Jaké je měnící se riziko a zátěž lesních požárů ve Spojených státech?

Nová studie zveřejněná ve sborníku Národní akademie věd Spojených států amerických (PNAS) předpovídá ponurou budoucnost požárů a výsledného toxického kouře. Zde je souhrn jejich nově uzavřené studie:

Publikace úplného výzkumu: https://www.pnas.org/content/118/2/e2011048118#F1

Zvýšení smrtelných globálních požárů

Nedávné dramatické a smrtící zvýšení aktivity globálního požáru zvýšilo pozornost na příčiny požárů, jejich důsledky a na to, jak lze riziko požáru zmírnit. Zde shromažďujeme údaje o měnícím se riziku a společenské zátěži požárem ve Spojených státech. Odhadujeme, že téměř 50 milionů domácností je v současné době v rozhraní divočiny a měst ve Spojených státech, přičemž počet se každé 1 roky zvyšuje o 3 milion domů. Abychom ilustrovali, jak mohou změny aktivity požárů ovlivnit znečištění ovzduší a související zdravotní výsledky a jak by tyto vazby mohly vést budoucí vědu a politiku, vytvoříme statistický model, který spojuje data o požáru a kouři ze satelitů s informacemi z monitorovacích stanic znečištění.

Lesní požáry ve Spojených státech představovaly až 25% částic PM2.5

Pomocí modelu odhadujeme, že lesní požáry představovaly až 25% PM_2.5 (částice s průměrem <2.5 μm) v posledních letech ve Spojených státech a až polovina v některých západních oblastech, s prostorovými vzory v expozici kouři, které nenásledují tradiční gradienty expozice socioekonomickému znečištění. Kombinujeme model se stylizovanými scénáři, abychom ukázali, že zásahy do řízení paliv mohou mít velké zdravotní výhody a že budoucí zdravotní dopady kouře způsobeného požárem způsobeným změnou klimatu by se mohly přiblížit předpokládanému celkovému zvýšení úmrtnosti související s teplotou v důsledku změny klimatu - ale oba odhady zůstávají nejistý. Výsledky modelu používáme ke zvýraznění důležitých oblastí pro budoucí výzkum a k poučení pro politiku.

Burn Areas from Wildfires in USA je za poslední čtyři dekády až 400%

Za poslední čtyři desetiletí se spálená oblast požárů ve Spojených státech zhruba zčtyřnásobila (Obr. 1A) (1). Tento rychlý růst byl způsoben řadou faktorů, včetně akumulace paliv v důsledku dědictví potlačení požáru v minulém století (2) a novější zvýšení vyprahlosti paliva (Obr. 1B, který je znázorněn na západě USA), což je trend, u kterého se očekává, že bude pokračovat s oteplováním klimatu (3, 4). K těmto nárůstům došlo souběžně s podstatným nárůstem počtu domů na rozhraní divočiny a měst (WUI). S využitím údajů o vesmíru domovských lokalit ve Spojených státech a aktualizovaných národních map krajinného pokryvu aktualizujeme dřívější studie (5, 6) a odhadují, že ve WUI je nyní ∼49 milionů obytných domů, což je počet, který se za poslední dvě desetiletí zvýšil zhruba o 350,000 XNUMX domů ročně (Obr. 1C a Příloha SI). Jelikož se hasičské úsilí podstatně zaměřuje na ochranu soukromých domů (7), tyto faktory přispěly ke stálému nárůstu výdajů na potlačování požárů vládou USA (Obr. 1D), který v posledních letech činil federální výdaje billion 3 miliardy $ / rok (1). Celková předepsaná výměra popálenin se v jihovýchodních Spojených státech zvýšila, ale jinde zůstala převážně stejná (Obr. 1E), což mnohým naznačuje, že do této strategie zmírňování rizik nedochází s dostatečnými investicemi, vzhledem k obrovskému celkovému růstu rizika požárů (8).

Trendy řidičů a důsledky požáru. (A a B) Nárůst spálené oblasti ve veřejných a soukromých zemích USA (A) (1) byly částečně poháněny rostoucím vyprahnutím paliva, které je zde znázorněno na západě USA (4) (B). (C a D) Počet domů ve WUI také rychle vzrostl (C, naše výpočty; Příloha SI), což přispělo ke zvýšení nákladů na potlačení (D) vynaložených federální vládou. (E) Předepsaná oblast hoření se na jihu podstatně zvýšila, ale ve všech ostatních regionech je plochá (1). (F a G) Kouřové dny se v celých Spojených státech zvýšily (F), což možná podkopává dekadální zlepšení kvality ovzduší ve Spojených státech (G). (H) Vypočítáváme rostoucí podíl celkově ${P M}_{2.5}$ lze přičíst kouři požáru, zejména na Západě. Červené a modré čáry v každém grafu označují lineární přizpůsobení historickým datům se sklony uvedenými v levé horní části každého panelu; všechny jsou výrazně odlišné od nuly (P <0.01 pro každou), s výjimkou předepsaného spálení v oblastech mimo jih. Červené čáry označují podkladová data pocházející z publikovaných studií nebo vládních údajů a modré čáry označují nové odhady z tohoto článku.

Rostoucí obavy

Jaké jsou důsledky této změny požární aktivity pro celkovou kvalitu ovzduší a pro zdravotní výsledky a jak by měla reagovat politika? Velké zvýšení aktivity požárů bylo doprovázeno podstatným zvýšením počtu dní s kouřem ve vzduchu po celých Spojených státech (Obr. 1F), jak je odhadnuto ze satelitních dat (9). Takový nárůst byl pozorován v celých kontinentálních Spojených státech, nejen na Západě, a hrozí, že dojde ke zrušení podstatného zlepšení kvality ovzduší pozorovaného ve Spojených státech za poslední dvě desetiletí (Obr. 1G). Otisky lesního požáru jsou již viditelné ve vzestupných jarních a letních koncentracích organického uhlíku pozorovaných ve venkovských oblastech na jihu a západě USA (Příloha SI, Obr. S1) a studie zjistily, že kouření ve vzduchu může zvýšit morbiditu a mortalitu u exponovaných populací (10, 11).

Výzva pro populační centra

Výzvou v porozumění širšímu příspěvku změny aktivity požárů na kvalitu ovzduší je obtížné přesné propojení činnosti požáru s expozicí souvisejícím znečišťujícím látkám v často vzdálených populačních centrech (12). Satelitní měření expozice kouři jsou stále dostupnější a přitažlivá, protože sledování oblaku intuitivně spojuje oblasti zdroje a receptoru. Taková data však zatím nelze použít k přesnému měření hustoty kouře nebo k oddělení kouře na povrchu od kouře vyššího v atmosférickém sloupci, a proto je obtížné je spojit se stávajícími vztahy expozice a zdraví (13, 14). Chemické transportní modely (CTM), které mohou přímo modelovat pohyb a vývoj emisí požárů, nabízejí alternativní přístup k propojení místních koncentrací znečištění se specifickou aktivitou požáru. Generování přesných odhadů expozice z CTM však vyžaduje překonání několika hlavních nejistot v cestě mezi zdrojem a receptorem. Zaprvé se ukázalo, že velká nejistota v inventáři emisí požárů vede k mnohonásobným rozdílům v připisování požárů ${P M}_{2.5}$ (částice s průměrem <2.5 μm) koncentrace ve Spojených státech (a> 20 × regionální rozdíly v letech vysokého požáru), když se jako vstup do stejné CTM používají různé zásoby (15, 16) a integrace satelitních pozorování pouze mírně zlepšuje výkon (17). Zadruhé, podrobné podmínky obklopující emise, jako je výška injekcí emisí a velmi lokalizovaná meteorologie a jejich transport, nemusí být modely zachyceny a mohou dramaticky ovlivnit odhady následné expozice (18, 19). A konečně, reprezentace CTM atmosférické chemie nemusí přesně zachytit vývoj kouře při požáru (20 ⇓⇓⇓-24). Kromě nejistoty související s modelem znamenají výpočetní náklady na provoz CTM ve velkých prostorových a časových měřítcích, že modely jsou zřídka ověřovány na základě dlouhodobých řad měření koncentrace dostupných ze stovek pozemských stanic po celých Spojených státech.

Satelitní kouřové oblaky

Abychom dále porozuměli měnícímu se příspěvku lesního požáru na expozici částicím ve Spojených státech a ilustrovali klíčové zbývající vědecké a politické otázky na křižovatce lesního požáru, znečištění a podnebí, trénujeme a ověřujeme statistický model, který souvisí se změnami v odhadovaných satelitech expozice kouřových oblaků a aktivita ohně měřena na zemi ${P M}_{2.5}$ koncentrace v regionech ve Spojených státech (Příloha SI, Obr. S2). Náš model je speciálně vyškolen k předpovídání změn ${P M}_{2.5}$ v průběhu času na mnoha jednotlivých místech - variace, která se stále více využívá k pochopení toho, jak změny ve látkách znečišťujících ovzduší ovlivňují klíčové zdravotní výsledky. Náš přístup se nespoléhá na nejisté inventury emisí a zmírňuje potíže při modelování rozptýlení oblaku a výsledky lze snadno ověřit na základě více než desetiletí pozemních dat, na která nebyl model vyškolen. Odhady modelu jsou robustní a střídají alternativní způsoby začlenění dat ohně a oblaku (Příloha SI, Obr. S3 a tabulky S1 – S3) a výkonnost při předpovídání celkové změny ${P M}_{2.5}$ je na stejné úrovni jako srovnávací přístupy založené na dálkovém průzkumu Země (Příloha SI, Obr. S4) a překračuje uváděný výkon CTM (Příloha SI). Porovnáváme odhady z tohoto přístupu v omezené formě s jinými regionálně specifickými odhady koncentrací kouře v literatuře a zjišťujeme, že náš přístup poskytuje podobné odhady podílu celkových ${P M}_{2.5}$ z kouře jako nedávné studie zahrnující menší regiony nebo období (Příloha SI, Obr. S5).

PM2.5 od společnosti WIldfires Přispívá až do poloviny všech PM2.5 na západě

Naše výsledky ukazují, že příspěvek požárního kouře k PM_2.5 koncentrace v USA od poloviny 2000. století podstatně vzrostly a v posledních letech představovaly až polovinu celkového množství PM_2.5 expozice v západních oblastech ve srovnání s <20% před deseti lety (Obr. 1H). Zatímco se zvyšuje příspěvek kouře k PM_2.5 jsou soustředěny na západě USA, lze je vidět také v jiných regionech (Obr. 2 A a B), výsledkem dálkového transportu kouře z velkých požárů. Ve středozápadních a východních oblastech Spojených států se odhaduje, že rostoucí podíl kouře pochází z požárů v západních Spojených státech nebo ze zemí mimo USA (13) (Obr. 2 C a D), což odráží nedávné poznatky o podstatném přeshraničním pohybu celku ${P M}_{2.5}$ ve Spojených státech (25). Vzory expozice se vztahují také k debatám o environmentální spravedlnosti: Zjistili jsme, že zatímco kraje s vyšším podílem nehispánských bílých v populaci jsou méně vystaveni celkovému ${P M}_{2.5}$ , jak již dlouho uznává komunita spravedlnosti v oblasti životního prostředí, jsou ve skutečnosti více vystaveni průměrně okolnímu prostředí ${P M}_{2.5}$ z požárního kouře (Obr. 2 E a F). Jak jsou tyto rozdíly v okolním kouři založeny ${P M}_{2.5}$ expozice se promítne do skutečné expozice jednotlivce bude záviset na řadě jednotlivých faktorů, včetně rozdílů v čase stráveném venku a na charakteristikách vnitřního domácího a pracovního prostředí, z nichž mnohé mohou korelovat se socioekonomickými faktory. Například je známo, že infiltrace venkovních znečišťujících látek do domácností je v průměru vyšší u starších, menších domů a u domácností s nízkými příjmy (26) a tyto rozdíly by mohly vést k rozdílům v celkové individuální expozici, i když se expozice prostředí neliší.

Množství, zdroj a výskyt kouře při požáru. (A a B) Průměrné předpokládané mikrogramy na metr krychlový ${P M}_{2.5}$ lze přičíst kouři při požáru v letech 2006 až 2008 a 2016 až 2018, jak je vypočítáno ze statistického modelu, který odpovídá údajům o kouřových oblacích ze satelitu. (C) Podíl kouře pocházejícího ze Spojených států, červen až září 2007 až 2014 (počítáno z ref. 13), se značným množstvím kouře na severovýchodě a středozápadě pocházejícím z kanadských požárů a přibližně 60% kouře na severovýchodě pocházejícím ze země; na národní úrovni se odhaduje, že ∼ 11% kouře pochází z cizí země. (D) Podíl kouře pocházejícího ze západních Spojených států, červen až září 2007 až 2014. Kouř pocházející ze západních Spojených států tvoří 54% kouře zaznamenaného ve zbytku Spojených států. (E a F) Gradienty rasové expozice jsou opačné pro částice z kouře ve srovnání s celkovými částicemi: V celých Spojených státech mají kraje s vyšším podílem populace jiných než hispánských bílků nižší průměrnou expozici částicím, ale vyšší průměrnou expozici prostředí částice z kouře (P <0.01 pro oba vztahy).

Jaké jsou možnosti budoucí politiky?

Tyto trendy a vzorce zdůrazňují důležité body napětí mezi stávající regulací kvality ovzduší a rostoucí hrozbou kouře při požáru a vyvolávají důležité nezodpovězené výzkumné otázky, které budou rozhodující pro informování o volbě politiky. Současné přístupy k regulaci ve Spojených státech považují kvalitu ovzduší především za lokální problém, kde jsou okresy penalizovány, pokud koncentrace znečišťujících látek překročí stanovené krátkodobé nebo dlouhodobé prahové hodnoty. Současná regulace podle zákona o ovzduší také potenciálně osvobozuje kouř z požárů - ale ne kouř z předepsaných popálenin - od označení dosažení. Tyto přístupy se objevují v rozporu s přeshraniční povahou a rostoucím příspěvkem kouře při požáru ke kvalitě ovzduší.

Pro lepší vedení politiky bude prvním klíčovým vědeckým příspěvkem lepší kvantifikace expozice kouři a dohodnuté metody pro validaci těchto expozic. Statistické i transportní přístupy k hodnocení expozice mají své silné stránky a nedostatky a výkonnost obou by měla být hodnocena na základě metrik relevantních pro měření následných reakcí na zdraví. Zejména k izolaci expozice kouři od možných zmatků používá většina statistických přístupů v nedávných studiích dopadů na zdraví pro odhad účinků na zdraví kolísání expozice znečištění v průběhu času. To znamená, že kouřové modely používané k odhadu dopadů na zdraví by měly být hodnoceny z hlediska jejich schopnosti předpovídat časové změny ${P M}_{2.5}$ na příslušných místech, nejen v prostorových vzorech ${P M}_{2.5}$ úrovně; většina stávajících validačních snah se zaměřuje na druhé Aby se zabránilo přeplnění, musí se tato hodnocení provádět na pozemních datech, která se nepoužívají při tréninku modelu. Náš model ukazuje, jak relativně jednoduchý statistický přístup může přiměřeně přesně předpovědět odchylky v kouři ${P M}_{2.5}$ , ale takové přístupy - buď samostatně, nebo v kombinaci s CTM - lze pravděpodobně podstatně zlepšit. [I když je zde nepovažujeme, zvýšená aktivita požáru by mohla mít také významné negativní dopady na kvalitu vody prostřednictvím zvýšeného odtoku a následného suspendování částic, stopových kovů a chemikálií (27); lepší měření těchto expozic a jejich dopadů na zdraví je další klíčovou oblastí výzkumu.]

Druhou klíčovou vědeckou otázkou je povaha zdravotních reakcí na kouř při požáru. Rostoucí důkazy naznačují řadu negativních zdravotních následků spojených s expozicí kouři při požáru (10, 28), v souladu s rozsáhlou literaturou o širších zdravotních důsledcích znečištěného ovzduší. Nejnovější důkazy naznačují, že neexistuje „bezpečná“ úroveň expozice klíčovým znečišťujícím látkám, jako jsou ${P M}_{2.5}$ (29, 30), ale rozdíly ve tvaru reakce na znečištění a zdraví při nízké úrovni expozice mohou mít velké důsledky pro výhody snížení znečištění.

Pro ilustraci této citlivosti kombinujeme změny znečištění předpovězené z našeho statistického modelu se třemi nedávno publikovanými funkcemi reakce na úmrtnost (29, 31, 32) simulovat změny úmrtnosti starších dospělých předpovídané různými změnami v ${P M}_{2.5}$ expozice vyvolaná zmírněním kouře při požáru. Na základě stávajících odhadů, jak předepsané spalování snižuje následnou aktivitu požáru (33) (Příloha SI), hodnotíme stylizované scénáře, ve kterých použití předepsaného vypalování mění meziroční rozdělení a celkovou částku ${P M}_{2.5}$ z kouře. Odhady ročního počtu životů zachráněných mezi staršími dospělými pro danou změnu kouře se u publikovaných funkcí reakce liší faktorem 3, což znamená velké průměrné rozdíly ve výhodách zmírnění kouře (Obr. 3). Chybí také důkazy o tom, zda jsou určité populace náchylnější k expozici kouři (10, 28).

Zdravotní důsledky změn v expozici kouři závisí na předpokládané funkci reakce na dávce a na rozsahu změn kouře vyvolaných managementem nebo klimatem. (A) Distribuce ${P M}_{2.5}$ pro všechny roky grid-cell ve přilehlých Spojených státech v letech 2006 až 2018 podle několika stylizovaných strategií pro řízení požárů a scénářů změny klimatu (viz Příloha SI pro detaily). Výchozí rozdělení celkové předpokládané hodnoty ${P M}_{2.5}$ ze všech zdrojů je v černé barvě. Šedé distribuce ukazují alternativní scénáře, ve kterých načasování a / nebo množství celkového kouře souvisí ${P M}_{2.5}$ se mění zásahy managementu nebo se zvyšuje kvůli klimatu, včetně (hypotetické) úplné eliminace kouře ${P M}_{2.5}$ . (B a C) Roční počet zamezených předčasných úmrtí u populace USA ve věku nad 65 let pro každou strategii řízení, vypočítaný kombinací ${P M}_{2.5}$ distribuce v A s publikovaným dlouhodobým ${P M}_{2.5}$ funkce expozice-odezva zobrazené v C (29, 31, 32).

Strategie řízení požárů

Velké potenciální zdravotní přínosy zmírňování kouře také vyvolávají klíčové otázky týkající se strategií zvládání požárů. Například stávající důkazy neposkytují komplexní pochopení toho, jak daný předepsaný zásah hoření změní načasování, množství a prostorové rozložení kouře, a zjistili jsme, že alternativní odhady účinnosti předepsaného hoření při snižování následné velikosti požárů (33) může vést k více než dvojnásobným rozdílům v odhadovaných zdravotních přínosech předepsaných popálenin (Obr. 3). Podobně se současné snahy o potlačení požáru pochopitelně zaměřují na ochranu domů a staveb, ale celkový dopad silně znečišťujícího požáru, který neohrožuje stavby, na zdraví obyvatelstva může být mnohem horší než dopad menšího požáru, který ohrožuje stavby. Kromě toho jsou činnosti v oblasti řízení paliv zaměřeny na ochranu místní komunity a výhody ekosystémů a nezohledňují pravděpodobné následné dopady požáru na velkou populaci. Je zapotřebí další kvantitativní práce, která by pomohla orientovat se v těchto obtížných kompromisech.

Třetí klíčovou otázkou je, zda je zdrojem agnostik ${P M}_{2.5}$ -health-response funkce jsou vhodné pro odhad dopadů na zdraví specifických požárů. I když se běžně předpokládá, stávající literatura se mísí o tom, zda má expozice kouři z požáru jiné zdravotní dopady než expozice jiným zdrojům ${P M}_{2.5}$ (34), s některými důkazy, že rozdíly jsou specifické pro konkrétní výsledek (35). Vylepšená věda o tomto tématu - včetně nezbytných investic do specializovaného monitorování pro rozlišení znečišťujících látek specifických pro požáry - bude rozhodující pro pochopení dopadů požáru.

Za čtvrté, jak by mohla interakce změny klimatu a rizika požáru utvářet politické priority? Oteplovací klima je zodpovědné za zhruba polovinu nárůstu spálené oblasti ve Spojených státech (4) a budoucí změna klimatu by mohla vést k dalšímu zdvojnásobení emisí částic souvisejících s lesním požárem v oblastech náchylných k požáru (36) nebo mnohonásobný nárůst spálené oblasti (37, 38). Náklady z těchto zvýšení zahrnují jak následné ekonomické a zdravotní náklady na expozici kouři, tak náklady na potlačovací činnosti, přímé ztráty na životech a majetku a další adaptivní opatření (např. Vypnutí energie), která mají rozsáhlé ekonomické důsledky. V současné době není známo, zda účtování těchto nákladů souvisejících s požárem významně zvyšuje odhadované celkové ekonomické škody způsobené změnou klimatu.

Co to bude stát?

Abychom začali kvantifikovat možné náklady na zvýšení požáru vyvolané klimatem, použijeme náš statistický model a stylizované scénáře k výpočtu změny expozice kouři a výsledné úmrtnosti spojené s projektovaným zvýšením rizika požáru. Využití předpokládaného zvýšení budoucího kouře v zásadě odpovídá existující literatuře (36 ⇓-38), vypočítáme, že zvýšená úmrtnost na kouř způsobený změnou klimatu by se mohla přiblížit předpokládanému celkovému zvýšení úmrtnosti související s teplotou - sama o sobě je největším odhadovaným přispěvatelem k ekonomickým škodám ve Spojených státech (39) (Příloha SI). K upřesnění těchto odhadů jsou zapotřebí podrobnější studie, pokud jde o jejich velikost, geografickou specifičnost a konkrétní subpopulace, které by mohly být nejvíce ovlivněny. Klíčovou související politickou otázkou bude, zda a do jaké míry upravit současné výjimky ze zákona o čistém ovzduší udělované státům pro dopady znečištění kouřem při požáru, protože tyto eroze zisky z úsilí zaměřeného na snížení ${P M}_{2.5}$ z jiných zdrojů znečištění.

Jaké je spojení mezi požáry a infekcemi Covid-19?

A konečně, požáry silně interagovaly s pandemií COVID-19 způsoby, které vyžadují další studium. COVID-19 do jisté míry bránil schopnosti vlády a soukromého sektoru reagovat na rizika požárů před, během a po požárech. Rozsah sezóny požárů v roce 2020 v mnoha částech Západu, kde sucho v období dešťů 2019 až 2020 následovalo po akumulaci paliv během relativně mokré sezóny 2018 až 2019, představovalo obzvláště akutní výzvy. Výcvik hasičů v divočině byl zpožděn nebo někdy zrušen, odsouzené posádky hasičů nebyly k dispozici kvůli předčasnému propuštění ze státních věznic, aby se zabránilo propuknutí epidemie COVID, v zimě a na jaře nedošlo k mnoha léčebným postupům při správě paliv, veřejné služby čelily přinejmenším určitým zpožděním při snižování rizika požárů, a tradiční přístupy k evakuaci požárů se ukázaly být náročnějšími kvůli snížené kapacitě evakuačních center v důsledku požadavků na sociální distancování. V současné době není známo, ale je pravděpodobné, že historická sezóna požárů a následné dopady kouře také zhoršily zdravotní výsledky související s COVID, protože první důkazy naznačují, že expozice znečištění ovzduší zvyšuje jak případy COVID, tak úmrtí ve Spojených státech (40, 41) (nález v souladu se vztahem mezi znečištěním a jinými virovými respiračními chorobami) (42, 43). Lepší kauzální porozumění dopadu znečištění ovzduší na výsledky COVID, včetně požárů, je kriticky naléhavou prioritou výzkumu a vědci poskytli pokyny, jak lze nejlépe studovat vztahy znečištění ovzduší / COVID (44). Zjištění z tohoto výzkumu by mohla být důležitá pro vedení hasičského úsilí a strategií řízení paliv omezeného pracovními a finančními podmínkami, jak bude pokračovat pandemie.

Najdi více informace o změně klimatu.