Hva er den endrede risikoen og byrden for skogbrann i USA?

En ny studie publisert av Proceedings of the National Academy of Sciences i De forente stater (PNAS) forutsier en dyster fremtid for skogbranner og den resulterende giftige røyk. Her er sammendraget av deres nylig avsluttede studie:

Full forskningspublikasjon: https://www.pnas.org/content/118/2/e2011048118#F1

Økning i dødelige globale villbranner

Nylige dramatiske og dødelige økninger i global brannaktivitet har økt oppmerksomheten om årsakene til brann, deres konsekvenser, og hvordan risikoen fra brann kan reduseres. Her samler vi data om den skiftende risikoen og samfunnsbyrden ved brann i USA. Vi anslår at nesten 50 millioner hjem for øyeblikket befinner seg i villmark-urbane grensesnittet i USA, og et antall øker med 1 million hus hvert tredje år. For å illustrere hvordan endringer i brannaktivitet kan påvirke luftforurensning og relaterte helseresultater, og hvordan disse koblingene kan lede fremtidig vitenskap og politikk, utvikler vi en statistisk modell som relaterer satellittbaserte brann- og røykdata til informasjon fra forurensningsovervåkingsstasjoner.

Wildfires har stått for opptil 25% av PM2.5 Particulate Matter i USA

Ved bruk av modellen anslår vi at brann har utgjort opptil 25% av PM_2.5 (partikler med diameter <2.5 mikrometer) de siste årene over hele USA, og opptil halvparten i noen vestlige regioner, med romlige mønstre i omgivende røykeksponering som ikke følger tradisjonelle sosioøkonomiske forurensningseksponeringsgradienter. Vi kombinerer modellen med stiliserte scenarier for å vise at drivstoffhåndteringsintervensjoner kan ha store helsemessige fordeler, og at fremtidige helsepåvirkninger fra klimaendringsindusert brannrøyk kan nærme seg forventet generell økning i temperaturrelatert dødelighet fra klimaendringer - men at begge estimatene er usikker. Vi bruker modellresultater for å markere viktige områder for fremtidig forskning og for å trekke lærdom for politikk.

Burn Areas from Wildfires i USA er opptil 400% de siste fire tiårene

I løpet av de siste fire tiårene har det brente området fra skogbranner omtrent blitt firedoblet i USA (Fig. 1A) (1). Denne raske veksten har vært drevet av en rekke faktorer, inkludert opphopning av drivstoff på grunn av en arv fra branndemping i løpet av forrige århundre (2) og en nyere økning i tørrhet av drivstoff (Fig. 1B, vist for det vestlige USA), en trend som forventes å fortsette når klimaet blir varmere (3, 4). Disse økningene har skjedd parallelt med en betydelig økning i antall hus i villmark-bygrensesnittet (WUI). Ved å bruke data om universet til hjemsteder over hele USA og oppdaterte nasjonale landdekkekart, oppdaterer vi tidligere studier (5, 6) og anslår at det nå er 49 millioner boliger i WUI, et antall som har økt med omtrent 350,000 XNUMX hus per år de siste to tiårene (Fig. 1C og SI vedlegg). Ettersom brannslokkingsarbeidet fokuserer vesentlig på beskyttelse av private hjem (7) har disse faktorene bidratt til en jevn økning i utgiftene til undertrykkelse av brann fra den amerikanske regjeringen (Fig. 1D), som de siste årene har utgjort totalt 3 milliarder dollar / år i føderale utgifter (1). Totalt foreskrevet brenningsareal har økt i det sørøstlige USA, men har holdt seg stort sett flatt andre steder (Fig. 1E), noe som antyder for mange at det er underinvestering i denne risikoreduserende strategien, gitt den enorme totale veksten i brannrisiko (8).

Trender i sjåførene og konsekvenser av brann. (A og B) Øker i brent område i offentlige og private amerikanske landområder (A) (1) har blitt drevet delvis av økende drivstofftørhet, vist her over det vestlige USA (4) (B). (C og D) Antall hjem i WUI har også steget raskt (C, våre beregninger; SI vedlegg), som har bidratt til økende undertrykkelseskostnader (D) pådratt den føderale regjeringen. (E) Foreskrevet forbrenningsområde har økt betydelig i Sør, men er flatt i alle andre regioner (1). (F og G) Røykedagene har økt i hele USA (F), noe som kanskje undergraver dekadale forbedringer i luftkvaliteten over hele USA (G). (H) Vi beregner en økende andel av total ${P M}_{2.5}$ tilskrives brannrøyk, særlig i Vesten. Røde og blå linjer i hvert plott indikerer lineære tilpasninger til de historiske dataene, med skråninger rapportert øverst til venstre på hvert panel; alle er signifikant forskjellige fra null (P <0.01 for hver), bortsett fra foreskrevet forbrenning i regioner utenfor Sør. Røde linjer angir at underliggende data er fra publiserte studier eller myndighetsdata, og blå linjer indikerer nye estimater fra denne artikkelen.

Voksende bekymringer

Hva er konsekvensene av denne endringen i brannaktivitet for den generelle luftkvaliteten og for helseresultatene, og hvordan skal politikken reagere? Store økninger i brannaktivitet har blitt ledsaget av betydelig økning i antall dager med røyk i luften over hele USA (Fig. 1F), som estimert fra satellittdata (9). Slike økninger har blitt observert over hele det kontinentale USA, ikke bare i Vesten, og truer med å angre de betydelige forbedringene i luftkvaliteten som er observert over hele USA de siste to tiårene (Fig. 1G). Fingeravtrykkene fra brannmark er allerede synlige i organiske karbonkonsentrasjoner om våren og om sommeren som er observert i landlige områder i USA sør og vest (SI vedleggFig. S1), henholdsvis, og studier viser at å ha røyk i luften kan øke sykelighet og dødelighet blant eksponerte populasjoner (10, 11).

En utfordring for befolkningssentre

En utfordring med å forstå det bredere bidraget med å endre brannaktivitet til luftkvaliteten er vanskeligheten med å knytte brannaktivitet nøyaktig til relaterte forurensningseksponeringer i ofte fjerne befolkningssentre (12). Satellittbaserte tiltak for røykeksponering er stadig mer tilgjengelige og er tiltalende fordi fjærovervåking intuitivt forbinder kilde- og reseptorregioner. Slike data kan imidlertid ennå ikke brukes til å måle røykdensiteten nøyaktig eller å skille røyk på overflatenivå fra røyk høyere i den atmosfæriske kolonnen, og det er derfor vanskelig å knytte dem til eksisterende forhold mellom eksponering og helse (13, 14). Kjemiske transportmodeller (CTM), som direkte kan modellere bevegelse og utvikling av utslipp av brann, tilbyr en alternativ tilnærming for å knytte lokale forurensningskonsentrasjoner til spesifikk brannaktivitet. Generering av nøyaktige eksponeringsestimater fra CTM krever imidlertid å overvinne flere store usikkerheter i veien mellom kilde og reseptor. For det første har det blitt vist at store usikkerheter i utslippsbeholdninger fører til mange ganger forskjeller i branntilskrevet ${P M}_{2.5}$ (partikler med diameter <2.5 mikrometer) konsentrasjoner over hele USA (og> 20 × regionale forskjeller i høybrannår) når forskjellige lager brukes som inngang til samme CTM (15, 16), og integrering av satellittobservasjoner forbedrer bare ytelsen (17). For det andre kan det hende at de detaljerte forholdene rundt utslipp som høyden på utslippsinjeksjoner og svært lokalisert meteorologi og deres transport kanskje ikke fanges opp av modeller og kan dramatisk påvirke nedstrøms eksponeringsestimater18, 19). Til slutt kan CTM-representasjoner av atmosfærisk kjemi ikke nøyaktig fange utviklingen av brannrøyk (20 â ‡ "â ‡ "â ‡ "-24). I tillegg til modellrelatert usikkerhet, betyr beregningskostnadene ved å kjøre CTM over store romlige og tidsmessige skalaer at modeller sjelden blir validert mot den lange tidsserien av konsentrasjonsmålinger tilgjengelig fra hundrevis av bakkestasjoner over hele USA.

Bilder fra satellittrøykfluume

For å ytterligere forstå det endrede bidraget fra brann til partikkeleksponering over hele USA og for å illustrere viktige gjenværende vitenskapelige og politiske spørsmål i skjæringspunktet mellom brann, forurensning og klima, trener vi og validerer en statistisk modell som relaterer endringer i satellitt-estimert røyk plumeeksponering og brannaktivitet til jordmålt ${P M}_{2.5}$ konsentrasjoner på tvers av regioner i USA (SI vedleggFig. S2). Modellen vår er spesielt trent i å forutsi variasjon i ${P M}_{2.5}$ over tid på mange enkeltsteder - variasjon som i økende grad utnyttes for å forstå hvordan endringer i luftforurensende stoffer påvirker viktige helseresultater. Vår tilnærming er ikke avhengig av usikre utslippslager og lindrer vanskeligheter med å modellere spredning av fjær, og resultatene kan lett valideres mot mer enn et tiår med grunndata som modellen ikke ble trent på. Modellestimater er robuste for alternative måter å inkorporere brann- og fjærdata på (SI vedlegg, Fig. S3 og tabellene S1 – S3) og ytelse i å forutsi variasjon i total ${P M}_{2.5}$ er på nivå med referansetilnærming til fjernmåling-baserte tilnærminger (SI vedleggFig. S4) og overstiger rapportert ytelse for CTM (SI vedlegg). Vi sammenligner estimater fra denne tilnærmingen med redusert form med andre områdespesifikke estimater av røykkonsentrasjoner i litteraturen, og finner at vår tilnærming gir lignende estimater av andelen av total ${P M}_{2.5}$ fra røyk som nylige studier som dekker mindre regioner eller perioder (SI vedleggFig. S5).

PM2.5 Fra WIldfires som bidrar med opptil halvparten av all PM2.5 i Vesten

Resultatene våre viser at bidraget fra brannrøyk til PM_2.5 konsentrasjonene i USA har vokst betydelig siden midten av 2000-tallet, og har de siste årene utgjort opptil halvparten av den samlede PM_2.5 eksponering i vestlige regioner sammenlignet med <20% for et tiår siden (Fig. 1H). Mens økning i bidrag av røyk til PM_2.5 er konsentrert i det vestlige USA, de kan også sees i andre regioner (Fig. 2 A og B), et resultat av langtransport av røyk fra store branner. I Midt-vestlige og østlige regioner i USA anslås det faktisk at en økende andel røyk stammer fra branner i det vestlige USA eller utenfor USA (13) (Fig. 2 C og D), som gjenspeiler nylige funn om den vesentlige grenseoverskridende bevegelsen ${P M}_{2.5}$ i USA (25). Eksponeringsmønstre er også relevante for miljødebatter: Vi finner at mens fylker med høyere andel ikke-spanske hvite i befolkningen er mindre utsatt for total ${P M}_{2.5}$ , som lenge har vært anerkjent i miljørettferdighetssamfunnet, er de i gjennomsnitt mer utsatt for omgivelser ${P M}_{2.5}$ fra brannrøyk (Fig. 2 E og F). Hvordan disse forskjellene i omgivelsesrøykbasert ${P M}_{2.5}$ eksponering oversatt til faktiske individuelle eksponeringer vil avhenge av en rekke individuelle faktorer, inkludert forskjeller i tid brukt utendørs og i egenskapene til innendørs hjemme- og arbeidsmiljøer, hvorav mange kan korrelere med sosioøkonomiske faktorer. For eksempel er infiltrasjon av utendørs forurensende stoffer i hjemmene kjent for å være høyere i gjennomsnitt for eldre, mindre hjem og for husholdninger med lavere inntekt (26), og disse forskjellene kan føre til ulikheter i den samlede individuelle eksponeringen selv om eksponering av omgivelsene ikke er forskjellige.

Mengden, kilden og forekomsten av brannrøyk. (A og B) Gjennomsnittlig antatt mikrogram per kubikkmeter på ${P M}_{2.5}$ som kan tilskrives brannrøyk i 2006 til 2008 og 2016 til 2018, beregnet fra en statistisk modell som passer til satellittavledede røykdampdata. (C) Andel røyk med opprinnelse utenfor USA, juni til september 2007 til 2014 (beregnet fra ref. 13), med en betydelig mengde røyk i Nordøst og Midtvesten som stammer fra kanadiske branner og om lag 60% av røyk i Nordøst som stammer fra landet; nasjonalt antas ~ 11% av røyk å stamme utenfor landet. (D) Andelen røyk med opprinnelse i det vestlige USA, juni til september 2007 til 2014. Røyk med opprinnelse i det vestlige USA utgjør 54% av røyken som oppleves i resten av USA. (E og F) Raseeksponeringsgradienter er motsatt for partikler fra røyk sammenlignet med total partikler: Over hele det coterminøse USA har fylker med en høyere befolkningsandel av ikke-spanske hvite lavere gjennomsnittlig partikkeleksponering, men høyere gjennomsnittlig omgivelseseksponering for partikler fra røyk (P <0.01 for begge forhold).

Hva er de fremtidige policyalternativene?

Disse trendene og mønstrene fremhever viktige spenningspunkter mellom eksisterende regulering av luftkvaliteten og den økende trusselen fra brannrøyk og reiser viktige ubesvarte forskningsspørsmål som vil være avgjørende for å informere politikkvalg. Nåværende tilnærminger til regulering i USA behandler luftkvaliteten først og fremst som et lokalt problem, hvor fylker straffes hvis konsentrasjonene av forurensende stoffer overstiger angitte kort- eller langvarige terskler. Gjeldende regulering etter ren luftloven fritar også potensielt brannrøyk - men ikke røyk fra foreskrevne forbrenninger - fra oppnåelsesbetegnelse. Disse tilnærmingene er i strid med den grenseoverskridende naturen og det økende bidraget fra brannrøyk til luftkvaliteten.

For å bedre retningslinjene, vil et første vitenskapelig bidrag være en bedre kvantifisering av røykeksponering og avtalte metoder for å validere disse eksponeringene. Både statistiske og transportbaserte tilnærminger til eksponeringsvurdering har sine styrker og mangler, og ytelsen til begge deler bør evalueres basert på beregninger som er relevante for måling av nedstrøms helseresponser. Spesielt, for å isolere røykeksponering fra potensielle forstyrrelser, bruker de fleste statistiske tilnærminger i nyere helseeffektstudier variasjon over tid i forurensningseksponering for å estimere helseeffekter. Dette innebærer at røykmodeller som brukes til å estimere helseeffekter, bør vurderes i deres evne til å forutsi tidsmessig variasjon i ${P M}_{2.5}$ på relevante steder, ikke bare romlige mønstre i ${P M}_{2.5}$ nivåer; mest eksisterende valideringsarbeid fokuserer på sistnevnte. For å beskytte mot overmontering, må disse evalueringene gjøres på grunndata som ikke brukes i modellopplæring. Modellen vår viser hvordan en relativt enkel statistisk tilnærming rimelig kan forutsi variasjon i røykbasert ${P M}_{2.5}$ , men slike tilnærminger - enten alene eller i kombinasjon med CTM-er - kan sannsynligvis forbedres vesentlig. [Selv om vi ikke betrakter dem her, kan forbedret brannaktivitet også ha meningsfylt negativ innvirkning på vannkvaliteten gjennom økt avrenning og påfølgende suspensjon av partikler, spormetaller og kjemikalier (27); bedre måling av disse eksponeringene og deres helseeffekter er et annet viktig område for forskning.]

Et annet viktig vitenskapelig spørsmål er arten av helsemessige reaksjoner på brannrøyk. Voksende bevis indikerer en rekke negative helsekonsekvenser forbundet med eksponering for brannrøyk (10, 28), i samsvar med en omfattende litteratur om de bredere helsekonsekvensene av forurenset luft. De nyeste bevisene antyder at det ikke er noe "trygt" nivå av eksponering for viktige forurensende stoffer som f.eks ${P M}_{2.5}$ (29, 30), men forskjeller i form av funksjonen forurensning – helserespons ved lave nivåer av eksponering kan ha store implikasjoner for fordelene med forurensningsreduksjon.

For å illustrere denne følsomheten kombinerer vi forurensningsendringer som er forutsagt fra vår statistiske modell med tre nylig publiserte dødelighetsresponsfunksjoner (29, 31, 32) for å simulere endringer i dødeligheten hos eldre voksne som er spådd av forskjellige endringer i ${P M}_{2.5}$ eksponering indusert ved å redusere brannrøyk. Veiledet av eksisterende estimater av hvordan foreskrevet brenning reduserer påfølgende brannaktivitet (33) (SI vedlegg), vurderer vi stiliserte scenarier der bruken av foreskrevet brenning endrer den årlige fordelingen og den totale mengden av ${P M}_{2.5}$ fra røyk. Estimater av det årlige antall liv som er reddet blant eldre voksne for en gitt røykendring, varierer med en faktor 3 på tvers av publiserte responsfunksjoner, noe som innebærer store gjennomsnittlige forskjeller i fordelene med røykreduksjon (Fig. 3). Bevis på om visse populasjoner er mer utsatt for røykeksponering mangler også (10, 28).

Helsekonsekvenser av endringer i røykeksponering avhenger av antatt dose-respons-funksjon og størrelsen på ledelses- eller klimadrevne endringer i røyk. (A) Fordeling av ${P M}_{2.5}$ for alle nettcelleårene i det sammenhengende USA, 2006 til 2018, under flere stiliserte brannhåndteringsstrategier og klimaendringsscenarier (se SI vedlegg for detaljer). Baselinjefordelingen av totalt estimert ${P M}_{2.5}$ fra alle kilder er i svart. Grå distribusjoner viser alternative scenarier der timingen og / eller mengden av total røykrelatert ${P M}_{2.5}$ endres gjennom ledelsesintervensjoner eller økes på grunn av klima, inkludert (hypotetisk) full eliminering av røyk ${P M}_{2.5}$ . (B og C) Årlig antall unngått for tidlige dødsfall i den amerikanske befolkningen 65+ år for hver ledelsesstrategi, beregnet ved å kombinere ${P M}_{2.5}$ distribusjoner i A med publisert langsiktig ${P M}_{2.5}$ eksponeringsresponsfunksjoner avbildet i C (29, 31, 32).

Strategier for håndtering av skogbrann

De store potensielle helsemessige fordelene av røykdemping reiser også viktige spørsmål om håndteringsstrategier for brann. Eksisterende bevis gir for eksempel ikke en omfattende forståelse av hvordan en gitt foreskrevet brennende intervensjon vil endre tidspunktet, mengden og den romlige fordelingen av røyk, og vi finner at alternative estimater av effekten av foreskrevet brenning for å redusere den påfølgende størrelsen på brann. (33) kan føre til mer enn doble forskjeller i estimerte helsemessige fordeler ved foreskrevne forbrenninger (Fig. 3). Tilsvarende fokuserer nåværende brannbekjempelsesforståelse forståelig på å beskytte hjem og strukturer, men den generelle helsepåvirkningen til befolkningen av et sterkt forurensende brann som ikke truer strukturer kan være mye verre enn for en mindre brann som truer strukturer. I tillegg er drivstoffadministrasjonsaktiviteter rettet mot lokalsamfunnsbeskyttelse og fordeler med økosystemet, og vurderer ikke sannsynlig nedstrøms innvirkning av brann på store befolkninger. Ytterligere kvantitativt arbeid er nødvendig for å hjelpe deg med å navigere i disse vanskelige kompromissene.

Et tredje nøkkelspørsmål er om kilde-agnostiker ${P M}_{2.5}$ -helse-responsfunksjoner er passende for å estimere helseeffekter på brannrøyk. Selv om det ofte er en hypotese, blandes eksisterende litteratur om eksponering for brannrøyk har andre helseeffekter enn eksponering for andre kilder til ${P M}_{2.5}$ (34), med noen bevis for at forskjeller er resultatspesifikke (35). Forbedret vitenskap om dette emnet - inkludert nødvendige investeringer i spesifisert overvåking for å skille ut bålspesifikke forurensninger - vil være avgjørende for å forstå virkningene på brann.

For det fjerde, hvordan kan samspillet mellom klimaendringer og ild i fare forme politiske prioriteringer? Et oppvarmingsklima er ansvarlig for omtrent halvparten av økningen i brent område i USA (4), og fremtidige klimaendringer kan føre til en ytterligere dobling av brannrelaterte partikkelutslipp i brannutsatte områder (36) eller en økning i brent område mange ganger (37, 38). Kostnadene fra disse økningene inkluderer både nedstrøms økonomiske og helsekostnader ved røykeksponering, samt kostnadene for undertrykkelsesaktiviteter, direkte tap av liv og eiendom, og andre tilpasningsdyktige tiltak (f.eks. Strømavstengninger) som har omfattende økonomiske konsekvenser. Det er foreløpig ukjent om regnskapsføring av disse utslippsrelaterte kostnadene øker de estimerte økonomiske skader som følge av klimaendringene.

Hva vil dette koste?

For å begynne å kvantifisere de mulige kostnadene ved økning av brann i klimaet, bruker vi vår statistiske modell og stiliserte scenarier for å beregne endringen i røykeksponering og resulterende dødelighet assosiert med forventet økning i brannrisiko. Bruk av forventede økninger i fremtidig røyk er stort sett i samsvar med eksisterende litteratur (36 â ‡ "-38), beregner vi at økt dødelighet på grunn av klimaendringsindusert brannrøyk kunne nærme seg forventet samlet økning i temperaturrelatert dødelighet - i seg selv den største estimerte bidragsyteren til økonomiske skader i USA (39) (SI vedlegg). Det er behov for mer detaljerte studier for å avgrense disse estimatene når det gjelder størrelsen, den geografiske spesifisiteten og de spesielle delpopulasjonene som kan være mest berørt. Et sentralt politisk spørsmål vil være om og i hvilken grad man skal endre gjeldende unntak fra Clean Air Act gitt til stater for forurensningspåvirkning fra brannrøyk, ettersom disse eroderer gevinster fra innsats for å redusere ${P M}_{2.5}$ fra andre forurensningskilder.

Hva er sammenhengen mellom skogbranner og Covid-19-infeksjoner?

Endelig har skogbranner sterkt samhandlet med COVID-19-pandemien på måter som krever ytterligere studier. COVID-19 har til en viss grad hindret myndigheters og private sektores evne til å svare på brannrisiko, før, mens og etter brann. Omfanget av 2020-bålsesongen i mange deler av Vesten, hvor tørke i regntiden 2019 til 2020 fulgte en opphopning av drivstoff i en relativt våt 2018 til 2019-sesong, har gitt særlig akutte utfordringer. Wildland-brannmannstrening ble forsinket eller av og til kansellert, dømte brannmannskap var utilgjengelige på grunn av tidlig løslatelse fra statlige fengsler for å unngå COVID-utbrudd, mange behandlinger for drivstoffadministrasjon skjedde ikke om vinteren og våren, verktøy møtte i det minste noen forsinkelser i brannrisiko-reduksjonsaktiviteter, og tradisjonelle tilnærminger til brannevakuering har vist seg å være mer utfordrende på grunn av redusert kapasitet ved evakueringssentre som følge av sosiale distansekrav. Det er foreløpig ukjent, men sannsynlig at den historiske brannsesongen og påfølgende røykpåvirkning også har forverret COVID-relaterte helseresultater, da tidlige bevis tyder på at eksponering for luftforurensning øker både COVID-tilfeller og dødsfall i USA (40, 41) (et funn i samsvar med forholdet mellom forurensning og annen viral luftveissykdom) (42, 43). En bedre årsaksforståelse av innvirkningen av luftforurensning på COVID-utfallet, inkludert fra brann, er en kritisk presserende forskningsprioritet, og forskere har gitt retningslinjer for hvordan luftforurensning / COVID-forhold kan best studeres (44). Funn fra denne forskningen kan være viktige for å veilede arbeids- og finansbegrenset brannslokkingsinnsats og drivstoffstyringsstrategier når pandemien fortsetter.

Finn mer informasjon om klimaendringer.