre tenemos un plan de seguridad, una estrategia de salida y una zona de seguridad donde podemos mantenernos", dijo.

Las velocidades Doppler se utilizan para investigar aspectos del flujo de aire dentro y alrededor de los penachos convectivos y dentro de la capa límite convectiva ambiental.

El Centro de Investigación Interdisciplinaria sobre Incendios Forestales es un Centro de Investigación Cooperativa entre la Industria y la Universidad de la Fundación Nacional de Ciencias centrado en la ciencia y el manejo de los incendios forestales. El centro cuenta con sistemas de pronóstico de incendios, humo y clima basados ​​en un modelo acoplado de atmósfera-incendio que opera en tiempo real para el Departamento de Silvicultura y Protección contra Incendios de California y el Servicio Forestal de EE. UU. Cada seis horas, las supercomputadoras reciben datos meteorológicos, observaciones satelitales de incendios, perímetros de incendios infrarrojos aéreos y humedad del combustible para pronosticar el riesgo de incendio futuro, la progresión del fuego y la dispersión del humo.

En última instancia, Clements quiere poder enviar sus datos lidar Doppler con una conexión satelital directamente desde el camión al centro, donde sus colegas actualizarán y mejorarán el modelo a medida que se produzca el incendio forestal. Recientemente recibió financiación para crear una red de lidars Doppler móviles en el norte de California, compuesta por cinco sistemas estratégicamente ubicados para monitorear las condiciones climáticas de los incendios. A continuación, pretende ampliar la red con 14 sistemas más distribuidos por todo el estado.

"Si tenemos mejores observaciones del entorno del incendio a través, por ejemplo, de una red lidar Doppler, esto ayudará a limitar el modelo y proporcionará un pronóstico mejorado", dijo Clements. “Cuanto más preciso sea el modelo de incendios, menor será el riesgo para la comunidad y mejor para todos los sectores involucrados”.

Detectar los incendios a tiempo es crucial en su gestión. Pero es posible que los satélites y los vigías contra incendios no puedan detectar el fuego en sus primeras etapas, particularmente en medio de nubes, vegetación o humo denso. Además, las imágenes satelitales a menudo carecen de resolución suficiente (ya sea espacial o temporal) para mapear adecuadamente la ubicación, extensión y entorno específicos de un incendio. Las redes de sensores inalámbricos, como las que miden las partículas en el humo, están fijas y, por lo tanto, su cobertura es inherentemente limitada.

Como método alternativo, Fatemeh Afghah y sus colegas prevén el uso de drones equipados con RGB e imágenes térmicas como una herramienta valiosa para la detección temprana y la evaluación de incendios forestales. "Si tenemos rayos en un bosque, podemos enviar estos drones para monitorear el medio ambiente", dijo Afghah, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Clemson, Estados Unidos. "Si hay un pequeño incendio, pueden permanecer allí y vigilarlo para ver si se convierte en algo grave o no".

En noviembre de 2021, el equipo de Afghah recopiló vídeos e imágenes de drones RGB/IR durante una quema prescrita en el norte de Arizona para probar la viabilidad de tal enfoque. Los investigadores emplearon un dron comercial (DJI Mavic 2 Enterprise Advanced) equipado con cámaras térmicas y visuales de alta resolución una al lado de la otra para obtener imágenes RGB/IR simultáneas.

Pares de cuadros RGB e IR del conjunto de datos FLAME2. [X. Chen et al., Acceso IEEE10 , 121301 (2022); doi: 10.1109/ACCESS.2022.3222805]

La cámara térmica contiene un sensor microbolómetro de óxido de vanadio no refrigerado que captura una matriz de 640 × 512 px capaz de caracterizar temperaturas de -40 °C a 150 °C para captura de imágenes de alta ganancia y de -40 °C a 550 °C para baja -ganar captura de imagen. El rango espectral de la cámara es de 8 a 14 μm. El sensor visual CMOS de 1/2” captura imágenes RGB pasivas con un tamaño de imagen máximo de 8000 × 6000 px. La resolución de vídeo se muestreó a 3840×2160 px a 30 fotogramas por segundo (fps) o 1920×1080 px a 30 fps.

Las imágenes térmicas permitieron rastrear la línea de fuego, las brasas y los detalles del terreno, mientras que el humo oscureció estas características en las imágenes del espectro visible. Con el poder de las imágenes combinadas, Afghah y sus colegas pudieron distinguir la posición aproximada y el movimiento del fuego en la mayoría de las condiciones de combustión, climáticas y de visibilidad.

Las imágenes térmicas permitieron rastrear la línea de fuego, las brasas y los detalles del terreno, mientras que el humo oscureció estas características en las imágenes del espectro visible.

El objetivo del proyecto es recopilar datos para entrenar modelos de aprendizaje profundo que puedan clasificar automáticamente la presencia de fuego o humo en una imagen determinada. Afghah dice que la adición de imágenes IR ha dado a sus modelos una precisión de clasificación mucho mayor, superior al 94%. Han puesto a disposición de otros investigadores de forma gratuita dos conjuntos de datos RGB/IR (FLAME y FLAME2, ambos basados ​​en quemas prescritas).

“Digamos que tenemos una imagen de un área forestal y hay un par de llamas allí”, dijo Afghah. "Nuestros modelos pueden decir exactamente dónde se encuentran esas llamas, de modo que se puede llamar la atención de los socorristas sobre el área donde se está produciendo el incendio".

En última instancia, imagina una flota de drones ubicados en la naturaleza en estaciones de carga inalámbricas, alimentados por paneles solares, que ejecutarían un patrón de vuelo regular en los días en que la posibilidad de incendio es especialmente alta. Si bien su equipo aún no ha recibido permiso para volar sus drones sobre un incendio forestal real, estos resultados iniciales demuestran el potencial de los sistemas de detección semiautónomos y de bajo costo para la detección de incendios forestales en tiempo real.

"Este año, hemos asistido a múltiples incendios en diferentes estados (Florida, Arizona, Nevada, Oregón) para recopilar conjuntos de datos diversificados de diferentes áreas forestales", dijo. "De esta manera, queremos reducir el impacto del sesgo en los datos de entrenamiento, haciendo que nuestros modelos de aprendizaje profundo sean más generalizables y precisos".

Sin duda, la gestión de incendios forestales será más difícil debido a los efectos del cambio climático. Pero prevenir todos los incendios no es posible ni deseable desde un punto de vista ecológico. Por lo tanto, subrayan muchos expertos, los seres humanos deben aprender a coexistir con los incendios forestales.

Si bien esta característica ha destacado la investigación en los Estados Unidos, así como el fuego es un problema global, se está trabajando en él en todo el mundo. Científicos de Nueva Gales del Sur, Australia, están combinando “detección inteligente” en una variedad de escalas (incluido el desarrollo del primer satélite australiano diseñado para predecir incendios forestales) para detectar incendios, evaluar el paisaje y la infraestructura, informar la respuesta a los incendios en tiempo real y monitorear el aire. y calidad del agua. Mientras tanto, en Europa, los proyectos financiados en el marco del programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la UE están aprovechando las tecnologías de teledetección e inteligencia artificial para crear mejores modelos de predicción y ignición de incendios.

La óptica puede ayudar en la adaptación y resiliencia al fuego a través de la gestión del combustible, modelos de predicción de incendios y humo y detección temprana, pero los hallazgos de la investigación solo llegan hasta cierto punto y deben traducirse en acciones suficientes. Los métodos de tratamiento de combustibles, como la quema prescrita o el raleo mecánico de la vegetación, y la planificación del uso de la tierra serán aspectos cruciales de la mitigación de riesgos.

“Los pueblos indígenas han vivido con mucho fuego en el oeste de Estados Unidos. Antes del colonialismo, muchos paisajes se mantenían mediante prácticas de quema culturales, por lo que los incendios forestales no planificados no eran tan graves ni producían tanto humo”, dijo Prichard. “Necesitamos, como sociedad, pensar cómo avanzar hacia eso, porque no vamos a apagar todos estos incendios. No hay forma."

Meeri Kim es una periodista científica independiente que vive en Los Ángeles, California, EE. UU.

Para referencias y recursos, visite: optica-opn.org/link/0923-wildfire.

Fecha de publicación: 01 de septiembre de 2023