Природа лесных пожаров

5. Природа лесных пожаров Сложность природы лесных пожаров усугубляется сложностью объекта горения – леса, т.е. биогеоценоза с присущим ему многообразием компонентов и сложностью их взаимосвязей, многообразием видов горючих материалов, их состоянием, пространственным размещением, изменением во времени и т.д. Знание природы лесных пожаров – непременное условие успешной борьбы с ними. Нельзя рассматривать методы борьбы с пожарами, её тактику и стратегию вне связи с природой пожаров. Успех борьбы зависит от класса пожарной опасности по природным и метеорологическим условиям, особенностей самого пожара, прогноза его поведения в разных по характеру насаждениях, в разное время года и суток и т.д. 5.1. Элементы лесных пожаров Лесной пожар – стихийное, неуправляемое распространение огня по территории государственного лесного фонда. Неуправляемость огня при лесном пожаре отличает его от управляемых форм использования огня в лесном хозяйстве. Пожары считаются лесными независимо от того, покрыта территория лесного фонда лесом или не покрыта (несомкнувшиеся хвойные молодняки, захламлённые вырубки, лесные болота и т.д.). При организации тушения пожаров и в непосредственной борьбе с огнём необходим единый подход к названиям отдельных элементов пожара. Это обеспечит чёткость в действиях и взаимопонимание участников тушения. Условия развития пожаров (ветер, наличие и характер горючих материалов и др.) определяют их форму. Округлая форма наблюдается при относительно равномерном движении огня в безветренную погоду по равнинной местности и наличии однородных горючих материалов. Грушевидная форма характерна для тех же природных условий, но в ветреную погоду (рис. 5.1). Рис. 5.1. Элементы лесного пожара: фронт, фланги, тыл; V – вектор ветра над лесом; Vп – вектор ветра под пологом леса; Vф – вектор движения фронта пожара Извилистая, неправильная форма наблюдается в ветреную погоду на пересечённой местности, при наличии разнородных горючих материалов или их локальном отсутствии. Лесные пожары происходят как в безветренную, так и в ветреную погоду. В последнем случае наблюдается больший или меньший наклон пламени. Поэтому интенсивность горения при низовых и верховых пожарах характеризуется как высотой, так и длиной пламени. 5.2. Классификация лесных пожаров Классификация лесных пожаров может быть различной в зависимости от задач, которые необходимо решать. Так, классификация, которая применяется в непосредственной борьбе с огнём, отличается от классификации, на которой основана профилактика пожаров или ликвидация их последствий. Классификация лесных пожаров по воздействию огня на отдельные части насаждения. Огонь может воздействовать только на нижнюю часть стволов деревьев и нижние ярусы насаждения, или на весь древостой, включая кроны деревьев, или только на корни. В связи с этим выделяют: 1) низовые пожары – горят сухой опад и подстилка, сухая трава, живой напочвенный покров (кустарнички, лишайники, зелёные мхи), хвойный подрост, хвойный подлесок (рис. 5.2). Рис. 5.2. Низовой пожар Рис. 5.3. Верховой пожар в хвойном молодняке Огонь опаляет нижние части стволов деревьев. Длина пламени достигает 2-3 м и более. Дым низового пожара, как правило, имеет серый или беловатый цвет; 2) верховые пожары – огнём охвачены все ярусы леса, включая кроны деревьев (рис. 5.3). Иногда интенсивно горят и древесные стволы. Цвет дыма более тёмный по сравнению с низовым пожаром; 3) подземные пожары (торфяные или почвенные) – беспламенное горение (тление) распространяется в слое органического почвенного вещества; повреждаются или перегорают корни деревьев. Для торфяных пожаров характерен резкий специфический запах дыма. Скорость продвижения низовых и верховых пожаров различается в зависимости от погодных и лесорастительных условий. Огонь низового пожара под пологом леса движется в среднем со скоростью около 3 м/мин (180 м/ч). В ночное время скорость пожара измеряется несколькими метрами в час. Но при сильном ветре в дневное время, при движении огня вверх по склону на захламлённой вырубке его скорость может превышать 10-15 км/ч. Скорость распространения огня верхового пожара составляет обычно 0,5-1 км/ч, но может достигать 5-6, иногда 30 км/ч. Низовые пожары по скорости движения огня и характеру горения подразделяют на беглые и устойчивые. Беглые низовые пожары обычно наблюдаются весной, когда горит прошлогодняя сухая трава, тлеет подсохший верхний слой лесной подстилки. Скорость распространения огня довольно значительна (3-5 м/мин) и находится в прямой зависимости от скорости ветра в приземном слое. При этом участки с повышенной влажностью лесной подстилки и отсутствием сухой травы остаются нетронутыми огнем, и площадь пожара имеет разветвлённую форму. Интенсивность горения обычно невысока, древостой повреждается незначительно. Эти пожары могут быть остановлены и потушены небольшими силами и средствами. Однако в хвойных молодняках беглый низовой пожар может перейти в верховой. При устойчивых низовых пожарах горят опад, напочвенная растительность, валежник, на всю толщину прогорает подстилка. Такие пожары характерны для продолжительных засух в летнее время. Сильно повреждается или полностью уничтожается хвойный подрост и подлесок (можжевельник), в меньшей мере – лиственный подрост и подлесок. Длительность горения объясняется не уменьшением скорости продвижения кромки пожара, а увеличением её ширины, которая составляет около 1 м. При устойчивых пожарах лесная подстилка толщиной до 15 см и влажностью менее 20% выгорает до минеральных горизонтов и вместе с нею сгорает или сильно повреждается поверхностная корневая система деревьев. Древостой повреждается сильнее, чем при беглых низовых пожарах; степень повреждения зависит от древесной породы и интенсивности горения. Ельники и пихтарники, как правило, усыхают в течение 1-2 лет после пожара, сосняки и лиственничники также несут потери, но в основном продолжают рост. В хвойных древостоях с наличием групп хвойного подроста и в хвойных молодняках такие пожары могут перейти в верховые. Скорость распространения огня при устойчивом низовом пожаре – от 0,2 до 1, реже до 3 м/мин. Разновидностью устойчивого низового пожара является валёжный пожар. В Сибири опасность возникновения валёжных пожаров чрезвычайно высока, так как здесь имеются огромные площади старых горельников, неочищенных вырубок и других захламлённых лесных территорий с почти полным отсутствием древостоя. Такие участки почти непроходимы для техники. Из-за более сильного, чем под пологом леса, ветра, валёжные пожары распространяются быстро и охватывают большие территории. Вследствие высокой интенсивности горения уничтожается органический горизонт почвы. Борьба с валёжными пожарами крайне трудна. Низовые пожары по интенсивности горения и связанной с нею длине пламени могут быть слабыми, средними и сильными. При слабых пожарах длина пламени обычно не превышает 0,5 м, при средних она достигает 1-1,5 м, при большей длине пламени пожар становится сильным. Верховые пожары также разделяют на беглые (вершинные) и устойчивые (повальные). Верховые пожары часто развиваются из низовых в сложных по структуре насаждениях, когда огонь перебрасывается из нижних ярусов растительности в кроны деревьев. В хвойных молодняках низовой пожар легко переходит в верховой по низкоопущенным кронам (см. рис. 5.3). Беглые верховые пожары характерны для ветреной и засушливой погоды. Они возникают при скорости ветра 15-25 м/с и распространяются по кронам деревьев скачками. Во время скачка горят только кроны, скорость продвижения огня достигает 15-20 км/ч. Но такое горение длится только 15-25 с, пламя уходит вперёд на 70-90 м от низового пожара, затем горение крон прекращается до подхода кромки низового огня. Поэтому скорость продвижения верхового беглого пожара в среднем составляет 1,8-2,4 км/ч, иногда возрастает до 4-5 км/ч. Беглым верховым пожаром в августе 1972 г. за 5 ч был уничтожен массив хвойного леса площадью 14,5 тыс. га в Марийской республике. Выделение тепла при беглом верховом пожаре в 10-20 раз превышает тепловыделение при низовом пожаре. Над кромкой беглого верхового пожара в результате интенсивного горения, образования высокого пламени и быстрого подъёма газов образуется мощная конвективная колонка. Горящие частицы (спелые шишки хвойных пород, элементы веток и сучьев) поднимаются на большую высоту и переносятся сильным ветром на сотни метров (200-350 м и более). Они с лёгкостью преодолевают естественные и искусственные преграды и образуют новые очаги горения. Борьба с такими пятнистыми многоочаговыми пожарами, имеющими самую высокую скорость продвижения огня (10-20 км/ч и более), сильно затруднена. При слабом ветре устойчивый верховой пожар (повальный) перемещается медленнее (5-15 м/мин), ширина горящей кромки 6-8 м, но повреждение древостоя, нижних ярусов растительности и почвы здесь более значительны. Повальные пожары обладают наибольшей разрушительной силой и приводят к полной гибели насаждений. Выделяют также прерывистые верховые пожары, с переходами в низовой и обратно. Верховые пожары – явление грозное. Они более редки, чем низовые, но более опасны для жизни людей и наносят большой ущерб. Населённые пункты, расположенные среди лесных массивов, охваченных верховым пожаром, часто бывают полностью уничтожены огнем. Борьба с верховыми пожарами трудна, опасна, требует больших затрат средств и высокой квалификации лесных пожарных. Скорость восходящих потоков воздуха над верховыми пожарами может достигать 35 м/с. Известны случаи, когда самолеты, летящие над пожарами на высотах около 1,5 км, опрокидывались. В условиях Красноярского края отмечались конвективные колонки высотой до 5 км, которые заканчивались мощным кучевым облаком. Такие колонки оказывают существенное влияние на безопасность полетов при тушении пожаров с воздуха. Подземные пожары распространяются на меньших площадях, но ликвидируются с большим трудом. Для торфяных пожаров, в отличие от низовых и верховых, характерно беспламенное горение (тление). Торф при наличии источника огня способен возгораться при абсолютной влажности 25-100%. В процессе горения, когда выделяющееся в полузамкнутом объёме тепло используется для подсушивания и нагревания соседних и нижних слоев торфа, он способен гореть и при влажности 200 %. Особенность торфяных пожаров в том, что они разгораются и распространяются в стороны очень медленно, но продолжаются очень долго – до нескольких месяцев, а иногда и нескольких лет, когда горение не прекращается даже с наступлением дождливой погоды и зимы. Для тушения больших площадей торфяных пожаров могут потребоваться очень большие силы и средства. Чаще всего торфяные пожары возникают при проведении весенних палов сухой травы на сельскохозяйственных угодьях, а также от непотушенных костров на торфяниках при сборе ягод в августе-сентябре. Коварство торфяных пожаров состоит в том, что поверхностный слой торфа и мохового покрова может оставаться несгоревшим, а под ним располагается “горящая яма” глубиной до 1,5-2 м. Неосторожный заход сюда человека или заезд техники может закончиться печальным исходом. Торфяные пожары часто подходят к суходольным лесам и могут вызывать в них новые очаги возгорания. Подземные (почвенные) пожары в виде тления оторфованной подстилки в ельниках приводят к полной гибели этих древостоев. Слабым считается подземный пожар при глубине прогорания торфа до 25 см, средним – 25-50 см, сильным – более 50 см. По статистическим данным, соотношение (в процентах) количества пожаров в лесном фонде РФ следующее: низовые – 95; верховые – 4; торфяные – 1. По площади низовые пожары в среднем также преобладают (около 85% всех пожаров). Однако основной ущерб от лесных пожаров приходится на верховые. Классификация лесных пожаров по причинам их возникновения. Причины возникновения лесных пожаров в Гослесфонде РФ могут быть связаны или не связаны с антропогенным фактором, но в среднем в 8 случаях из 10 пожары происходят по вине человека. Большинство пожаров возникает в густонаселённых районах при активном посещении лесов людьми. Развитая сеть дорог, повышающая доступность лесов, усиливает опасность возникновения очагов возгораний. На расстоянии до 5 км от населённых пунктов и дорог возникает не менее 60% общего количества пожаров. В радиусе 10 км от населённых пунктов – до 90% пожаров. Вместе с тем наиболее крупные пожары характерны для удалённых и малонаселённых таёжных районов Сибири и Дальнего Востока, где зачастую не удается принять своевременных мер для борьбы с огнём. Здесь меньше вероятность возникновения пожаров по вине человека: до 30-50% возгораний связывают с грозовыми разрядами. Главные антропогенные источники возгорания: - костры (оставленные, плохо затушенные). Тлеющие частицы от больших костров, поднятые конвекцией выше окружающих деревьев, часто переносятся ветром на десятки метров и могут вызвать новые очаги возгорания; - неумелое пользование огнём (сжигание порубочных остатков на вырубках при весенней доочистке лесосек в ветреную сухую погоду, весеннее выжигание сухой травы, осеннее сжигание стерни и соломы на полях); - брошенные непотушенные окурки и спички; - недотушенные или плохо окарауленные пожары (особенно почвенные); - искры от работающих машин и механизмов; - умышленные поджоги (преступные побуждения – отвлечение вни- мания лесной охраны от незаконных рубок леса, стимулирование возникновения на горельниках зарослей иван-чая в качестве медоноса, хулиганство, месть и т.п.); - шалость детей. По результатам обработки статистической отчётности по лесным пожарам, среди установленных антропогенных источников возгорания первое место занимает разведение костров – 36%. Затем следует выжигание сухой травы (на лесных сенокосах, пастбищах, полянах, вдоль железных и автомобильных дорог) – 27%; выжигание стерни и соломы на сельскохозяйственных угодьях – 12%; неосторожное курение – 7%; шалость детей – 6%; неосторожное сжигание порубочных остатков – 4%; неисправность технических средств (искрение) – 2%; умышленные поджоги – 1%; прочие причины – 5%. Грозы обычно сочетаются с дождями, поэтому не всякий удар молнии в землю вызывает возгорание (рис. 5.4). Рис. 5.4. Удар молнии в землю Редко, но бывают “сухие” грозы, пожары от которых возникают во время грозы или сразу после её окончания. Но и при грозе с дождём после удара молнии в землю может образоваться тлеющий очаг в лесной подстилке, который развивается в пожар лишь после её высыхания. В результате значительная часть пожаров, вызванных молниями, относится к антропогенным или возникшим от неизвестных причин, т.е. количество пожаров от молний, по некоторым данным, занижается в несколько раз. Принято считать, что молнии вызывают в среднем 10-15% пожаров, хотя на самом деле их доля составляет, вероятно, более 30%. Конечно, далеко не всякий удар молнии вызывает лесной пожар. Наименьшее сопротивление электрическому току от молний оказывают стволы живых деревьев, “заземленные” своими корнями. Поэтому в них чаще всего и ударяет молния. Электрический ток от молнии, проходя по влажной древесине, выделяет тепло, которое превращает жидкую воду в газообразную (водяной пар). Это происходит мгновенно, ствол разрывается на части. Но древесина не успевает обугливаться, возгораться. Однако, если молния ударяет в сухостойное дерево (или незаземлённый деревянный дом), электрическое сопротивление которых на пять порядков выше по сравнению с живым деревом, воспламенение этих объектов практически неизбежно. Пожары от молний возникают преимущественно в горных лесах. Так, в Скалистых горах США количество пожаров от грозовых разрядов превышает 60%. Влиять на молнии человек не может, поэтому наиболее действенные меры снижения горимости от гроз – выявление “грозобойных” участков территории, слежение за перемещениями сухих гроз, организация патрулирования по местам гроз в течение нескольких дней. Кроме гроз, источником огня в лесах могут быть падение метеоритов, извержение вулканов, самовозгорание торфа в местах его добычи и хранения. Однако возникновение лесных пожаров от этих причин – явление крайне редкое. Классификация лесных пожаров по сезонам года: поздневесенние, летние и осенние пожары. Весной преобладают низовые беглые пожары на вырубках, в старых гарях, в рединах и лиственных лесах (до распускания листвы). Летом и осенью возможны низовые и верховые пожары. Весенние пожары способствуют заселению древостоев энтомовредителями в тот же сезон. Летние и особенно осенние пожары отодвигают эту опасность на следующий год, что определяет очерёдность проведения санитарных рубок. Классификация пожаров по площади. Крупными пожарами в районах наземной охраны лесов являются пожары площадью 25 га и более, а в районах авиационной охраны – 200 га и более. Такой подход необходим для оценки деятельности лесопожарных формирований, работающих в неодинаковых условиях. 5.3. Лесные горючие материалы Лесные горючие материалы по своей роли в распространении горения разделены на 3 категории: а) проводники горения; б) поддерживающие горение; в) задерживающие горение. Проводники горения – это непрерывный слой быстро воспламеняющихся материалов. При низовых пожарах проводниками пламенного горения служат зелёные мхи, лишайники, опад, прошлогодняя отмершая трава. Именно с их возгорания чаще всего начинаются пожары. Причем сухая трава и лишайники способны высыхать весной до горимого состояния, находясь на влажной подстилке, а сухая осока, тростник – даже над водой. При верховых пожарах проводниками горения являются хвоя и мелкие ветви в пологе древостоя – при наличии горящих нижних ярусов и сильном ветре. Проводники беспламенного горения – нижние горизонты лесной подстилки, перегнойные горизонты, торф. К ЛГМ, поддерживающим горение, относится всё, что может гореть в конкретных погодных условиях, но не создаёт сплошного слоя: валежник, сухостой, хвойный подрост и подлесок (можжевельник), кустарнички (вереск, багульник и др.), куртины подсохших лесных злаков и иван-чая, пни, мёртвые сухие корни, а также сухие ветви и вершинки деревьев, лежащие на земле. Активно задерживают горение лесные травы с высоким влагосодержанием (таволга, сныть, осоки – с абсолютной влажностью 200-500%), кукушкин лён, сфагнум (в микропонижениях), листва деревьев и кустарников. Установлено, что если запас живых трав (в абсолютно сухом состоянии) больше запаса трав сухих, горение прекращается. Приведённая классификация ЛГМ применима исключительно к среднему по погодным условиям пожароопасному периоду. Некоторые ЛГМ могут изменять свою категорию в зависимости от конкретных условий горения. Например, рыхлый непрерывный слой высохших хвойных порубочных остатков, уложенных на трелёвочных волоках после окончания рубки, может быть проводником горения. Кроме рассмотренных категорий, лесные горючие материалы по их горимости разделены на 7 групп: I – зелёные мхи, лишайники и мелкие растительные остатки (опад, травяная ветошь); II – лесная подстилка, перегнойные и торфяные горизонты; III – вегетирующие травы и кустарнички; IV – крупные древесные остатки (валежник, сухостой, пни, сухие сучья, порубочные остатки); V– подрост и подлесок; VI – хвоя и листва растущих деревьев (вместе с мелкими веточками до 7 мм толщиной); VII – стволы растущих деревьев и живые ветви толщиной более 7 мм. Первая группа ЛГМ – это основные проводники горения. Их наличие и состояние (запас, влажность и т.п.) предопределяют возможность возгорания и дальнейшего горения в лесу, особенно при низовых пожарах. Вторая группа – проводники беспламенного горения, т.е. тления. Третья группа – их роль в горении существенно различается. Живые травы отличаются высоким абсолютным влагосодержанием, которое обычно превышает 200% . Весной, в начале вегетации, влагосодержание в травах может достигать 700%. Все виды вегетирующих трав тормозят распространение огня. После отмирания сплошные заросли трав становятся основным проводником горения (переходят в первую группу). Среди кустарничков имеется такой вид, как вереск, густые заросли которого чрезвычайно пожароопасны в плане возникновения пожаров. В то же время самостоятельное распространение горения по ярусу кустарничков (багульник болотный, черника, брусника) затруднено, они лишь поддерживают горение опада, подстилки, зеленых мхов, лишайников. Четвертая группа ЛГМ представляет собой растительные остатки крупных размеров, совокупность которых представляет собой захламлённость в лесу. Она может усиливать интенсивность горения (увеличивать длину пламени) при низовых пожарах. Так, в сосняках с захламлённостью 80 м3/га послепожарный отпад деревьев сосны в 4 раза выше, чем при захламлённости 20 м3/га. Спиленные ветви смолистых хвойных деревьев при относительно равномерном распределении их по площади вырубки, в подсохшем состоянии могут быть даже проводниками горения. Следует отметить, что такой характер распределения порубочных остатков характерен, в частности, для сплошных вырубок в Финляндии, но лесные пожары там практически полностью отсутствуют даже в самые засушливые годы. В триаде возгорания отсутствует источник огня. Мелкие порубочные остатки лиственных пород смол не содержат, поэтому не увеличивают пожарную опасность на вырубках. Напротив, притеняя поверхность почвы, они способствуют сохранению влаги в подстилке и тем самым уменьшают ее горимость. В пятой группе роль ЛГМ в развитии пожаров различна вследствие разнообразия древесных и кустарниковых пород, характера их распространения под пологом леса и его сомкнутости. При высокой сомкнутости полога подрост ели и подлесок лиственных пород затеняют почву и замедляют высыхание основных проводников горения. Горючие виды подроста и подлеска (ель, сосна, можжевельник) могут усиливать низовые пожары; негорючие (берёза, осина, ива, черёмуха, рябина) – наоборот, препятствуют их распространению. Шестая группа ЛГМ – полог хвойного древостоя служит проводником горения при беглых верховых пожарах. Листва в пологе лиственных насаждений обычно не горит. Но в случае примеси к хвойным древостоям лиственных пород их листва при верховых пожарах успевает подсохнуть и также воспламеняется. У ЛГМ седьмой группы при сильных пожарах обычно обгорает поверхность коры, при этом образуется так называемый нагар. Активно горят засмолённые участки на стволах (смоляные потёки, карры, засмолённые подсушины). Живые древесные стволы, как правило, не горят, за исключением случаев, когда в стволе имеется дупло или сухая трухлявая гниль. Количество ежегодного опада в лесу зависит от породного состава, возраста и полноты древостоя. Наименьшая масса ежегодного опада (в пересчёте на абсолютно сухое вещество) – в хвойных насаждениях (0,15-0,3), несколько большее – в мелколиственных из берёзы и осины (0,25-0,35), максимальное – в широколиственных лесах из дуба, липы и других пород (0,35-0,45 кг/м2). Запас, мощность и характер сложения лесной подстилки связаны с типом леса, породным составом лесов, их возрастом, сомкнутостью полога, развитием живого напочвенного покрова и другими факторами. В сухих типах хвойных лесов (вместе с опадом) масса подстилки составляет 0,5-0,8; в сосняках и ельниках зеленомошной группы типов леса – 0,7-2,8; в сырых (долгомошник) – достигает 10 кг/м2 абсолютно сухого вещества (табл. 5.1). Процесс высыхания лесной подстилки идет сверху послойно и заканчивается только в период продолжительной засухи, когда абсолютная влажность всей подстилки уменьшается до минимальных величин. Например, в типе леса сосняк-черничник она может составлять 6-8%. В этом случае подстилка выгорает полностью. В годы средней пожарной опасности по погодным условиям выгорает лишь часть подстилки. Т а б л и ц а 5.1 Запас напочвенных лесных горючих материалов в абсолютно сухом состоянии в хвойных древостоях 80-100 лет (южная тайга) Тип леса Класс бонитета Пол-нота Масса, кг/ м2 опад, под-стилка, торф лишайники, мхи, кустарнички, травы итого Сосняк лишайниковый IV 0,5 0,5 0,5 1,0 Сосняк вересковый III-IV 0,6 0,8 0,8 1,6 Сосняк брусничник II-III 0,7 2,0 1,0 3,0 Сосняк черничник свежий II-III 0,7 2,8 1,4 4,2 Сосняк кисличник I 0,8 0,6 0,8 1,4 Сосняк долгомошник IV 0,7 10,0 2,5 12,5 Сосняк болотный (торф 1 м) Vа 0,4 80,0 2,5 82,5 Ельник кисличник I 0,8 0,7 0,5 1,2 Ельник черничник свежий II-III 0,7 2,4 1,6 4,0 С увеличением относительной полноты соснового древостоя на 0,1 запас ЛГМ в напочвенном покрове возрастает на 15-20%. Зависимость этого запаса от возраста древостоев в высокополнотных сосняках близка к положительной прямолинейной. Запасы вегетирующей хвои варьируют в зависимости от породы, типа леса, возраста и полноты древостоя. Максимальное количество хвои и тонких веточек характерно для молодняков и жердняков. Например, в культурах сосны высотой 2 м масса древесной зелени составляет около 13 т/га в абсолютно сухом состоянии. В культурах высотой 10 м – 14 т/га, а высотой 18 м – лишь 10 т/га. Для сомкнувшихся сосновых молодняков и жердняков высотой до 10 м характерны низовые пожары низкой и средней интенсивности, а также верховые беглые и устойчивые. В средневозрастных и приспевающих сосняках высотой 11-20 м возможны низовые пожары различной интенсивности, а также верховые беглые, устойчивые и прерывистые (с переходами в низовой и обратно). В спелых и перестойных сосняках высотой более 21 м наиболее вероятны низовые пожары. При этом возможно факельное сгорание отдельных сухостойных деревьев или их групп. 6. ВОЗНИКНОВЕНИЕ И РАЗВИТИЕ ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ 6.1. Условия возникновения лесных пожаров Возникновение пожара возможно лишь при сочетании определённых условий: 1) наличие горючих материалов; 2) погодные условия, способствующие возгоранию горючих материалов; 3) источник огня. Комплекс данных условий И.С. Мелехов назвал триадой возгорания. При отсутствии одного из условий пожар невозможен. Осадки (вертикальные и горизонтальные) являются главным метеорологическим элементом, снижающим опасность возникновения очага возгорания в лесу. Особенно велика роль дождя. Имеет значение не только количество и интенсивность осадков, но и их продолжительность. Так, по наблюдениям в северной тайге, после дождя в 5,8 мм, который продолжался 2 ч, пожарная опасность возникла через 35 ч, а после дождика в 1,8 мм, но моросившего целые сутки, пожарная опасность восстановилась только через 90 ч. При длительном отсутствии осадков лишайники и опад сосновой хвои способны воспламениться от пламени спички в любое время суток, но даже после небольшого дождя (2-3 мм) эти материалы теряют способность к возгоранию на несколько часов. Если затем засуха продолжится, пожарная опасность за эти несколько часов полностью восстановится. Поэтому возникновение пожаров связано не только с сиюминутными осадками или их отсутствием, но и с предыдущими условиями погоды за более или менее длительный период. Относительная влажность воздуха также является одним из основных условий, влияющих на возможность возникновения пожара. Если влажность воздуха мала, то происходит интенсивное испарение влаги (особенно в сосняках) из таких горючих материалов, как лесная подстилка, лишайники, опад хвои, зелёные мхи. Они высыхают очень быстро. При большой влажности воздуха эти материалы, обладающие высокой гигроскопической способностью, активно впитывают влагу из воздуха и становятся менее пожароопасными. Например, кустистые лишайники не могут высыхать до горимого состояния при относительной влажности воздуха 85% и выше, а мох Шребера – при 65% и выше. Таким образом, повышение влажности воздуха и без дождя приводит к увлажнению зеленых мхов, лишайников и опада до негоримого состояния. Следует учитывать запаздывание увлажнения горючих материалов под пологом леса при повышении влажности воздуха: предельно сухие материалы с влажностью около 10% ещё какое-то время являются весьма пожароопасными. При относительной влажности воздуха 45% и ниже высокая пожарная опасность характерна для большинства лесных объектов, начиная с захламлённых горельников и сосновых молодняков и кончая еловыми лесами. С влажностью воздуха напрямую связана влажность лесных горючих материалов (ЛГМ). При прочих равных условиях, чем меньше влажность ЛГМ, тем слабее может быть источник огня, вызывающий возгорание: - влажность ЛГМ 21-25% и выше – возгорание может вызвать только костёр; - влажность 16-20% – костёр, горящая спичка; - влажность 11-15% – то же, а также тлеющий окурок; - влажность 10% и меньше – то же, а также искры от работающих двигателей внутреннего сгорания. Поэтому запрещено посещение лесов населением во время сильной засухи, когда любая искра может стать источником возгорания. Особое значение имеет комплексный показатель температуры и влажности воздуха – дефицит насыщения воздуха влагой. Именно при большом дефиците насыщения возникают пожарные максимумы, угрожающие возникновением массовых возгораний в лесах. Большой и длительный дефицит влажности воздуха в 1972 и 2010 гг. привёл к катастрофическим верховым пожарам, охватившим не только хвойные, но и многие массивы лиственных лесов в европейской части России. Температура воздуха оказывает влияние на пожарную опасность в лесу главным образом косвенно, в связи с другими метеорологическими факторами. С повышением температуры повышается дефицит влажности воздуха, усиливаются процессы физического испарения и транспирации, ускоряется высыхание ЛГМ. На пожарную опасность определённое влияние оказывает облачность. При солнечной погоде пожарная опасность больше, чем при облачной, тем более – при пасмурной погоде. ЛГМ, нагретые солнцем, быстрее и сильнее нагреваются и высыхают по сравнению с такими же материалами в тени. Наличие ветра в лесу ускоряет процесс высыхания ЛГМ, и тем интенсивнее, чем больше скорость ветра и суше воздух. Чаще всего пожары возникают во второй половине дня, когда воздух хорошо прогрет, а его влажность минимальна. Около 70% лесных пожаров возникают между 12 и 17 ч по местному времени. Активное подсушивание лесной подстилки, сухой травы и мха делают их воспламенение наиболее вероятным именно в это время. В утренние и вечерние часы вероятность возникновения пожара в лесу заметно уменьшается. Ночью лесные пожары практически не возникают, а скорость их распространения заметно снижается. Но это происходит не всегда. По мере развития засухи, при длительном отсутствии осадков, амплитуда суточных колебаний влажности воздуха снижается за счет всё меньшего повышения влажности ночью. Наконец, наступает момент с почти полным отсутствием повышения влажности воздуха ночью по сравнению с днём. В этом случае пожары возникают и ночью, а интенсивность горения, особенно при ветре, не снижается. 6.2. Условия развития лесных пожаров Условия распространения лесных пожаров по территории опре-деляют размер пройденной огнём площади и, следовательно, величину причинённого пожарами ущерба. Дождь может приостановить и даже полностью ликвидировать лесной пожар. Исследования показали, что пороговым уровнем количества осадков можно считать величину около 30 мм в месяц (половина месячной нормы в летнее время), но при относительно равномерном выпадении осадков. В этом случае опасность распространения огня невелика, но она резко, в несколько раз, возрастает, если осадков выпадает меньше. Скорость продвижения пожаров, возникших через месяц после выпадения осадков, при прочих равных условиях в несколько десятков раз выше по сравнению со скоростью пожаров, возникших через 10 дней после такого же количества осадков. В отдельных районах Сибири и Дальнего Востока, на неохраняемой от пожаров территории лесного фонда крупные пожары прекращаются часто только после обильного дождя. Кроме дождевых осадков, на продвижение пожаров в ночные часы и ранним утром оказывают влияние роса, иней. Иней замедлял ночное распространение сильных пожаров на Дальнем Востоке в ноябре 2017 года. В воздействии росы и инея на продвижение пожаров – один из аргументов борьбы с пожарами рано утром, поздно вечером и даже ночью. Наименьшая интенсивность горения наблюдается в часы перед восходом солнца. Так же, как и возникновение очага возгорания, развитие пожара зависит от влажности воздуха. Чем суше воздух, тем быстрее воспламеняется органическое вещество и распространяется пламя. Так, скорость продвижения низового пожара в среднезахламлённых насаждениях сосняка-зеленомошника с полнотой 0,5-0,6 при температуре воздуха +23о и скорости ветра на открытом месте 11 м/с связана с влажностью воздуха следующим образом: относительная влажность скорость продвижения огня, воздуха, % м/мин 30 9,7 50 2,8 70 1,0 90 0,1 При уменьшении относительной влажности воздуха ниже 45% для большинства лесных объектов наблюдается высокая пожарная опасность как в плане возникновения пожаров, так и в плане их распространения. Уменьшение влажности воздуха до 25-30% часто сопровождается переходом низовых пожаров в верховые. Распространение лесных пожаров в исключительно большой степени зависит от ветра. По сравнению с безветрием даже слабый ветер порядка 1 м/с увеличивает скорость распространения огня почти в 3 раза, при ветре 2 м/с его скорость возрастает в 5 раз. Лесной пожар сам по себе вызывает возникновение локальных воздушных потоков. Нагретый воздух над пламенем поднимается вверх, на его место со всех сторон устремляется свежий приземный воздух, способствующий горению. При верховом пожаре конвекционная колонка поднимает высоко вверх горящие и тлеющие частицы (хвоинки, мелкие веточки, шишки и т.п.), которые в зависимости от скорости ветра летят на сотни метров и создают новые очаги горения. Скорость распространения огня в лесу пропорционально связана с количеством (запасом) горючего материала на участке. Чем толще слой сухой неразложившейся подстилки, чем больше здесь валежника и сухостоя, тем быстрее распространяется огонь. Рассеивание тепла пожара путем конвекции приводит к интенсивному подогреву ЛГМ, находящихся выше пламени. При горении достаточно мощного слоя сухого опада, зелёных мхов и лишайников огонь перебрасывается на хвойный подрост, а при горении густых групп подроста пламя подогревает нижние сухие сучья и хвою живых ветвей хвойных деревьев, и низовой пожар может перейти в верховой. Соответственно, при недостатке подогрева снизу верховой пожар может вновь перейти в низовой (прерывистый пожар). За счёт теплового излучения пламени, наклонённого ветром, при движении его вверх по склону быстрее, чем в равнинной местности, нагреваются ЛГМ, расположенные выше, и увеличивается скорость движения огня: Уклон поверхности, Относительная скорость град распространения пламени 0 (горизонтально) 1 +25 2 +45 3,1 +75 8,1 Соответственно при движении пламени вниз по склону его скорость резко снижается. Эта закономерность наглядно иллюстрируется горением спички, наклоняемой под разными углами: быстрее всего спичка сгорает, будучи наклонённой под самым острым углом к вертикальной оси. Следует учесть, что и в безветренный, но солнечный день нагретый от земной поверхности воздух поднимается вверх по склонам, что также ускоряет движение огня. Кроме того, на крутых склонах горящие материалы могут скатываться вниз и создавать новые очаги горения. Скорость распространения огня по лесной территории обусловлена также многими другими факторами. Например, при повышенном атмосферном давлении (что характерно для устойчивых летних антициклонов) пламя лесных пожаров распространяется с большей скоростью из-за большего количества кислорода в воздухе. С уменьшением влажности горючего материала также возрастает скорость горения, поскольку уменьшаются затраты тепла на испарение влаги. Лесные наземные горючие материалы высыхают неравномерно по площади в соответствии с неодинаковым поступлением прямой солнечной радиации под полог леса и колебаниями скорости ветра. В условиях специального опыта такие виды ЛГМ, как лишайники и некоторые виды зелёных мхов, увлажнённые до полной влагоёмкости, при постоянных температуре и влажности воздуха показали высокий темп высыхания (табл. 6.1). Т а б л и ц а 6.1 Скорость высыхания некоторых вегетирующих видов наземных ЛГМ при температуре в тени +20оС и относительной влажности воздуха 60% Наименование ЛГМ Влажность абсолютная, % дождь после дождя через 12 ч через 24 ч через 48 ч Лишайники рода Cladonia 467-482 153 14-17 13-15 13-15 Зеленые мхи: Hylocomium splendens Dicranum undulatum Pleurozium Schreberi 1440 1560 2120 1010 870 1545 70 27 310 29 22 35 21 21 30 Стремительная потеря влаги, характерная для лишайников и отдельных видов зелёных мхов, свидетельствует о высокой опасности их воспламенения при наличии источника огня уже в ближайшее время после дождя и наступлении сухой погоды. Снижение влажности слоя соснового опада (толщиной 2 см) от 100 до 30% при тех же погодных условиях происходит за 8-10 ч, т.е. период высыхания такой же, как у лишайника. В реальном лесу высыхание идет медленнее, поскольку ночью температура воздуха снижается, а его относительная влажность возрастает. Следовательно, увеличивается и влажность ЛГМ, снижается интенсивность и скорость распространения пожаров ночью, что облегчает их тушение. Суммарная солнечная радиация и особенно прямая радиация, а также прогретый приземный воздух активно подсушивают аккумулированный в лесу горючий материал – лесную подстилку, валежник, сухую траву, а также усиливают десукцию влаги корнями растений, особенно древостоем, что ускоряет процесс обезвоживания верхних почвенных горизонтов. Те участки зелёных мхов, лишайников и подстилки, которые освещаются солнцем в просветы древесного полога, нагреваются в 2-3 раза сильнее и быстрее, чем участки в тени (табл. 6.2). Т а б л и ц а 6.2 Температура ЛГМ под пологом соснового древостоя в тени и на солнце в летний полдень (температура в тени +26 оС) Вид ЛГМ Температура поверхности ЛГМ, оС на солнце в тени Лесная подстилка 47-52 13-16 Лишайники 37-49 18-24 Мох Шребера 42-56 18-26 Хвоя елового подроста 28-32 22-24 Живые травы 25-28 не опр. Листья брусники 29-34 14-18 Кора сосны на 1,3 м 28-36 19-23 Кора ели на 1,3 м 32-40 18-23 Особенно сильно нагреваются и быстро воспламеняются при наличии источника огня мёртвые материалы (сухая трава, лесной опад, сухая хвоя и мелкие ветки порубочных остатков), а также живые (вегетирующие) лишайники и зеленые мхи. Вегетирующие травы и хвоя нагреваются меньше. Дополнительное облучение инфракрасной радиацией от нагретых стволов деревьев под пологом леса вызывает повышение температуры поверхности почвы по сравнению с прогалинами: в сосняках на 2-3оС, в ельниках – до 6оС. 6.3. Закономерности горения лесных горючих материалов и рассеивания тепла Горение лесных горючих материалов представляет собой реакцию соединения углерода и водорода, которые содержатся в них, с кислородом. При этом происходит выделение запасённой в ЛГМ солнечной энергии. Образуется вода в газообразном состоянии (водяной пар Н2О), углекислый газ СО2 , угарный газ СО и другие газообразные продукты. Из табл. 6.3 видно, что лесные горючие материалы имеют теплотворную способность в 2-2,5 раза более низкую, чем углеводороды (бензин). Это объясняется тем, что ЛГМ содержат довольно много кислорода, т.е. углерод и водород в них уже в значительной степени окислены. Лишь смола хвойных пород содержит сравнительно мало кислорода, поэтому потёки её на стволах деревьев резко усиливают горение. Т а б л и ц а 6.3 Элементный химический состав и низшая теплота сгорания Q различных видов горючего вещества (в абсолютно сухом состоянии) Наименование Содержание, % Q, МДж/кг С Н О N зола Древесина сосны и ели 50,8 6,3 42,5 0,1 0,3 20,4 Древесина березы 50,2 6,2 43,0 0,2 0,4 19,65 Лесные травы, опад листвы 48,0 6,5 39,0 1,5 5,0 17,6 Лесная подстилка (Е-кисличник) 46,7 6,4 38,6 1,3 7,0 19,3 Лишайники 46,5 6,0 43,8 0,2 3,5 19,0 Вереск 52,4 6,1 37,2 1,0 3,3 21,0 Опад хвои сосны 53,1 6,2 36,3 1,3 3,1 21,35 Смола сосны 79,5 9,9 10,6 - - 35,5 Торф 51,4 5,4 36,0 2,2 5,0 20,0 Бензин 85,0 15,0 - - - 48,0 При горении реальных ЛГМ, а не абсолютно сухих, тепла выделяется меньше, поскольку часть тепла расходуется на испарение воды, часть уносится с сажей (химический недожог). Лесные материалы в реальной обстановке никогда не бывают абсолютно сухими (их нагрев даже в самый жаркий день не достигает 100-105оС). Относительная влажность ЛГМ, способных гореть, колеблется в пределах 7-40% для опада, подстилки и мхов, и в пределах 17-70% для торфа. С увеличением влажности ЛГМ сокращается выход азота и углекислого газа и возрастает выход водяного пара. На испарение влаги затрачивается 3-5% тепловой энергии, выделяемой при горении. Химический недожог означает неполное сгорание углерода, часть его уносится горячими газами в виде твёрдых мелких органических частиц – сажи. Недожог уменьшает тепловую энергию, выделяемую при горении ЛГМ, на 15-20%. По некоторым источникам, недожог при горении ЛГМ на влажной подстилке может достигать 60% и более. Недожог зависит от влажности ЛГМ, их крупности, рыхлости, скорости ветра, скорости горения. Влажный хворост, зелёная хвоя, лесная подстилка, торф дают много дыма, выделяют много газообразной влаги, но мало тепла. Сухие мелкие сучья хвойных пород горят жарко и почти без дыма. Дым пожаров при пламенном горении имеет в своём составе твёрдые органические частицы (сажа), которые образуются внутри пламени при неполном сгорании горючего вещества в условиях высоких температур и низких концентраций кислорода, а также мельчайшие минеральные частицы, содержащиеся в топливе (зола). Частицы сажи и золы уносятся в атмосферу раскалёнными газами, и на этих ядрах конденсации образуется туман или облако (если пожар верховой), состоящие из мельчайших капелек воды. Этот туман называют дымом. Следовательно, дым лесных пожаров представляет собой смесь капелек воды (тумана), сажи и частиц золы. Их пропорции в составе дыма и его цвет зависят от вида пожара и горящих лесных материалов. Процесс сгорания горючего материала в лесу при пламенном горении состоит из ряда стадий. Его условно можно представить следующим образом. Поверхность частицы органического вещества (хвоинки, веточки и т.п.) нагревается под воздействием тепла от соседних горящих частиц. При её нагреве до 100-150оС происходит потеря влаги. При дальнейшем нагреве (180-280оС) начинается процесс термического разложения поверхности частицы (пиролиз) с выделением газообразных продуктов разложения, воспламеняющихся от источника огня. Пиролиз ускоряется до максимума при температуре 275-300оС. При 400-450оС разложение обугленной частицы идёт уже медленнее. После окончания процесса разложения на поверхности частицы начинается горение угля, температура при этом может подниматься до 1000оС и выше. Эти процессы происходят с запаздыванием по мере продвижения горения внутрь частицы. Мельчайшие (0,1-10 мкм) раскалённые частицы сажи внутри пламени являются основным источником его теплового излучения и придают пламени характерное свечение. Известно, что суммарная энергия, излучаемая телом, пропорциональна Т4, где Т – абсолютная температура тела (закон Стефана-Больцмана). Поэтому с повышением температуры пламени излучаемая им энергия нарастает “лавинообразно”. При температуре пламени около 550оС оно излучает энергию уже в видимой части спектра, пламя начинает светиться тускло-красным цветом. При дальнейшем росте температуры происходит изменение цвета пламени к красному (700-800оС), оранжевому (800-900оС), желтому (900-1000оС). Это может быть использовано для приближённой оценки температуры пламени. Существенное отличие горения ЛГМ от горения многих других видов топлива – горение в открытой атмосфере, а не в замкнутом объёме. Поэтому, как только создаётся очаг огня на лесной территории, сразу происходит рассеивание тепла. Устойчивость горения ЛГМ определяется балансом тепла между его выделением при горении и рассеиванием. Если тепло горения превышает тепло, расходуемое на рассеивание, горение устойчиво. При равных количествах тепла горение неустойчиво. Если тепла рассеивается больше, чем выделяется при горении, оно прекращается. По причине неизбежного рассеивания тепла в открытой атмосфере температура горения лесных горючих материалов при установившемся режиме не поднимается выше 1000-1100оС. Для сравнения: в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания температура составляет около 2000оС, в каморе артиллерийского орудия при выстреле – 2700оС. Следует особо подчеркнуть, что при горении ЛГМ не весь углерод окисляется до углекислого газа. Некоторую долю в продуктах горения составляет чрезвычайно опасный для человека угарный газ СО. Опасные его концентрации характерны для приземного слоя перед фронтом огня, на расстоянии 6-7-кратной длины пламени. Поэтому, работая в непосредственном контакте с огнём при низовых пожарах, нельзя постоянно держать голову в “аэродинамической тени” пламени, необходимо время от времени разгибаться и отходить на свежий воздух. Симптомы отравления угарным газом – головная боль и “стучание” в висках. Основная часть тепла, выделяемого при горении ЛГМ, уносится нагретыми газами вверх в виде конвективной колонки. Это конвективный путь рассеивания тепла, на его долю приходится 70-75% выделяемой энергии. Скорость подъёма раскалённых газов и их температура при низовом пожаре в сосняках представлены в табл. 6.4. Т а б л и ц а 6.4 Температура и скорость подъема газов на оси конвекционной колонки над фронтальной кромкой сильного низового пожара Высота, м Температура газов, оС (средняя/максимальная) Скорость подъем газов, м/с (средняя/максимальная) 1,5 324/568 - 5 121/220 4,3/7,8 10 96/161 6,2/10,7 15 89/145 6,4/11,3 Максимальная температура газов (около 150оС) на высоте 10-15 м значительно выше летальной (60оС) для вегетирующей хвои сосняков, что приводит к повреждению и усыханию нижней части крон высоких деревьев и полному усыханию деревьев, отстающих в росте. Тепловое (радиационное) излучение пламени и углей в виде лучистой энергии направлено по радиусу во всех направлениях от горящих материалов. Направленное вверх излучение – это ещё около 5% энергии. Следовательно, суммарное количество энергии горения при лесных пожарах, направленное вверх, равно 75-80% всей выделяемой энергии. Излучение пламени в стороны (перпендикулярно ему) составляет 18-20%. Чем выше (длиннее) пламя, тем сильнее излучение, что препятствует борьбе с огнём с близкого расстояния. Наименьшая часть выделяемой энергии приходится на её рассеивание путём молекулярной теплопроводности: в воздух – 2-3%, в почву 3-4% энергии горения. Почва при движении огня в лесу прогревается относительно слабо, особенно при беглом пожаре. Но даже при малой скорости огня и большом количестве горючего материала почва не раскаляется сильно (за исключением случаев горения штабелей древесины в лесу). При низовых пожарах, когда сгорает 2-3 кг материалов на 1 м2, температура верхнего минерального горизонта почвы не поднимается выше 100-120оС, а если нижняя часть подстилки еще не просохла, то она остаётся несгоревшей. При торфяных пожарах по причине полузакрытости объёма горения рассеивание тепла в окружающую атмосферу составляет всего около 20-25%. Основная часть тепла идёт на подогрев и подсушивание соседних слоёв торфа. Поэтому начавшееся горение вовлекает в процесс массы торфа даже с высокой относительной влажностью – до 70-80%. Но от слабого источника огня такой торф не загорится. Для начала горения торф должен иметь влажность 20-30%, что и бывает на поверхности торфяников в засушливую погоду. При горении торфа в атмосферу выделяется много опасных и вредных для человека веществ. Так, концентрация в дыму торфяных пожаров угарного газа (СО) при отсутствии рассеивания его в воздухе составляла бы 38 г/м3, тогда как предельно допустимая концентрация этого газа в воздухе не должна превышать 3,0 мг/м3 (превышение более чем в 10 тыс. раз). То же относится к оксидам азота, цианистому водороду, аэрозолям (превышение ПДК при отсутствии рассеяния соответственно в 50 тыс., 30 тыс. и 12 тыс. раз). Торфяные пожары выделяют дыма в сотни и даже тысячи раз больше на единицу площади, чем лесные пожары. Но лесные пожары создают мощные восходящие потоки воздуха, благодаря которым значительная часть дыма поднимается на большую высоту (иногда до 7-10 км) и там рассеивается. При торфяных пожарах восходящих потоков почти не образуется, рассеянный дым часто остается в приземной части атмосферы и распространяется на сотни километров (как это было в 2010 году, когда с горящих торфяников Мещёры дым поступал в Москву и унёс тысячи жизней людей с ослабленным здоровьем).