O Wildfire Digital Twin da NASA é pioneiro em novos modelos de IA e técnicas de streaming de dados para previsão de incêndio e fumaça
Uma simulação de incêndio florestal que descreve a propagação de aerossóis PM 2,5 durante uma queima controlada recente, gerada usando o modelo WRF-SFIRE. “Wildfire Digital Twin” se baseará neste e em outros modelos para simular queimaduras ativas com resolução sem precedentes. Crédito:Kathleen Clough/Universidade Estadual de San Jose O projeto "Wildfire Digital Twin" da NASA equipará os bombeiros e gestores de incêndios florestais com uma ferramenta superior para monitorar incêndios florestais e prever eventos nocivos de poluição do ar e ajudará os pesquisadores a observar as tendências globais de incêndios florestais com mais precisão.
A ferramenta usará inteligência artificial e aprendizado de máquina para prever possíveis caminhos de queima em tempo real, mesclando dados de sensores in situ, aéreos e espaciais para produzir modelos globais com alta precisão.
Enquanto os modelos globais atuais que descrevem a propagação de incêndios florestais e fumaça têm uma resolução espacial de cerca de 10 quilômetros por pixel, o Wildfire Digital Twin produziria modelos de conjuntos regionais com uma resolução espacial de 10 a 30 metros por pixel, uma melhoria de duas ordens de magnitude .
Esses modelos podem ser gerados em poucos minutos. Em comparação, os modelos globais atuais podem levar horas para serem produzidos.
Modelos com resolução espacial tão alta produzidos a esta velocidade seriam imensamente valiosos para socorristas e gestores de incêndios florestais que tentam observar e conter queimaduras dinâmicas.
Milton Halem, professor de Ciência da Computação e Engenharia Elétrica na Universidade de Maryland, no condado de Baltimore, lidera o projeto Wildfire Digital Twin, que inclui uma equipe de mais de 20 pesquisadores de seis universidades.
"Queremos ser capazes de fornecer aos bombeiros informações úteis e oportunas", disse Halem, acrescentando que no terreno "geralmente não há Internet nem acesso a grandes supercomputadores, mas com a nossa versão API do modelo, eles poderiam executar o gêmeo digital não apenas em um laptop, mas até mesmo em um tablet", disse ele.
O projeto FireSense da NASA está focado em aproveitar as capacidades científicas e tecnológicas exclusivas da agência para alcançar uma melhor gestão de incêndios florestais nos Estados Unidos.
O Escritório de Tecnologia de Ciências da Terra da NASA apoia esse esforço com seu mais novo elemento do programa, Desenvolvimento de Tecnologia para apoio à Ciência, Gerenciamento e Mitigação de Desastres de Incêndios Florestais (Tecnologia FireSense), que se dedica ao desenvolvimento de novas capacidades de observação para prever e gerenciar incêndios florestais - incluindo tecnologias como a Terra Gêmeos Digitais do Sistema.
Os Gêmeos Digitais do Sistema Terrestre são ferramentas de software dinâmicas para modelagem e previsão de eventos climáticos em tempo real. Essas ferramentas dependem de fontes de dados distribuídas em vários domínios para criar previsões conjuntas que descrevem tudo, desde inundações até condições climáticas severas.
Além de ajudar os socorristas, um Gêmeo Digital do Sistema Terrestre dedicado à modelagem de incêndios florestais também seria valioso para os cientistas que monitoram as tendências dos incêndios florestais em todo o mundo. Em particular, Halem espera que o Wildfire Digital Twins melhore a nossa capacidade de estudar incêndios florestais em florestas boreais globais de coníferas resistentes ao frio, que sequestram grandes quantidades de carbono.
Quando essas florestas queimam, todo esse carbono é liberado de volta na atmosfera. Um estudo, divulgado em agosto de 2023, descobriu que os incêndios florestais boreais sozinhos representaram 25% de todo o CO2 global. emissões daquele ano até o momento.
"A razão pela qual o CO2 As emissões dos incêndios florestais boreais estão ocorrendo a uma taxa anual crescente porque o aquecimento global está aumentando mais rapidamente em latitudes elevadas do que no resto do planeta e, como resultado, os verões boreais estão se tornando mais longos", disse Halem. "Enquanto o resto do planeta está se tornando mais longo", disse Halem. o planeta pode ter aquecido um grau Celsius desde a revolução pré-industrial, esta região aqueceu bem mais de dois graus."
O trabalho de Halem baseia-se em outros modelos de incêndios florestais, particularmente o modelo Unified Weather Research and Forecasting (NUWRF) da NASA, desenvolvido pela NASA, e o WRF-SFIRE, desenvolvido por uma equipe de pesquisadores com o apoio da National Science Foundation. Esses modelos simulam fenômenos como velocidade do vento e cobertura de nuvens, o que os torna a base perfeita para um Wildfire Digital Twin.
Especificamente, a equipe de Halem está trabalhando em novas técnicas de assimilação de dados de satélite que combinarão informações de sensores remotos baseados no espaço em seu Wildfire Digital Twin, permitindo melhores previsões de dados globais que serão úteis tanto para emergências quanto para missões científicas.
Em outubro, a equipe de Halem participou da primeira campanha de campo FireSense em colaboração com o Experimento de Avaliação de Modelos de Fogo e Fumaça (FASMEE) do Serviço Florestal Nacional para observar a fumaça enquanto ela viajava mais de 16 quilômetros durante uma queima controlada em Utah, usando um ceilômetro. Agora a equipe está alimentando esses dados em seu software de modelagem para ajudá-lo a rastrear as plumas com mais precisão.
Eles estão especialmente interessados em rastrear partículas menores que 2,5 micrômetros, que são pequenas o suficiente para passar pelos pulmões de uma pessoa e entrar na corrente sanguínea. Essas partículas, também conhecidas como PM 2,5, podem causar sérios problemas de saúde, mesmo que a pessoa não esteja nem perto de uma queimadura ativa.
“Quando estes incêndios se acendem e começam a arder, produzem fumo, e este fumo percorre distâncias consideráveis. Afecta as pessoas não só localmente, mas também a distâncias de milhares de quilómetros ou mais”, disse Halem.
Os dados da queima controlada também ajudarão Halem e sua equipe a quantificar a relação entre aerossóis e precipitação. O aumento de aerossóis provenientes de incêndios florestais tem um enorme impacto na formação de nuvens, o que, por sua vez, afeta a forma como a precipitação ocorre a jusante de uma queimadura afetada.
Assimilar todas essas informações à medida que são transmitidas pelos sensores em tempo real é essencial para detalhar o impacto total dos incêndios florestais em escala local, regional e global.
