En ny studie publicerad av Proceedings of the National Academy of Sciences i USA (PNAS) förutspår en dyster framtid för bränder och den resulterande giftiga röken. Här är sammandraget av deras nyligen avslutade studie:
Full forskningspublikation: https://www.pnas.org/content/118/2/e2011048118#F1
Ökning av dödliga globala bränder
Nyligen dramatiska och dödliga ökningar av den globala skogsbrandaktiviteten har ökat uppmärksamheten på orsakerna till skogsbränder, deras konsekvenser och hur risken för skogsbrand kan mildras. Här samlar vi data om den förändrade risken och samhällsbördan med löpeld i USA. Vi uppskattar att nästan 50 miljoner bostäder för närvarande befinner sig i gränslandet mellan vildmark och städer i USA, ett antal som ökar med 1 miljon hus vart tredje år. För att illustrera hur förändringar i löpeldaktivitet kan påverka luftföroreningar och relaterade hälsoeffekter, och hur dessa kopplingar kan vägleda framtida vetenskap och politik, utvecklar vi en statistisk modell som relaterar satellitbaserade brand- och rökdata till information från föroreningsövervakningsstationer.
Skogsbränder har stått för upp till 25% av PM2.5 partiklar i USA
Med hjälp av modellen uppskattar vi att bränder har svarat för upp till 25% av PM2.5 (partiklar med diameter <2.5 mikrometer) under de senaste åren i USA, och upp till hälften i vissa västra regioner, med rumsmönster i exponering för omgivande rök som inte följer traditionella socioekonomiska gradvisa exponeringsgradienter. Vi kombinerar modellen med stiliserade scenarier för att visa att bränslehanteringsåtgärder kan ha stora hälsofördelar och att framtida hälsoeffekter från klimatförändringsinducerad löpeldsrök kan närma sig den beräknade totala ökningen av temperaturrelaterad dödlighet från klimatförändringen - men att båda uppskattningarna kvarstår osäker. Vi använder modellresultat för att lyfta fram viktiga områden för framtida forskning och dra lärdomar för policy.
Brännområden från bränder i USA är upp till 400% de senaste fyra decennierna
Under de senaste fyra decennierna har bränt område från skogsbränder ungefär fyrdubblats i USA (Fig 1A) (1). Denna snabba tillväxt har drivits av ett antal faktorer, inklusive ansamling av bränslen på grund av ett arv från brandbekämpning under det senaste århundradet (2) och en senare ökning av torrhet i bränsle (Fig 1B, visat för västra USA), en trend som förväntas fortsätta när klimatet värms upp (3, 4). Dessa ökningar har skett parallellt med en betydande ökning av antalet hus i gränslandet vildmark – stads (WUI). Med hjälp av data om universum för hemlokaler över hela USA och uppdaterade nationella landtäckningskartor uppdaterar vi tidigare studier (5, 6) och uppskattar att det nu finns cirka 49 miljoner bostäder i WUI, ett antal som har ökat med cirka 350,000 XNUMX hus per år under de senaste två decennierna (Fig 1C och SI-bilaga). Eftersom brandbekämpningsarbetet i hög grad fokuserar på skyddet av privata hem (7) har dessa faktorer bidragit till en stadig ökning av utgifterna för dämpning av löpeld från den amerikanska regeringen (Fig 1D), som de senaste åren har uppgått till 3 miljarder dollar / år i federala utgifter (1). Totalt föreskrivet brännareal har ökat i sydöstra USA men har varit i stort sett platt någon annanstans (Fig 1E), vilket föreslår för många att det finns underinvesteringar i denna riskreducerande strategi, med tanke på den massiva totala tillväxten i risken för löpeld (8).
Trender i förarna och konsekvenserna av löpeld. (A och B) Ökningar i bränt område i offentliga och privata amerikanska länder (A) (1) har drivits delvis av ökande torrhet i bränsle, som visas här över västra USA (4) (B). (C och D) Antalet bostäder i WUI har också ökat snabbt (C, våra beräkningar; SI-bilaga), vilket har bidragit till stigande undertryckningskostnader (D) som uppstått av den federala regeringen. (E) Det föreskrivna brännområdet har ökat avsevärt i söder men är platt i alla andra regioner (1). (F och G) Rökdagarna har ökat i hela USA (F), vilket undergräver kanske dekadala förbättringar av luftkvaliteten i hela USA (G). (H) Vi beräknar en ökande andel av totalen hänförlig till rökeld, särskilt i väst. Röda och blå linjer i varje tomt visar linjära passningar till historiska data, med lutningar uppe till vänster på varje panel; alla skiljer sig signifikant från noll (P <0.01 för vardera), förutom föreskriven brännskada i regioner utanför söder. Röda linjer visar att underliggande data kommer från publicerade studier eller statliga data, och blå linjer visar nya uppskattningar från denna uppsats.
Växande oro
Vilka är konsekvenserna av denna förändring av brandaktiviteten för den övergripande luftkvaliteten och för hälsoeffekterna, och hur ska politiken reagera? Stora ökningar av löpeldaktiviteter har åtföljts av avsevärda ökningar av antalet dagar med någon rök i luften över USA (Fig 1F), uppskattat från satellitdata (9). Sådana ökningar har observerats i hela det kontinentala USA, inte bara i väst, och hotar att ångra de betydande förbättringar av luftkvaliteten som observerats i USA under de senaste två decennierna (Fig 1G). Fingeravtryck från löpeld är redan synliga i uppåtriktade koncentrationer av organiskt kol och vår och sommar på landsbygden i södra och västra USA (SI-bilaga, Fig S1) respektive studier visar att det att ha någon rök i luften kan öka sjukligheten och dödligheten bland exponerade populationer (10, 11).
En utmaning för befolkningscentra
En utmaning att förstå det bredare bidraget från att förändra löpeldaktivitet till luftkvaliteten är svårigheten att exakt koppla eldaktivitet till relaterade exponeringar av föroreningar i ofta avlägsna befolkningscentra (12). Satellitbaserade mått på rökexponering blir alltmer tillgängliga och är tilltalande eftersom plymövervakning intuitivt länkar samman källor och receptorregioner. Sådana data kan emellertid ännu inte användas för att exakt mäta rökdensitet eller för att separera rök på ytan från rök högre i atmosfärskolonnen, och de är således svåra att koppla till befintliga förhållanden mellan exponering och hälsa (13, 14). Kemiska transportmodeller (CTM), som direkt kan modellera rörelsen och utvecklingen av utsläpp av löpeld, erbjuder en alternativ metod för att koppla lokala föroreningskoncentrationer till specifik brandaktivitet. Att generera exakta exponeringsuppskattningar från CTM kräver dock att man överväger flera stora osäkerheter i vägen mellan källa och receptor. För det första har stora osäkerheter i lagerutsläppslager visat sig leda till mångfaldiga skillnader i löpeld som tillskrivs (partiklar med diameter <2.5 μm) koncentrationer över hela USA (och> 20 × regionala skillnader under höga brandår) när olika lager används som ingång till samma CTM (15, 16) och integrering av satellitobservationer förbättrar bara prestandan (17). För det andra kanske de detaljerade förhållandena kring utsläpp som höjden av utsläppsinjektioner och mycket lokal meteorologi och deras transport inte fångas av modeller och kan dramatiskt påverka nedströms exponeringsuppskattningar (18, 19). Slutligen kanske CTM-representationer av atmosfärisk kemi inte exakt fångar utvecklingen av rökeld (20⇓⇓⇓-24). Förutom modellrelaterad osäkerhet innebär beräkningskostnaden för att köra CTM över stora rumsliga och temporala skalor att modeller sällan valideras mot de långa tidsserierna av koncentrationsmätningar som finns tillgängliga från hundratals markstationer över hela USA.
Satellitrökfärgbilder
För att ytterligare förstå det förändrade bidraget från löpeld till exponering av partiklar över hela USA och för att illustrera viktiga återstående vetenskapliga och politiska frågor vid skärningspunkten mellan löpeld, föroreningar och klimat, tränar vi och validerar en statistisk modell som relaterar till förändringar i satellituppskattning rökplommon exponering och brandaktivitet till markmätning koncentrationer över regioner i USA (SI-bilaga, Fig S2). Vår modell är särskilt utbildad för att förutsäga variation i över tid på många enskilda platser - variation som i allt högre grad utnyttjas för att förstå hur förändringar i luftföroreningar påverkar viktiga hälsoresultat. Vårt tillvägagångssätt är inte beroende av osäkra utsläppsinventeringar och lindrar svårigheter med att modellera spridning av plymer, och resultaten kan lätt valideras mot mer än ett decennium av markdata som modellen inte utbildades på. Modelluppskattningar är robusta för alternativa sätt att införliva eld- och plymdata (SI-bilaga, Fig. S3 och tabellerna S1 – S3) och prestanda för att förutsäga variation i det totala är i nivå med riktlinjer för fjärranalysbaserade metoder (SI-bilaga, Fig S4) och överstiger rapporterad prestanda för CTM (SI-bilaga). Vi jämför uppskattningar från detta tillvägagångssätt med reducerad form med andra regionspecifika uppskattningar av rökkoncentrationer i litteraturen, och finner att vårt tillvägagångssätt ger liknande uppskattningar av andelen totalt från rök som nya studier som täcker mindre regioner eller perioder (SI-bilaga, Fig S5).
PM2.5 Från WIldfires Bidrar upp till hälften av alla PM2.5 i väst
Våra resultat visar att bidraget från löpeldsrök till PM2.5 koncentrationer i USA har ökat kraftigt sedan mitten av 2000-talet och har de senaste åren svarat för upp till hälften av den totala2.5 exponering i västra regioner jämfört med <20% för ett decennium sedan (Fig 1H). Samtidigt som ökningen av rökens bidrag till PM2.5 är koncentrerade i västra USA, de kan också ses i andra regioner (Fig 2 A och B), ett resultat av långtransport av rök från stora bränder. I Mellanvästra och östra regionerna i USA uppskattas en växande andel rök härröra från bränder i västra USA eller utanför USA (13) (Fig 2 C och D), som speglar de senaste fynden om den totala gränsöverskridande rörelsen inom USA (25). Exponeringsmönster är också relevanta för diskussioner om miljömässig rättvisa: Vi finner att medan län med högre andelar icke-spansktalande vita i befolkningen är mindre utsatta för totala , som länge har erkänts i miljömässiga rättvisa, är de faktiskt mer utsatta i genomsnitt för omgivning från rökeld (Fig 2 E och F). Hur dessa skillnader i omgivande rökbaserade exponering översatt till faktiska individuella exponeringar beror på en mängd olika individuella faktorer, inklusive skillnader i tid som spenderas utomhus och i egenskaperna hos inomhushem och arbetsmiljöer, varav många kan korrelera med socioekonomiska faktorer. Till exempel är infiltrering av utomhusföroreningar i hem känd för att vara i genomsnitt högre för äldre, mindre hem och för lägre inkomsthushåll (26), och dessa skillnader kan leda till skillnader i den totala individuella exponeringen även om omgivningsexponeringen inte är annorlunda.
Mängden, källan och förekomsten av löpeldsrök. (A och B) Genomsnittligt förutsagda mikrogram per kubikmeter som kan hänföras till löpeldrök 2006 till 2008 och 2016 till 2018, beräknat från en statistisk modell som passar satellitbaserade rökrökdata. (C) Andel rök med ursprung utanför USA, juni till september 2007 till 2014 (beräknat från ref. 13), med en betydande mängd rök i nordöstra och mellanvästra som härrör från kanadensiska bränder och cirka 60% av rök i nordöstra med ursprung utanför landet; nationellt beräknas ~ 11% av rök ha sitt ursprung utanför landet. (D) Andelen rök med ursprung i västra USA, juni till september 2007 till 2014. Rök med ursprung i västra USA står för 54% av den rök som upplevs i resten av USA. (E och F) Gradvisa exponeringsgradienter är motsatta för partiklar från rök jämfört med totalt partiklar: Över det coterminösa USA har län med en högre befolkningsandel av icke-spansktalande vita lägre genomsnittlig exponering för partiklar men högre omgivningsexponering för partiklar från rök (P <0.01 för båda förhållandena).
Vilka är de framtida policyalternativen?
Dessa trender och mönster lyfter fram viktiga spänningar mellan befintlig reglering av luftkvaliteten och det växande hotet från brand i brand och väcker viktiga obesvarade forskningsfrågor som kommer att vara avgörande för att informera om politiska val. Nuvarande tillvägagångssätt för reglering i USA behandlar luftkvaliteten främst som ett lokalt problem, där länen straffas om koncentrationerna av föroreningar överstiger angivna tröskelvärden på kort eller lång sikt. Nuvarande reglering enligt Clean Air Act undantar också potentiellt brandrök - men inte rök från föreskrivna brännskador - från uppnåendebeteckning. Dessa tillvägagångssätt verkar strida mot den gränsöverskridande naturen och det växande bidraget från löpeldsrök till luftkvaliteten.
För att bättre styra politiken kommer ett första nyckel vetenskapligt bidrag att vara en bättre kvantifiering av rök exponering och överenskomna metoder för att validera dessa exponeringar. Både statistiska och transportbaserade tillvägagångssätt för exponeringsbedömning har sina styrkor och brister, och prestandan hos båda bör utvärderas utifrån mätvärden som är relevanta för mätningen av nedströms hälsoreaktioner. I synnerhet, för att isolera rökexponering från potentiella förvirringar, använder de flesta statistiska tillvägagångssätt i de senaste hälsoeffektstudierna variation över tid i föroreningsexponering för att uppskatta hälsoeffekter. Detta innebär att rökmodeller som används för att uppskatta hälsoeffekter ska utvärderas i deras förmåga att förutsäga tidsmässig variation i på relevanta platser, inte bara rumsmönster i nivåer; de flesta befintliga valideringsinsatser fokuserar på det senare. För att skydda mot överanpassning måste dessa utvärderingar göras på markdata som inte används i modellutbildningen. Vår modell visar hur ett relativt enkelt statistiskt tillvägagångssätt rimligen kan förutsäga variationer i rökbaserade , men sådana tillvägagångssätt - antingen ensamma eller i kombination med CTM: er - kan sannolikt förbättras avsevärt. [Även om vi inte betraktar dem här, kan förbättrad löpeldaktivitet också ha betydande negativa effekter på vattenkvaliteten genom ökad avrinning och efterföljande suspension av partiklar, spårmetaller och kemikalier (27); bättre mätning av dessa exponeringar och deras hälsoeffekter är ett annat viktigt forskningsområde.]
En andra viktig vetenskaplig fråga är karaktären av hälsoreaktioner på löpeldsrök. Växande bevis tyder på en rad negativa hälsokonsekvenser förknippade med exponering för eldrök (10, 28), överensstämmer med en omfattande litteratur om de bredare hälsoeffekterna av förorenad luft. De senaste bevisen tyder på att det inte finns någon ”säker” exponeringsnivå för viktiga föroreningar som t.ex. (29, 30), men skillnader i form av förorening – hälsofunktion vid låga exponeringsnivåer kan ha stora konsekvenser för fördelarna med minskning av föroreningar.
För att illustrera denna känslighet kombinerar vi föroreningar som förutspås från vår statistiska modell med tre nyligen publicerade dödsresponsfunktioner (29, 31, 32) för att simulera förändringar i dödlighet hos äldre vuxna som förutses av olika förändringar i exponering framkallad genom att mildra eld från rök. Styrs av befintliga uppskattningar av hur föreskriven bränning minskar efterföljande löpeldaktivitet33) (SI-bilaga) utvärderar vi stiliserade scenarier där användning av föreskriven bränning förändrar den årliga fördelningen och den totala mängden från rök. Uppskattningar av det årliga antalet liv som sparats bland äldre vuxna för en viss rökförändring skiljer sig med en faktor 3 för publicerade svarsfunktioner, vilket innebär stora skillnader i genomsnitt i fördelarna med rökreduktion (Fig 3). Bevis för huruvida vissa populationer är mer mottagliga för rök exponering saknas också (10, 28).
Hälsokonsekvenser av förändringar i rökexponering beror på den antagna dosresponsfunktionen och på omfattningen av hanterings- eller klimatdrivna förändringar i rök. (A) Fördelningar av för alla nätcellsår i de angränsande USA, 2006 till 2018, under flera stiliserade strategier för hantering av löpeld och klimatförändringsscenarier (se SI-bilaga för detaljer). Baslinjefördelningen av totalt förutsagt från alla källor är i svart. Grå distributioner visar alternativa scenarier där tidpunkten och / eller mängden av totalt rökrelaterat förändras genom ledningsinterventioner eller ökas på grund av klimat, inklusive (hypotetisk) fullständig eliminering av rök . (B och C) Årligt antal undvikna för tidiga dödsfall i den amerikanska befolkningen 65+ år för varje ledningsstrategi, beräknat genom att kombinera distributioner i A med publicerad långsiktig exponerings-responsfunktioner som visas i C (29, 31, 32).
Wildfire Management Strategier
De stora potentiella hälsofördelarna med rökreducering väcker också viktiga frågor om strategier för hantering av löpeld. Exempelvis ger befintliga bevis inte en heltäckande förståelse för hur en given föreskriven brännintervention kommer att ändra tidpunkten, mängden och den rumsliga fördelningen av rök, och vi finner att alternativa uppskattningar av effekten av föreskriven bränning för att minska den efterföljande storleken på bränder (33) kan leda till mer än dubbla skillnader i uppskattade hälsofördelar med föreskrivna brännskador (Fig 3). På samma sätt fokuserar nuvarande brandbekämpningsförståelser förståeligt på att skydda hem och strukturer, men den totala befolkningens hälsoeffekt av ett kraftigt förorenande löpeld som inte hotar strukturer kan vara mycket värre än för en mindre brand som hotar strukturer. Dessutom är bränslehanteringsaktiviteter inriktade på lokalt samhällsskydd och ekosystemfördelar och anser inte sannolika nedströms effekter av löpeld på stora befolkningar. Ytterligare kvantitativt arbete behövs för att navigera i dessa svåra kompromisser.
En tredje nyckelfråga är om källagnostiker -hälso-responsfunktioner är lämpliga för uppskattning av brand-rök-specifika hälsoeffekter. Även om det vanligtvis antas, blandas befintlig litteratur om huruvida exponering för löpeld har andra hälsoeffekter än exponering för andra källor till (34), med vissa bevis för att skillnader är resultatspecifika (35). Förbättrad vetenskap om detta ämne - inklusive nödvändiga investeringar i specificerad övervakning för att urskilja löpeldsspecifika föroreningar - kommer att vara avgörande för att förstå effekterna av löpeld.
För det fjärde, hur kan samspelet mellan klimatförändringar och löpeld riskera politiska prioriteringar? Ett uppvärmningsklimat är ansvarigt för ungefär hälften av ökningen av det brända området i USA (4) och framtida klimatförändringar kan leda till en ytterligare fördubbling av utsläpp av partikelutsläpp i bränder i utsatta områden (36) eller en mångfaldig ökning av bränt område (37, 38). Kostnaderna för dessa ökningar inkluderar både nedströmsekonomiska kostnader och hälso- och sjukvårdskostnader för exponering av rök, liksom kostnader för dämpningsaktiviteter, direkt förlust av liv och egendom och andra anpassningsbara åtgärder (t.ex. strömavstängningar) som har omfattande ekonomiska konsekvenser. Det är för närvarande okänt om redovisning av dessa utsläppsrelaterade kostnader meningsfullt ökar de uppskattade totala ekonomiska skadorna från klimatförändringen.
Vad kommer detta att kosta?
För att börja kvantifiera de möjliga kostnaderna för klimatinducerade löpeldökningar använder vi vår statistiska modell och stiliserade scenarier för att beräkna förändringen i rökexponering och resulterande dödlighet i samband med beräknad ökning av risken för löpeld. Använda beräknade ökningar i framtida rök som överensstämmer med befintlig litteratur (36⇓-38), beräknar vi att ökad dödlighet från klimatförändringsinducerad löpeldrök kan närma sig den förväntade totala ökningen av temperaturrelaterad dödlighet - i sig själv den största uppskattade bidragsgivaren till ekonomiska skador i USA (39) (SI-bilaga). Mer detaljerade studier behövs för att förfina dessa uppskattningar i termer av deras storlek, deras geografiska specificitet och de särskilda delpopulationer som kan påverkas mest. En nyckelrelaterad policyfråga kommer att vara om och i vilken utsträckning de nuvarande undantagen från Clean Air Act ska beviljas stater för föroreningskonsekvenser från löpeldsrök, eftersom dessa tappar vinster från ansträngningar som syftar till från andra föroreningskällor.
Vad är sambandet mellan bränder och Covid-19-infektioner?
Slutligen har skogsbränder starkt interagerat med COVID-19-pandemin på sätt som kräver ytterligare studier. COVID-19 har till viss del hindrat regeringens och den privata sektorns förmåga att reagera på risken för löpeld, före, medan och efter bränder. Omfattningen av löpeldssäsongen 2020 i många delar av väst, där torka under regnperioden 2019 till 2020 följde en ansamling av bränslen under en relativt våt säsong 2018 till 2019 har gett särskilt akuta utmaningar. Vildlands brandmanutbildningar försenades eller ibland avbröts, dömda brandmanbesättningar var otillgängliga på grund av tidig frigivning från statliga fängelser för att undvika COVID-utbrott, många behandlingar för bränslehantering inträffade inte på vintern och våren. och traditionella tillvägagångssätt för evakuering av löpeld har visat sig vara mer utmanande på grund av sänkt kapacitet vid evakueringscentra till följd av krav på social distansering. Det är för närvarande okänt men troligt att den historiska eldsäsongen och därmed rökpåverkan också har försämrat COVID-relaterade hälsoeffekter, eftersom tidiga bevis tyder på att exponering för luftföroreningar ökar både COVID-fall och dödsfall i USA (40, 41) (ett resultat som överensstämmer med sambandet mellan föroreningar och andra virala andningssjukdomar) (42, 43). En bättre kausal förståelse för effekterna av luftföroreningar på COVID-resultat, inklusive från bränder, är en kritiskt angelägen forskningsprioritet och forskare har gett riktlinjer för hur luftföroreningar / COVID-förhållanden kan studeras bäst (44). Resultaten från denna forskning kan vara viktiga för att vägleda arbetskrafts- och finansbegränsade brandbekämpningsinsatser och bränslehanteringsstrategier när pandemin fortsätter.
Hitta mer information om klimatförändringar.
