En ny undersøgelse offentliggjort af Proceedings of the National Academy of Sciences i USA (PNAS) forudsiger en dyster fremtid for skovbrande og den deraf følgende giftige røg. Her er abstrakten af deres nyligt afsluttede undersøgelse:
Fuld forskningspublikation: https://www.pnas.org/content/118/2/e2011048118#F1
Stigning i dødbringende globale skovbrande
Nylige dramatiske og dødbringende stigninger i global skovbrandaktivitet har øget opmærksomheden omkring årsagerne til skovbrande, deres konsekvenser, og hvordan risikoen fra skovbrand kan mindskes. Her samler vi data om den skiftende risiko og samfundsmæssige byrde ved skovbrand i USA. Vi estimerer, at næsten 50 millioner hjem i øjeblikket befinder sig i det vilde grænseflade i USA i USA, hvor antallet stiger med 1 million huse hvert tredje år. For at illustrere, hvordan ændringer i skovbrandaktivitet kan påvirke luftforurening og relaterede sundhedsresultater, og hvordan disse forbindelser kan styre fremtidig videnskab og politik, udvikler vi en statistisk model, der relaterer satellitbaserede brand- og røgdata til information fra forureningsovervågningsstationer.
Skovbrande har tegnet sig for op til 25% af PM2.5 partikler i USA
Ved hjælp af modellen estimerer vi, at skovbrande har tegnet sig for op til 25 % af PM 2.5 (partikler med en diameter <2.5 μm) i de senere år i USA, og op til halvdelen i nogle vestlige regioner, med geografiske mønstre i eksponering for omgivende røg, der ikke følger traditionelle socioøkonomiske eksponeringsgradienter for forurening. Vi kombinerer modellen med stiliserede scenarier for at vise, at brændstofstyringsinterventioner kan have store sundhedsmæssige fordele, og at fremtidige sundhedspåvirkninger fra klimaændringsinduceret røg fra skovbrande kan nærme sig de forventede samlede stigninger i temperaturrelateret dødelighed som følge af klimaændringer – men at begge estimater forbliver usikre. Vi bruger modelresultater til at fremhæve vigtige områder for fremtidig forskning og til at uddrage erfaringer til politik.
Brændeområder fra skovbrande i USA er op til 400% de sidste fire årtier
I løbet af de sidste fire årtier er det brændte område fra skovbrande omtrent fordoblet i USA (Fig 1A) (1). Denne hurtige vækst er blevet drevet af en række faktorer, herunder ophobning af brændstoffer på grund af en tradition for brandbekæmpelse i løbet af det sidste århundrede (2) og en nyere stigning i tørhed i brændstof (Fig 1B, vist for det vestlige USA), en tendens, som forventes at fortsætte, når klimaet bliver varmere (3, 4Disse stigninger er sket parallelt med en betydelig stigning i antallet af huse i grænsefladen mellem vildmark og by (WUI). Ved hjælp af data om universet af boligplaceringer i hele USA og opdaterede nationale landdækkekort opdaterer vi tidligere undersøgelser (5, 6) og anslår, at der nu er ~49 millioner boliger i WUI, et tal der er steget med cirka 350,000 huse om året i løbet af de sidste to årtier (Fig 1C og SI-tillæg). Da brandbekæmpelsesindsatsen i høj grad fokuserer på beskyttelsen af private hjem (7), har disse faktorer bidraget til en stadig stigning i udgifterne til undertrykkelse af ild fra den amerikanske regering (Fig 1D), som i de seneste år har udgjort federal 3 mia. $ / år i føderale udgifter (1). Det samlede foreskrevne forbrændingsareal er steget i det sydøstlige USA, men er stort set forblevet fladt andetsteds (Fig 1E), hvilket antyder for mange, at der er underinvestering i denne risikoreducerende strategi i betragtning af den enorme samlede vækst i brandrisiko (8).
Tendenser i drivere og konsekvenser af løbeild. (A og B) Stigninger i brændt område i offentlige og private amerikanske lande (A) (1) er drevet dels af stigende brændstof tørhed, vist her over det vestlige USA (4) (B). (C og D) Antallet af boliger i WUI er også steget hurtigt (C, vores beregninger; SI-tillæg), som har bidraget til stigende undertrykkelsesomkostninger (D) afholdt af den føderale regering. (E) Foreskrevet forbrændingsareal er steget betydeligt i syd, men er fladt i alle andre regioner (1(F og G) Antallet af røgdage er steget i hele USA (F), hvilket muligvis underminerer årtivis af forbedringer i luftkvaliteten i hele USA (G). (H) Vi beregner en stigende andel af det samlede antal kan tilskrives røg fra skovbrande, især i vest. Røde og blå linjer i hvert plot angiver lineære tilpasninger til de historiske data, med hældninger rapporteret øverst til venstre i hvert panel; alle er signifikant forskellige fra nul (P <0.01 for hver), bortset fra foreskrevet afbrænding i regioner uden for syd. Røde linjer angiver, at de underliggende data er fra offentliggjorte undersøgelser eller regeringsdata, og blå linjer angiver nye estimater fra denne artikel.
Voksende bekymringer
Hvad er konsekvenserne af denne ændring i brandaktivitet for den samlede luftkvalitet og for sundhedsresultater, og hvordan bør politikken reagere? Store stigninger i naturbrandaktivitet er blevet ledsaget af betydelige stigninger i antallet af dage med røg i luften i hele USA ( fig. 1 F ), som estimeret ud fra satellitdata ( 9 ). Sådanne stigninger er blevet observeret i hele det kontinentale USA, ikke kun i vest, og truer med at ophæve de betydelige forbedringer i luftkvaliteten, der er observeret i hele USA i løbet af de sidste to årtier ( fig. 1 G ). Naturbrandenes fingeraftryk er allerede synlige i de opadgående forårs- og sommerkoncentrationer af organisk kulstof, der observeres i landdistrikter i henholdsvis syd og vest USA ( SI Appendiks , fig. S1 ), og undersøgelser viser, at røg i luften kan øge sygelighed og dødelighed blandt udsatte befolkningsgrupper ( 10 , 11 ).
En udfordring for befolkningscentre
En udfordring med at forstå det bredere bidrag, som ændring af ildbrandaktivitet til luftkvaliteten er, er vanskeligheden ved nøjagtigt at forbinde brandaktivitet med relaterede forurenende eksponeringer i ofte fjerntliggende befolkningscentre (12Satellitbaserede målinger af røgeksponering bliver i stigende grad tilgængelige og er tiltalende, fordi røgsøjleovervågning intuitivt forbinder kilde- og receptorområder. Sådanne data kan dog endnu ikke bruges til præcist at måle røgdensitet eller til at adskille røg på overfladen fra røg højere oppe i den atmosfæriske søjle, og derfor er de vanskelige at forbinde med eksisterende eksponering-sundhedsresponsforhold (13, 14Kemiske transportmodeller (CTM'er), som direkte kan modellere bevægelsen og udviklingen af emissioner fra naturbrande, tilbyder en alternativ tilgang til at forbinde lokale forureningskoncentrationer med specifik brandaktivitet. Generering af nøjagtige eksponeringsestimater fra CTM'er kræver dog, at man overvinder flere store usikkerheder i vejen mellem kilde og receptor. For det første har store usikkerheder i opgørelser over emissioner fra naturbrande vist sig at føre til mangefoldige forskelle i de emissioner, der tilskrives naturbrande. (partikler med diameter <2.5 um) koncentrationer over hele USA (og> 20 × regionale forskelle i højbrandsår), når forskellige beholdninger bruges som input til samme CTM (15, 16) og integration af satellitobservationer forbedrer kun ydeevnen (17For det andet kan de detaljerede forhold omkring emissioner, såsom højden af emissionsinjektioner og meget lokal meteorologi og deres transport, muligvis ikke indfanges af modeller og kan have en dramatisk indflydelse på downstream-eksponeringsestimater (18, 19). Endelig indfanger CTM-repræsentationer af atmosfærisk kemi muligvis ikke nøjagtigt udviklingen af røg fra skovbrande (20⇓⇓⇓-24Ud over den modelrelaterede usikkerhed betyder de beregningsmæssige omkostninger ved at køre CTM'er over store rumlige og tidsmæssige skalaer, at modeller sjældent valideres i forhold til de lange tidsserier af koncentrationsmålinger, der er tilgængelige fra hundredvis af jordstationer over hele USA.
Satellit-røgfjerningsbilleder
For yderligere at forstå løbende skiftende bidrag til udsættelse for partikler over hele USA og illustrere vigtige resterende videnskabelige og politiske spørgsmål i krydset mellem løbeild, forurening og klima træner og validerer vi en statistisk model, der relaterer ændringer i satellit-estimeret eksponering for røgfjer og brandaktivitet til jordmålt koncentrationer på tværs af regioner i USA (SI-tillægFig. S2). Vores model er specielt uddannet til at forudsige variation i over tid på mange individuelle steder – variation, som i stigende grad udnyttes til at forstå, hvordan ændringer i luftforurenende stoffer påvirker vigtige sundhedsresultater. Vores tilgang er ikke afhængig af usikre emissionsopgørelser og afhjælper vanskeligheder med modellering af spredning af røgsøjler, og resultaterne kan nemt valideres mod over et årtis jorddata, som modellen ikke blev trænet på. Modelestimater er robuste over for alternative måder at inkorporere brand- og røgsøjledata på (SI-tillæg, Fig. S3 og tabeller S1 – S3) og præstation i forudsigelse af variation i det samlede er på niveau med benchmark-fjernfølerbaserede tilgange (SI-tillægFig. S4) og overstiger rapporteret ydeevne for CTM'er (SI-tillægVi sammenligner estimater fra denne reducerede tilgang med andre regionsspecifikke estimater af røgkoncentrationer i litteraturen og finder, at vores tilgang giver lignende estimater af andelen af den samlede fra røg som nylige undersøgelser, der dækker mindre regioner eller perioder (SI-tillægFig. S5).
PM2.5 Fra WIldfires, der bidrager med op til halvdelen af alle PM2.5 i Vesten
Vores resultater viser, at bidraget fra en brandrøg til PM2.5 Koncentrationerne i USA er steget betydeligt siden midten af 2000'erne og har i de senere år tegnet sig for op til halvdelen af den samlede PM-mængde.2.5 eksponering i vestlige regioner sammenlignet med <20% for et årti siden (Fig 1H). Mens stigninger i bidrag fra røg til PM2.5 er koncentreret i det vestlige USA, kan de også ses i andre regioner (Fig 2 A og B), et resultat af fjerntransport af røg fra store brande. Faktisk anslås en voksende andel af røg i Midtvestlige og østlige regioner i USA at stamme fra brande i det vestlige USA eller uden for USA (13) (Fig 2 C og D), der afspejler nylige resultater af den samlede grænseoverskridende bevægelse af det samlede inden for USA (25). Eksponeringsmønstre er også relevante for debatter om miljøretfærdighed: Vi finder ud af, at mens amter med højere andele af ikke-spanske hvide i befolkningen er mindre udsat for total , som det længe har været anerkendt i miljøretfærdighedssamfundet, er de faktisk mere udsatte i gennemsnit for omgivende fra brandrøg (Fig 2 E og F). Hvordan disse forskelle i omgivelsesrøgbaseret eksponering oversat til faktiske individuelle eksponeringer vil afhænge af en række individuelle faktorer, herunder forskelle i tid brugt udendørs og i egenskaberne ved indendørs hjem og arbejdsmiljøer, hvoraf mange kan korrelere med socioøkonomiske faktorer. F.eks. Er infiltration af forurenende stoffer i hjemmet kendt for at være højere i gennemsnit for ældre, mindre hjem og for husstande med lavere indkomst (26), og disse forskelle kan føre til forskelle i den samlede individuelle eksponering, selvom omgivelsernes eksponering ikke er forskellig.
Mængden, kilden og forekomsten af røg fra skovbrande. (A og B) Gennemsnitlig forudsagt mikrogram pr. kubikmeter kan tilskrives røg fra skovbrande i 2006 til 2008 og 2016 til 2018, beregnet ud fra en statistisk model, der tilpasser satellitbaserede røgsøjledata. (C) Andel af røg, der stammer fra lande uden for USA, juni til september 2007 til 2014 (beregnet ud fra ref. 13), med en betydelig mængde røg i det nordøstlige og mellemvestlige land, der stammer fra canadiske brande og ca. 60% af røg i det nordøstlige, der stammer uden for landet; nationalt anslås ~ 11% af røg at stamme uden for landet. (D) Andelen af røg med oprindelse i det vestlige USA juni til september 2007 til 2014. Røg med oprindelse i det vestlige USA tegner sig for 54% af den røg, der opleves i resten af USA. (E og F) Gradvise eksponeringsgradienter er modsatte for partikler fra røg sammenlignet med total partikler: Over hele det coterminøse USA har amter med en højere befolkningsandel af ikke-spanske hvide lavere gennemsnitlig partikeleksponering, men højere gennemsnitlig omgivende eksponering for partikler fra røg (P <0.01 for begge forhold).
Hvad er de fremtidige politiske muligheder?
Disse tendenser og mønstre fremhæver vigtige spændingspunkter mellem eksisterende luftkvalitetsregulering og den voksende trussel fra røg fra naturbrande og rejser vigtige ubesvarede forskningsspørgsmål, der vil være afgørende for at informere om politiske valg. Nuværende tilgange til regulering i USA behandler luftkvalitet primært som et lokalt problem, hvor amter straffes, hvis koncentrationerne af forurenende stoffer overstiger angivne kort- eller langsigtede tærskler. Nuværende regulering under Clean Air Act undtager potentielt også røg fra naturbrande - men ikke røg fra foreskrevne afbrændinger - fra opnåelse af betegnelsen. Disse tilgange synes at være i modstrid med den grænseoverskridende karakter og det voksende bidrag fra røg fra naturbrande til luftkvaliteten.
For bedre at kunne vejlede politikken vil et første centralt videnskabeligt bidrag være en bedre kvantificering af røgeksponeringer og aftalte metoder til validering af disse eksponeringer. Både statistiske og transportbaserede tilgange til eksponeringsvurdering har deres styrker og mangler, og begges præstationer bør evalueres baseret på metrikker, der er relevante for måling af sundhedsreaktioner efterfølgende. Især for at isolere røgeksponering fra potentielle forstyrrelser bruger de fleste statistiske tilgange i nyere sundhedskonsekvensundersøgelser variation over tid i forureningseksponering til at estimere sundhedseffekter. Dette indebærer, at røgmodeller, der anvendes til estimering af sundhedseffekter, bør evalueres i deres evne til at forudsige tidsmæssig variation i på relevante steder, ikke kun rumlige mønstre i niveauer; de fleste eksisterende valideringsindsatser fokuserer på sidstnævnte. For at undgå overtilpasning skal disse evalueringer udføres på jorddata, der ikke bruges i modeltræning. Vores model viser, hvordan en relativt simpel statistisk tilgang med rimelighed præcist kan forudsige variation i røgbaseret , men sådanne tilgange - enten alene eller i kombination med CTM'er - kan sandsynligvis forbedres væsentligt. [Selvom vi ikke betragter dem her, kan forbedret løbeildaktivitet også have meningsfuld negativ indvirkning på vandkvaliteten gennem øget afstrømning og efterfølgende suspension af partikler, spormetaller og kemikalier (27); bedre måling af disse eksponeringer og deres sundhedseffekter er et andet nøgleområde for forskning.]
Et andet videnskabeligt centralt spørgsmål er arten af sundhedsmæssige reaktioner på brandrøg. Voksende beviser tyder på en række negative sundhedsmæssige konsekvenser forbundet med eksponering for røg i vildmark (10, 28), i overensstemmelse med en bred litteratur om de bredere sundhedsmæssige konsekvenser af forurenet luft. De seneste beviser tyder på, at der ikke er noget "sikkert" niveau for eksponering for vigtige forurenende stoffer som f.eks (29, 30), men forskelle i form af forurenings-sundhedsfunktion ved lave eksponeringsniveauer kan have store konsekvenser for fordelene ved forureningsreduktion.
For at illustrere denne følsomhed kombinerer vi forureningsændringer forudsagt fra vores statistiske model med tre nyligt publicerede dødelighedsresponsfunktioner (29, 31, 32) for at simulere ændringer i ældre voksne dødelighed forudsagt af forskellige ændringer i eksponering induceret ved afbødning af brandrøg. Vejledt af eksisterende estimater for, hvordan ordineret afbrænding reducerer efterfølgende brandildaktivitet33) (SI-tillæg), vurderer vi stiliserede scenarier, hvor brugen af ordineret afbrænding ændrer den årlige fordeling og den samlede mængde af fra røg. Skøn over det årlige antal reddede liv blandt ældre voksne for en given ændring i røg varierer med en faktor 3 på tværs af offentliggjorte responsfunktioner, hvilket antyder store gennemsnitlige forskelle i fordelene ved røgreduktion (Fig 3). Bevis for, om visse populationer er mere modtagelige for røgeksponering, mangler også (10, 28).
Sundhedsmæssige konsekvenser af ændringer i røgeksponering afhænger af den antagne dosis-respons-funktion og størrelsen af ledelses- eller klimadrevne ændringer i røg. (A) Fordeling af for alle gridcelleår i det sammenhængende USA, 2006 til 2018, under adskillige stiliserede strategier for håndtering af naturbrande og klimaforandringsscenarier (se SI-tillæg for detaljer). Baselinefordelingen af det samlede forudsagte antal fra alle kilder er i sort. Grå distributioner viser alternative scenarier, hvor timingen og / eller mængden af den samlede røgrelaterede ændres gennem forvaltningsindgreb eller øges på grund af klimaet, herunder (hypotetisk) fuldstændig eliminering af røg (B og C) Årligt antal undgåede for tidlige dødsfald i den amerikanske befolkning i alderen 65+ år for hver behandlingsstrategi, beregnet ved at kombinere distributioner i A med offentliggjort langvarig eksponeringsresponsfunktioner afbildet i C (29, 31, 32).
Wildfire Management Strategier
De store potentielle sundhedsmæssige fordele ved røgdæmpning rejser også centrale spørgsmål om strategier for håndtering af naturbrande. For eksempel giver eksisterende evidens ikke en omfattende forståelse af, hvordan en given foreskrevet afbrændingsindsats vil ændre timingen, mængden og den rumlige fordeling af røg, og vi finder, at alternative estimater af effektiviteten af foreskrevet afbrænding i at reducere den efterfølgende størrelse af naturbrande ( 33 ) kan føre til mere end dobbelte forskelle i de estimerede sundhedsmæssige fordele ved foreskrevet afbrænding ( fig. 3 ). Tilsvarende fokuserer de nuværende brandbekæmpelsesindsatser forståeligt nok på at beskytte hjem og bygninger, men den samlede sundhedsmæssige indvirkning på befolkningen af en stærkt forurenende naturbrand, der ikke truer bygninger, kan være meget værre end af en mindre brand, der truer bygninger. Derudover er brændstofhåndteringsaktiviteter rettet mod beskyttelse af lokalsamfundet og økosystemfordele og tager ikke højde for sandsynlige nedstrømspåvirkninger af naturbrande på store populationer. Yderligere kvantitativt arbejde er nødvendigt for at hjælpe med at navigere i disse vanskelige afvejninger.
Et tredje nøglespørgsmål er, om kilde-agnostiker -Sundhedsresponsfunktioner er passende til at estimere specifikke sundhedspåvirkninger relateret til røg fra skovbrande. Selvom det almindeligvis fremsættes en hypotese, er den eksisterende litteratur blandet om, hvorvidt eksponering for røg fra skovbrande har andre sundhedspåvirkninger end eksponering for andre kilder til (34) med nogle beviser for, at forskelle er udfaldsspecifikke (35). Forbedret videnskab om dette emne - herunder nødvendige investeringer i specificeret overvågning for at skelne mellem brandspecifikke forurenende stoffer - vil være afgørende for forståelsen af virkningen af en brand.
For det fjerde, hvordan kan samspillet mellem klimaændringer og risikoen for naturbrande forme de politiske prioriteter? Et varmere klima er ansvarlig for omtrent halvdelen af stigningen i det afbrændte areal i USA ( 4 ), og fremtidige klimaændringer kan føre til op til en yderligere fordobling af partikelemissioner relateret til naturbrande i brandudsatte områder ( 36 ) eller en mangedobling af det afbrændte areal ( 37 , 38 ). Omkostningerne ved disse stigninger omfatter både de efterfølgende økonomiske og sundhedsmæssige omkostninger ved røgeksponering samt omkostningerne ved bekæmpelsesaktiviteter, direkte tab af liv og ejendom og andre tilpasningsforanstaltninger (f.eks. strømafbrydelser), der har omfattende økonomiske konsekvenser. Det er i øjeblikket ukendt, om det at tage højde for disse naturbrandrelaterede omkostninger i betydelig grad øger de anslåede samlede økonomiske skader fra klimaændringer.
Hvad koster det?
For at begynde at kvantificere de mulige omkostninger ved klimainducerede stigninger i naturbrande bruger vi vores statistiske model og stiliserede scenarier til at beregne ændringen i røgeksponering og den deraf følgende dødelighed forbundet med forventede stigninger i risikoen for naturbrande. Ved at bruge forventede stigninger i fremtidig røg er det stort set i overensstemmelse med eksisterende litteratur (36⇓-38), beregner vi, at øget dødelighed som følge af klimaforandringsinduceret brandrøg kunne nærme sig forventede samlede stigninger i temperaturrelateret dødelighed - i sig selv den største anslåede bidragsyder til økonomiske skader i USA (39) (SI-tillæg). Der er behov for mere detaljerede undersøgelser for at forfine disse estimater med hensyn til deres størrelsesorden, deres geografiske specificitet og de specifikke delpopulationer, der kan være mest berørt. Et centralt relateret politisk spørgsmål vil være, om og i hvilken grad de nuværende undtagelser fra Clean Air Act, der er givet til stater for forureningspåvirkninger fra røg fra skovbrande, skal ændres, da disse undergraver gevinsterne fra indsatsen for at reducere fra andre forureningskilder.
Hvad er forbindelsen mellem skovbrande og Covid-19 infektioner?
Endelig har skovbrande haft en stærk interaktion med COVID-19-pandemien på måder, der kræver yderligere undersøgelse. COVID-19 har i en vis grad hæmmet regeringens og den private sektors evne til at reagere på risikoen for skovbrande, før, mens og efter brande opstår. Omfanget af skovbrandsæsonen i 2020 i mange dele af Vesten, hvor tørke i regntiden 2019 til 2020 fulgte efter en ophobning af brændstof i løbet af en relativt våd sæson 2018 til 2019, har præsenteret særligt akutte udfordringer. Træning af brandmænd i skovområder blev forsinket eller nogle gange aflyst, brandmandskab fra fanger var utilgængelige på grund af tidlig løsladelse fra statsfængsler for at undgå COVID-udbrud, mange brændstofhåndteringsbehandlinger fandt ikke sted om vinteren og foråret, forsyningsselskaber oplevede i det mindste nogle forsinkelser i aktiviteter til reduktion af risikoen for skovbrande, og traditionelle tilgange til evakuering af skovbrande har vist sig at være mere udfordrende på grund af reduceret kapacitet på evakueringscentre som følge af krav om social distancering. Det er i øjeblikket ukendt, men sandsynligt, at den historiske brandsæson og den deraf følgende røgpåvirkning også har forværret COVID-relaterede sundhedsresultater, da tidlige beviser tyder på, at eksponering for luftforurening øger både COVID-tilfælde og dødsfald i USA ( 40 , 41 ) (et fund, der stemmer overens med forholdet mellem forurening og andre virale luftvejssygdomme) ( 42 , 43 ). En bedre årsagssammenhæng af luftforurenings indvirkning på COVID-resultater, herunder fra skovbrande, er en kritisk presserende forskningsprioritet, og forskere har givet retningslinjer for, hvordan luftforurening/COVID-forhold bedst kan undersøges ( 44 ). Resultater fra denne forskning kan være vigtige for at vejlede arbejdskraft- og økonomibegrænsede brandbekæmpelsesindsatser og strategier for brændstofhåndtering, efterhånden som pandemien fortsætter.
Find mere information om klimaforandringer.
