Возникновение и развитие лесных пожаров

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).