Kees Floor, Meteorologica, maart 2011.

Satellietbeelden laten zien dat rook van natuurbranden terecht kan komen op plekken waar je hem niet zou verwachten. Zo zat er op 1 augustus 2010 niet alleen rook in de buurt van het aardoppervlak boven het gebied ten oosten van Moskou, waar al enige dagen hevige, uitslaande branden woedden, maar ook op veel grotere hoogte en op grote afstand van de vuurzeeën. Een eerder door de hitte van het vuur gevormde of geactiveerde pyrocumulonimbus (pyroCb) voerde de rook door de tropopauze heen tot net in de stratosfeer; de heersende luchtstromingen verzorgden het rooktransport vanaf de vuurhaarden naar het noorden van de West-Siberische laagvlakte.

In de zomer van 2010 woedden er in het westen van Rusland na een langdurige droogteperiode met extreem hoge temperaturen talrijke natuurbranden. Deze zetten honderdduizenden hectaren land en honderden woningen en gebouwen in vuur en vlam. Meer dan 50 mensen kwamen om, duizenden bewoners moesten hun huizen ontvluchten en miljoenen anderen leden dagen lang onder de verstikkende rook die met de branden samenhing. Ook raakte het vliegverkeer volledig ontregeld.

1. Natuurbranden ten oosten van Moskou gaan vergezeld van enkele grote rookpluimen. Moskou bevindt zich linksonder in het satellietbeeld. Datum: 29 juli 2010. Instrument: Meris. Satelliet: Envisat. Bron: ESA.	2. Kaart met locaties van branden in het getoonde gebied. Periode 30 juli tot en met 8 augustus 2010. Instrument: MODIS. Satellieten Terra en Aqua. Bron: NASA/Rapidfire 2010.

Satellietbeelden
De rook was goed te zien op de talrijke satellietbeelden in het zichtbaar licht, zoals figuren 1 en 9 [1]. Tegelijkertijd detecteerden infraroodsensoren van de satellietplatforms de grotere brandhaarden, althans voor zo ver die niet door dikke rook of bewolking werden afgeschermd (figuur 2) ([2,], [3] en [4]). Weer andere satellietproducten gaven een beeld van de verspreiding en de concentraties van rookdeeltjes (aerosolindex AAI, figuren 3abc en 12; zie voor AAI en andere afkortingen en acroniemen de Tabel) en van het bij onder andere de branden vrijgekomen stikstofdioxide (troposferisch NO2, figuur 4). Over het algemeen was er, zoals verwacht, een goede overeenkomst tussen de posities van de branden en de rook op de diverse satellietproducten: waar rook is, is vuur. Een uitzondering vormen echter de hoge waarden van de aerosolindex boven het noorden van het West-Siberisch laagland op 1 augustus 2010 volgens GOME-2 (figuur 3a) en OMI (figuur 3b) [5]. Op dezelfde positie gaf OMI ook hoge waarden van het troposferisch NO2 (figuur 3d). Het AAI-maximum van 1 augustus werkt zelfs nog door in het GOME-2 aerosolproduct over de periode 1-9 augustus 2010 (figuur 3c) [6]. Op het brandenkaartje van ongeveer dezelfde periode (30 juli tot en met 8 augustus, figuur 2) zien we in dat gebied merkwaardigerwijze slechts enkele branden, net als op het kaartje van de tien eraan voorafgaande dagen (niet afgebeeld). Waar komen al die rookdeeltjes daar op 1 augustus 2010 dan vandaan?

3a. Absorbing aerosolindex (AAI). Datum: 1 augustus 2010. Instrument: GOME-2. Satelliet: Metop-A. Bron: EUMETSAT/KNMI. (groter).	3b. Rookdeeltjes boven Noord-Rusland, zoals gemeten door het Nederlands-Finse OMI op de Amerikaanse satelliet Aura. . Bron: NASA/Earth Observatory.(groter).	3c. Absorbing aerosolindex (AAI). Periode: 1 - 9 augustus 2010. Instrument: GOME-2. Satelliet: Metop-A. Bron: EUMETSAT/KNMI. (groter).

Pyrocumulonimbus
De Amerikaanse meteoroloog Mike Fromm van het Naval Research Laboratory in Washington DC heeft hierop wel een antwoord. De rook boven het noorden van het West-Siberisch laagland op 1 augustus is volgens hem afkomstig van dezelfde natuurbranden die op de diverse satellietproducten van die dag en voorgaande dagen zichtbaar zijn in het gebied direct ten oosten van Moskou. Door de intense hitte van de daar optredende, snel uitslaande en heviger wordende branden kon zich een pyrocumulonimbus, een soort vuurgedreven onweerswolk, vormen. Deze pyroCb voerde de rook naar grote hoogte, tot net in de stratosfeer. Vervolgens brachten de heersende luchtstromingen de rook naar het noorden van de West-Siberische laagvlakte, waar op 1 augustus onder andere het rechter maximum van de AAI (figuur 3) en het troposferisch NO2 (niet afgebeeld) werd gemeten.

3d. Troposferisch NO2. Datum: 1 augustus 2010. Instrument: OMI. Satelliet:Aura. Bron: KNMI (groter).	4. Pyrocumulonimbus. Foto: Mike Fromm.	5. Satellietbeeld van een pyrocumulonimbus veroorzaakt door natuurbranden bij Chisholm, Alberta, Canada, 29 mei 2001. Instrument: AVHRR. Satelliet: NOAA-15. Bron: NOAA/COMET.

Rook in de stratosfeer
Tot zo'n tien jaar terug dacht men bij het uitwerken van satellietmetingen van aerosolen in de stratosfeer niet direct aan de rook van natuurbranden. De tropopauze werd beschouwd als een vrijwel onneembare barrière voor de rook. Daarom schreef men destijds het stratosferisch aerosol toe aan al dan niet gerapporteerde vulkaanuitbarstingen. Fromm onderzocht echter talrijke gevallen van hoge aerosolconcentraties in de stratosfeer en maakte in zijn werk aannemelijk dat door grote branden gegenereerde pyroCb's (figuur 4) rook in de stratosfeer kunnen brengen (Fromm et al., 2010). PyroCb's reiken net als 'gewone' cumulonimbi tot onder in de stratosfeer en kunnen vergezeld gaan van onweer, windvlagen, hagel en soms tornado's.
Een van de eerste goed gedocumenteerde gevallen van rook die door pyroconvectie in de stratosfeer was gebracht, dateert van 29 mei 2001 (Fromm and Servranckx, 2003). Tijdens een periode met natuurbranden bij Chisholm in Alberta, Canada, vormde zich een pyroCb, waarvan de rookhoudende ijskap onder andere in beeld werd gebracht door de NOAA-15 (figuur 5). De door de satelliet gedetecteerde hete plekken zijn in het zichtbaarlichtbeeld in rood ingetekend. Overigens is uit het beeld niet op te maken hoe hoog de rook van die branden kwam.
Met behulp van beelden en meetgegevens van MISR was daarover meer te zeggen. Het instrument bekijkt het aardoppervlak en de bewolking daarboven onder verschillende hoeken, zodat een stereoscopisch effect kan worden verkregen. Figuur 6 geeft net als het AVHRR-beeld van figuur 5 de situatie op 29 mei 2001. De vier stroken tonen steeds hetzelfde gebied van 380 bij 1137 kilometer. Linksonder zien we Lake Athabasca, dat deels in het uiterste noordwesten van Alberta ligt. De linker strook is een 'gewoon' satellietbeeld. Aardoppervlak en bewolking zijn recht van boven gescand. De strook daarnaast is in beeld gebracht onder een hoek van 60 graden. Op beide beelden bevindt de bruingetinte rook zich duidelijk boven de bewolking. Nog iets verder naar rechts zien we het standaard hoogteproduct van MISR, gebaseerd op kijkrichtingen recht naar beneden en van 26 graden vooruit en achteruit. Bij het speciale hoogteproduct geheel rechts werden beelden gebruikt van camera's die respectievelijk 46 en 60 graden vooruit waarnamen. Doordat de rook voor deze schuin-kijkende camera's dikker lijkt, worden betere resultaten verkregen en ondervindt men minder hinder van het onderliggende wolkendek. De rook in het zuiden bevindt zich op een hoogte van 3 tot 5 kilometer. Meer naar het noorden zit de rook op 12 tot 13 kilometer hoogte, dus hoger dan de tropopauze, die op 11 kilometer lag.

6. Satellietbeelden (links) en hoogtekaarten van bewolking en rook tijdens de natuurbranden bij Chisholm, Alberta, Canada, 29 mei 2001. Instrument: MISR. Satelliet: Terra. Bron: NASA/GSFC/LaRC/JPL, MISR Team.	7. Dwarsdoorsnede door de atmosfeer boven de Grote Oceaan. Op een ongebruikelijke hoogte van bijna 20 kilometer bevindt zich midden en rechts in het getoonde profiel rook afkomstig van de Black Saturday (7 februari 2009) bushfires in de Australische staat Victoria. Links in de dwarsdoorsnede is bewolking zichtbaar. Datum: 10 februari 2009. Instrument: CALIOP. Satelliet: CALIPSO. Bron: Chieko Kittaka, NASA/LaRC.	8. Verschil tussen de in juli 2010 opgetreden temperaturen en de normale temperaturen voor juli (periode 1971-2000). In het noorden van de West-Siberische laagvlakte lagen de temperaturen onder normaal. Bron: NOAA.

Meer gevallen
Inmiddels zijn er talrijke andere gevallen van pyroCb's gevonden en aan nader onderzoek onderworpen. Een berucht geval is de van een tornado vergezeld gaande pyroCb van Canberra van 18 januari 2003, die een ware ravage aanrichtte in de Australische hoofdstad (Fromm et al., 2006). Ook bij de grote bosbranden in het Yellowstone Park in 1988 bleek achteraf sprake van diverse pyroCb's (Fromm, 2009). Een recentere situatie waarin een pyroCb rook in de atmosfeer bracht, deed zich voor in de Australische staat Victoria tijdens de Black Saturday bushfires van februari 2009. De rook kwam destijds volgens lidarmetingen van CALIOP zelfs bijna 20 kilometer hoog. Deze metingen worden in figuur 7 gepresenteerd als dwarsdoorsnede door de atmosfeer. Op zo'n doorsnede is bewolking zichtbaar, maar ook aerosolen, zoals rookdeeltjes, vulkanische as, zand en stof. Men kan onderscheid maken tussen de verschillende soorten deeltjes doordat rookdeeltjes doorgaans kleiner zijn dan wolkenelementen en ook een andere vorm hebben dan waterdruppeltjes, ijskristallen of vulkanische as.

9. Pyrocumulonimbus boven Noord-Rusland, 1 augustus 2010. Instrument: MODIS. Satelliet: Terra. Bron: NASA/Earth Observatory.	10. Satellietbeeld met hoogte-informatie van de in figuur 9 getoonde pyrocumulonimbus boven Rusland, gebaseerd op data van de MISR op de Amerikaanse satelliet Terra. Bron: NASA/Earth Observatory.

Rusland 2010
Terug naar de recentere branden in Rusland van 2010. Fromm is ervan overtuigd dat deze ook pyroCb's genereerden. De situatie van 1 augustus bevat hiervoor naar zijn mening voldoende aanwijzingen, zoals hij in [5] uitvoeriger toelicht. Enerzijds vond hij hints in wolkenpatronen boven het noorden van het West-Siberisch laagland op MODIS-satellietbeelden in natuurlijke kleuren van 1 augustus (figuur 9. Temperatuurmetingen (MODIS-infrarood) en hoogtemetingen gebaseerd op MISR-data (figuur 10) gaven aan dat er zich bewolking bevond op 12 kilometer hoogte, een hoogte die je vooral in verband kunt brengen met cumulonimbi of, zoals in dit geval, pyroCb's. Genoemde instrumenten bevinden zich beide op de Terra-satelliet, die aan het eind van de ochtend over komt. Niet veel later op de dag trok de satelliet Aura met daarop onder andere OMI over het gebied, zodat gegevens beschikbaar kwamen als de AAI (figuur 3b) en het troposferisch NO2 (figuur 3d). Ook GOME-2 leverde informatie over de aanwezige aerosolen (zie figuren 3a en 12). Toevallig passeerde op diezelfde dag ook nog eens de met een lidar uitgeruste CALIPSO de Russische laagvlakte, zodat er een dwarsdoorsnede van het gebied beschikbaar kwam (figuur 13). Daarop is te zien dat er rookdeeltjes zweven in het onderste deel van de stratosfeer; die kunnen er volgens Fromm alleen gekomen zijn door pyroconvectie.
Blijft natuurlijk nog de vraag waarom die hoge bewolking en die rook boven het noorden van het West-Siberisch laagland zweven, waar bepaald niet het zwaartepunt van de branden zat en waar de temperaturen in juli 2010 zelfs gemiddeld beneden normaal lagen (zie figuur 8). Om die vraag te beantwoorden draaide Fromm een trajectoriënmodel (figuur 11). Daarbij bleek dat de lucht die op 1 augustus die regio passeerde, op 29 juli over het zwaartepunt was getrokken van de zich snel uitbreidende en op figuur 1 zichtbare bosbranden in Midden-Rusland. De pyroCb moet daar dus zijn ontstaan; de restanten ervan waren 1 augustus boven het noorden van het West-Siberisch laaglandterecht gekomen en de rook had op die positie de stratosfeer

11. Trajectoriën van de lucht van de pyrocumulonimbus van de figuren 9 en 10. De lucht bevond zich de dagen ervoor boven een gebied met snel uitslaande bosbranden in westelijk Rusland. Bron: NASA/Earth Observatory.	12. Als figuur 3a: Absorbing aerosolindex (AAI). Datum: 1 augustus 2010. Instrument: GOME-2. Satelliet: Metop-A. Bron: EUMETSAT/KNMI. (groter). Bekijk ook de animatie over de periode 29 juli tot en met 8 augustus.
13. Dwarsdoorsnede door de atmosfeer op de positie van de pyrocumulonimbus van de figuren 9 en 10, gebaseerd op data van de CALIOP op de Frans-Amerikaanse satelliet CALIPSO. Boven de hoge bewolking bevindt zich een laag met rook. Het satellietbeeld dat eerder werd getoond in figuur 9 is hier zodanig gedraaid dat de baan van de Calipso en dus lijn waarlangs de eronder getoonde dwarsdoorsnede is gemaakt, een horizontale lijn volgt. Bron: NASA/Earth Observatory.	TABEL: Overzicht van gebruikte afkortingen (kolom links) en acroniemen. Bij instrumenten op satellietplatforms is in de rechterkolom de naam van de satelliet en de betrokken ruimtevaartorganisatie vermeld.

Internetlinks
[1] Meer voorbeelden van satellietbeelden in natuurlijke kleuren zijn te vinden op internetpagina
Smoke in Western Russia.
[2] MODIS Rapid Response System Global Fire Maps
[3] FIRMS web fire mapper
[4] FAO Web fire mapper
[5] Russian Firestorm: Russian Firestorm: Finding a Fire Cloud from Space.
[6] KNMI: Satellietinstrument OMI volgt bosbranden in centraal Rusland.