Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Лесные пожары от гроз на Енисейской равнине

ВАК РФ 06.03.03, Лесоведение и лесоводство, лесные пожары и борьба с ними

Автореферат диссертации по теме "Лесные пожары от гроз на Енисейской равнине"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ Институт леса им. В. К Сукачева

На правах рукописи

ИВАНОВ Валерий Александрович

УДК: 634.0.431.1

"ЛЕСНЫЕ ПОЖАРЫ ОТ ГРОЗ НА ЕНИСЕЙСКОЙ РАВНИНЕ"

06. 03. 03. "Лесоведение и лесоводство; лесные пожары и борьба с ними"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Красноярск - 1996

Работа выполнена в лаборатории лесной пирологии Института леса им. В. Е Сукачева СО РАЕ

Научный руководитель:

доктор сельскохозяйственных наук, член-корр. РАЕН Э.Е Валекдик

Официальные оппоненты:

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Р. М. Б&бинцева

кандидат сельскохозяйственных наук

Ю. А. Михалев

Ведувря организация:

Кафедра лесоводства Красноярской государственной технологической академии

Зашита состоится

г. в ¿0 часов на заседании диссертационного' совета К 002. 70. 01 по присуждению ученой степени кандидата наук в Институте леса им. В. Е Сукачева по адресу: 660035, г. Красноярск, Академгородок. Институт леса им. В. Е Сукачева СО РАЕ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института леса им. К Е Сукачева.

Автореферат разослан " 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат биологических наук,

старший научный сотрудник - о. А. Зырянов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Острота, проблемы лесных пожаров возрастает по мере роста плотности населения, увеличения рекреационного использования лесов и хозяйственного освоения лесных территорий. Важность этой проблемы неоднократно отмечалась в решениях государственных комиссий по борьбе с лесными пожарами.

Актуальность темы определяется тем, что во многих регионах Сибири молния является главной причиной лесных пожаров. Число пожаров, возникших от гроз, для различных районов составляет до 70£ от их общего числа. Особая опасность таких пожаров заключается в том, что во время грозы за короткий период на большой площади может образоваться сразу несколько десятков очагов горения. Из-за недоступности этих территорий, даже при своевременном выявлении загораний, ликвидация таких пожаров крайне затруднена. В связи с этим разработка методов прогноза и оперативного обнаружения грозовых очагов, вызывающих лесные пожары, чрезвычайно актуальна.

Тема диссертации является разделом теш 2. 33. 8.1. тематического плана Института леса СО РАН на 1986-1995 гг. "Исследование природы пожаров в лесных формациях различных зон Сибири", исполнителем которого является автор представленной работы.

Целью нашей работы является - выяснение механизма возникновения лесного пожара от молнии, определение условий при которых возможно его возникновение и распространение, выявление участков с повышенной грозопожароопасностью на Енисейской равнине Западной Сибири и разработка рекомендаций по охране лесов от пожаров от гроз.

Соответственно в задачи работы входило: выявление суточной и сезонной динамики гроз, динамики численности наземных разрядов при различных синоптических ситуациях; определение мест образования и маршрутов движения грозовых облаков; установление влияния напряженности геомагнитного поля Земли на грозовую активность и число наземных разрядов молнии и выявление территории с повышенной грозопожароопасностью; установление типов леса и элементов ландшафта, часто подвергающихся действию молнии; определение времени загорания и обнаружения

лесных пожаров от гроз; выявление условий их возникновения и разработка предложений по предупреждению таких пожаров.

Научная новизна исследования состоит в том, что впервые инструментально выявлена суточная и сезонная динамика гроз и динамика наземных разрядов молнии при различных синоптических ситуациях для данного региона; подтверждена связь грозовой активности и числа наземных разрядов молнии с напряженностью геомагнитного поля земли, выявлена связь числа лесных пожаров от молний с интенсивностью геомагнитного поля, описан механизм возникновения лесного пожара от молнии и определены условия, при которых возможно возникновение и распространение пожаров от гроз.

Практическое значение работы выражается в том, что составлена карта-схема природной грозопожароопасности лесов Енисейской равнины и выявлены участки с повышенной грозопожа-роопасностью, определены сроки обнаружения пожаров после прохождения гроз и установлена возможная продолжительность стадии скрытого горения лесных горючих материалов от молнии, разработаны рекомендации по использованию результатов исследования при проведении лесоохранных мероприятий, позволяющие улучшить охрану лесов от пожаров.

Апробация и публикации. Результаты исследований обсуждались на научно-техническом совещании по координации исследований природы лесных пожаров 1985 г. , на конференциях молодых ученых Шетитута леса СО РАН 1986 и 1987 гг. , на Всесоюзной конференции "Аэрокосмический мониторинг таежных лесов" в 1990 г. в г. Красноярске, на Международной конференции: "Лесные пожары: возникновение, распространение и экологические последствия" в 1995 г. в г. Томске. Материалы диссертации опубликованы в "Сибирском экологическом журнале", в лесопиро-логических сборниках Института леса СО РАН и ВНИИЛМа, приняты к публикации в журнале "География и природные ресурсы". Всего опубликовано и принято к публикации 12 работ.

Объем диссертации. Диссертация изложена на 130 страницах; содержит 25 таблиц, 31 рисунок - и состоит из введения, семи глав, заключения и приложения. Список использованной литературы включает 95 наименований.

- 3 -СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВВЕДЕНИЕ

Вопросы продолжительности грозы, соотношение фронтальных и внутримассоЕЫХ гроз, механизм возникновения лесных пожаров от них и какой тип грозы наиболее опасен в пожарном отношении - недостаточно раскрыты в отечественных и зарубежных публикациях. Возможно, исследование условий возникновения лесного пожара от молнии, позволит в какой-то мере решить эту проблему. В связи с отмеченным, в настоящей работе предпринята попытка выявить механизм возникновения пожара от молнии, установить участки с повышенной грозопожароопасностью и разработать метод оценки элементов лесного ландшафта по степени их грозопожароо-пасности.

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА.

Основной природной причиной возникновения лесных пожаров является молния. Число пожаров от молний в разных регионах неодинаково. Так, в Финляндии в среднем за год от молнии возникает до 12% всех пожаров, в Швеции - 8,3%, Норвегии - 7,7% (Keranen, 1929; Арцыбашев, Губин, 1978). В США от молний ежегодно регистрируется несколько тысяч лесных пожаров и сгорает около 25 млн. га леса (Зверева, 1980). В Западной Европе в 1978 г. возникло около 1% пожаров от гроз (Goldammer, 1982).

В нашей стране число пожаров, возникших от гроз, по данным разных источников варьирует для различных регионов от 1 до 70% и более от общего их числа. Так, в сосновых древостоях Алтайского края на долю таких пожаров приходится от 20% до 50%; в ленточных борах Прииртышья - 71,3% (Грибанов, 1954; Успенский, 1959; Курбатекий, 1964). В Тюменской области пожары от молний составили 19% от зарегистрированных лесных пожаров (Захаров, Столярчук, 1977). В Магаданской области отмечено от 38 до 44,5% пожаров от гроз (Филиппов, 1977). По данным Л. Г. Ноге и В. В. Тихонова (1979) пожары от гроз в лесах северо-запада европейской части страны составляют 22% от общего числа пожаров, в ленточных борах Северного Казахстана и юга Западной Сибири - около 30%. По данным Центральной базы авиа-

ционной охраны лесов пожары от гроз на территории Читинской области и Бурятии составляют е среднем 7% от общего числа пожаров, Иркутской области - 15%, Хабаровского края - 18%, Красноярского края и Якутии - 33%.

В лесохозяйственной литературе впервые воздействие молнии на лес описал F.Plummer (1912). Он исследовал действие молний на деревья и почву и установил, что большинство молниевых пожаров возникают при загорании гуыуса под деревом.

Вывод о том, что при ударе молнии в дерево у основания ствола, подстилка, сухая трава и хлам воспламеняются, был подтвержден рядом исследователей (Грибанов, 1955; Успенский, 1959; Листов, 1967; Курбатекий, 1976). Для возникновения лесных пожаров от молнии, большое значение имеет направленность потока энергии по стволу к поверхности земли, а также длительность тепловой экспозиции. Пожары от гроз возникают в основном на сухих участках леса - сосняках лишайниковых и ае-леномошно-брусничных (Захаров, Столярчук, 1977).

Г. Я. Вангенгейм (по Нестерову, 1949) считал, что наиболее пожароопасны моменты появления гроз в конце засушливых периодов, даже при выпадении дождей, и предложил шкалу пожарной опасности из 17 классов, основанную на учете величины осадков, длительности засушливых периодов, гроз и облачности.

ЕЕЧирвинский (1950) объяснил различие во времени меаду ударом молнии в дерево и началом его видимого горения способностью к длительному тлению, что является причиной запоздалых пожаров. А. А. Листов (1967) установил, что даже сильный дождь не всегда ликвидирует загорание, возникшее от молнии. Огонь остается незатушенным Енутри валежа и под пологом елей. Поэтому через некоторое время с наступлением сухой погоды может возникнуть пожар.

Е Е Курбатекий (1976) предполагает, что разветвленная молния может одновременно поражать ряд объектов. В.А. Камышева и JL В. Столярчук (1984) установили, что возникновение массовых лесных пожаров от гроз определяется также предшествующей погодой. Нередко грозы охватывают большие территории, в результате чего лесные пожары возникают внезапно и одновременно на огромной территории (Столярчук, Раков, Белая ,1989).

Таким образом, литературные данные о частоте и периодичности лесных пожаров от молний немногочисленны. Как правило,

наблюдения визуальные и лесные пожары, которые происходили в ближайшие дни после грозы, относили к загоранию от молний, не учитывая хозяйственную деятельность людей в этот период. Механизм возникновения лесных пожаров от молнии и условия их распространения мало изучены и их описаний мы не встречали.

Глава 2. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ, ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА РАБОТ.

В соответствии с выше изложенным, в программу исследований мы включали следующие вопросы:

1. Изучить особенности грозоЕой деятельности района исследований.

2. Выявить суточную и сезонную динамику гроз и возникновение лесных пожаров от них при различных метеорологических и синоптических условиях.

3. Исследовать влияние напряженности геомагнитного поля Земли на грозовую активность, количество наземных разрядов молнии и число лесных пожаров от гроз.

4. Установить элементы ландшафта и типы леса, наиболее часто подвергающиеся действию молнии.

5. Выявить условия возникновения пожара от молнии и разработать рекомендации по их предупреждению.

Исследования были проведены в 1985-1992 гг. на Енисейской равнине Западно-Сибирской низменности с координатами от 58 до 66 градуса северной шроты. Территория района исследований включает в себя Кеть-Енисейскую возвышенность средне-таежной равнины и Кеть-Чулымо-Енисейскую южнотаежную равнину. Она простирается от реки Елогуй на севере до реки Кеть на юге.

Для характеристики этих территорий мы использовали материалы лесоустройства, схему типов леса, разработанную лабораторией лесной биогеоценологии Института леса СО РАН, Атлас Красноярского края и республики Хакасии (1994), работы Б. Е Алисова (1956), А. Б. Жукова с соавторами (1969), А. X. Филиппова (1974), М. А. Софронова (1981, 1981), Алехина Н. М. , Гончаре нко И.Н. (1987), Э. ЕВалендика (1990).

Ка Енисейской равнине Западно-Сибирской низменности по данным Гидрометцентра отмечается повышенная грозовая активность. В районе Енисейска и Ярцево она формируется под влияни-

ем западного и восточного склонов Енисейского кряжа. Грозы здесь наблюдаются е апреля по октябрь. Горимость лесов территории высокая. По данным авиалесоохраны за период с 1980 по 1986 гг. на территории района исследований было зафиксировано 486 лесных пожаров от гроз, что составило более 80% всех пожаров.

Для выявления особенностей грозовой деятельности района исследований были собраны и обработаны данные о грозах за 20 летний период по шести метеостанциям, расположенным в районе исследований. Обработка данных осуществлялась по общепринятым в Гидрометслужбе методикам.

При анализе горимости лесов мы использовали данные Красноярской авиабазы о координатах лесных пожаров и причинах их возникновения, а также о сроках действия пожаров на данной территории за последние 10 лет. Для исследования наличия связи возникновения лесных пожаров в зависимости от синоптической ситуации использовали данные о возникновении лесных пожаров и синоптические карты.

Для изучения сезонной и суточной динамики гроз и наземных разрядов молнии использовали счетчик молний СМ-6, изготовленный в Томском научно-исследовательском институте высоких напряжений. Эффективный радиус действия прибора равен примерно 100 км. Грозорегистраторы были разработаны и изготовлены нами в лаборатории лесной пирологии Института леса СО PAR Эффективный радиус действия прибора примерно 5 км.

Для определения районов образования и маршрутов движения грозовых облаков использовали данные, зафиксированные метеорологическим локатором MPJI-2, установленным в устье реки П. Тунгуска, который позволил получить координаты грозовых облаков, направление и скорость их движения, наличие осадков при грозах и распределение их по территории. Радиус действия локатора 150-200 км. Кроме того, наблюдения за движением грозовых облаков осуществляли с использованием авиационного локатора РПСН-2, который был смонтирован на теплоходе и позволил проводить наблюдения за грозами по меридиану от с. Назимово до устья реки Подкаменная Тунгуска и вглубь левобережья р. Енисей на расстояние до 200 км. Работу на локаторе осуществлялась по специальной рабочей методике и по инструкции эксплуатации системы.

Влияние интенсивности геомагнитных аномаяий Земли на число наземных разрядов молний определяли путем размещения на участках с различной геомагнитной интенсивностью грозорегист-раторов, которые в автоматическом режиме производили запись разрядов молнии, достигающих поверхности земли. Для фиксирования осадков устанавливали осадкомеры.

Для определения минимальной энергии, необходимой для зажигания лесных горючих материалов использована методика зажигания газов и аэрозолей электрической дугой Б. Г. Попова с соавт. (1977). С этой целью нами была изготовлена высоковольтная установка, которая позволяла получить электрическую дугу.

Типы леса и элементы ландшафта, наиболее часто подвергающиеся ударам молний, выявляли используя данные авиаотделений и лесхозов о лесных пожарах от гроз и путем маршрутных обследований на трансектах протяженностью до 5 км и шириной 50 м, пересекающих участки с различными геомагнитными аномалиями Земли.

Глава 3. СЕЗОННАЯ И СУТОЧНАЯ ДИНАМИКА ГРОЗ И ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ ОТ МОЛНИИ НА ЕНИСЕЙСКОЙ РАВНИНЕ

Наблюдения за сезонной и суточной динамикой гроз были проведены в период с 1986 по 1990 год на территории Енисейской равнины. Данные о грозах получены с использованием инструментальных и визуальных наблюдений.

На основании результатов наблюдений можно отметить следующее:

Для Енисейской равнины характерны фронтальные и внутри-массовые грозы. Они начинаются со второй половины мая и прекращаются в сентябре. Максимум гроз наблюдается в июле. Динамика грозовой активности по годам приведена в табл.1. Число гроз по годам варьирует значительно.

Преобладают внутримассовые грозы. На их долю приходится в отдельные годы до 95% всех зарегистрированных гроз. Это объясняется большим разнообразием подстилающей поверхности: различные типы леса, болота, поляны, вырубки, гари и т. д. , которое способствует образованию внутримассовых грозовых облаков (Хромов,1940; Стекольников, 1955; Лободин; 1986).

Таблица 1.

Продолжительность грозового сезона и виды гроз на территории Енисейской равнины.

1 1 Годы Число дней с грозой 1 Продолжительность ! грозового сезона ^ 1 1 1 ( Виды гроз, % | фронталь- | внутри-| ные ¡массовые! | 1

| 1986 35 20. 05 12.08 | 10 1 | 1 90 | 1 |

| 1987 34 26.05 7.09 | 19 1 1 1 81 ! 1 1

| 1988 26 12. 06 22.08 ( 5 1 1 1 95 I 1 |

| 1989 29 20. 05 31.08 | 27 1 1 1 73 | 1 ;

| 1990 1 43 22. 05 17.08 | 1 9 1 1 1 91 ! | 1

Фронтальные грозы, составляющие от 5% до 27% всех гроз, в 60% случаев наблюдаются в июле. При этом не на кагвдом атмосферном фронте отмечаются грозы.

Грозы могут возникать при любых синоптических ситуациях (табл.2). Внутримассовые грозы характерны для 4 типов синоптической ситуации: ложбине, циклоне, малоградиентном поле, теплом секторе. Максимум их наблюдается при ложбине и гребне, повторяемость которых составляет более половины (61%) от общего числа наблюдаемых синоптических ситуаций.

Повторяемость движения грозовых облаков преимущественно юго-западного и западного направления. Что обусловлено преобладающим направлением движения воздушных масс в районе исследований. Скорость их продвижения над территорией в среднем около 10 км/час.

В течение суток может образовываться до 50 внутримассовых гроз, а в течение часа их может наблюдаться до 15. Грозы могут возникать в любое время суток. Фронтальные грозы проявляют наибольшую активность в дневные часы.

- q -

Таблица 2

Грозоактивность и число лесных пожаров при различных синоптических ситуациях в 1986-1990 гг.

1 !Синоптическая Число Число 1 |% от Удельная 1 ¡Число I % ОТ |

¡ситуация случаев дней с¡общего интенсив- |пожа- общего|

ситуации грозой j числа ность |ров числа 1

¡дней с разрядов пожа- |

|грозой молнии в ров |

1 | землю

¡Теплый фронт 21 13 i 1 7,9 96 1 22 9,6 1

¡Холодный фронт 20 12 1 7,2 275 1 2 0,9 |

¡Фронт окклюзии 3 1 1 0,6 - | - j

1 Ложбина 150 70 I 41,9 184 | 94 41,1 |

¡Гребень 92 32 1 19,2 205 1 41 17,9 |

|Малоградиент- 1

¡ное поле 62 19 1 11,4 180 | 44 19,2 |

¡Теплый сектор 38 11 1 6,5 107 | 25 10,9 |

1 Циклон 20 9 1 5,3 130 f 1 0,4 |

|Антициклон 4 - » 1 - | 1 1

\ Итого 1 410 167 1100,0 1 | 229 i 100 | 1

Количество наземных разрядов молнии при внутримассовых грозах по годам варьирует от 2768 до 22147 разрядов в год. Число разрядов молнии, приходящихся на один день с грозой составило от 106 до 763. В среднем на каадый кв. км. за грозовой период приходится 3 разряда молнии или в день с грозой на каждые 100 кв. км приходится по одному разряду молнии.

Наибольшая удельная интенсивность наземных молниевых разрядов наблюдается при грозах холодных фронтов, а наименьшая -при прохождении гроз теплых фронтов. В течение суток можно выделить два максимума грозовой активности с 14 до 20 часов и с 24 до 4 часов. Разряды молний облако-земля более, чем в 50% случаев происходят в период с 23 до 4 часов.

Основное количество лесных пожаров от гроз за пожароопасный сезон возникает при внутримассовых грозах (89%). Наибольшее количество загораний на один случай синоптической ситуации с грозой приходится на теплый сектор и малоградиентные

ПОЛЯ.

Пожары от молнии могут возникать в любом типе насаждений. Наиболее подвержены молниевым пожарам насаждения с преобладанием еветлохвойных пород. Так на долю сосновых насаждений приходится 55% пожаров от молний, а на еловые и кедровые - 30%.

Очаги горения от молнии могут находится в стадии скрытого горения в течение 5 суток после прохождения грозы (табл. 3). Только 40% пожаров от молнии обнаруживается в первые сутки после грозы.

Таблица 3.

Время с момента грозы до обнаружения лесного пожара от молнии

1 1 | Время с момента | Число пожаров ■ 1 1 | Совокупность 1

| грозы до обна- | в % от общего | пожаров, |

| ружения, час ! 1 1 количества 1 в % | 1 |

1 1 | 00.01 - 08.00 ! 16,6 1 I 1 16,6 |

| 08.01 - 16.00 1 21,5 I 38,1 |

| 16.01 - 24.00 | 2,4 1 40,5 |

| 24.01 - 48.00 | 19,0 1 59,5 |

| 48.01 - 72.00 | 16,7 1 76,2 !

| 72.01 - 96.00 | 21,4 1 97,6 |

| 96.01 - 120.00 | 1 I 2,4 | 100,0 | Г 1

При планировании полетов по охране лесов от пожаров необходимо учитывать синоптические особенности и динамику грозовой деятельности региона, а также осуществлять полеты над территорией действия грозы в течение 4-5 суток после ее прохождения.

Глава 4. ВЛИЯНИЕ АНОМАЛЬНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ НА ГРОЗОАКТИВНОСТЬ, ВОЗНИКНОВЕНИЕ ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ И ПОВРЕЖДАЕМОСТЬ ДЕРЕВЬЕВ МОЛНИЯМИ.

Известно, что грозовая активность связана с неоднородностью аномального магнитного поля Земли, а наибольшая повторяемость гроз с выходом пород, характеризующихся повышенной проводимостью (Новгородов с соавт. , а. е. N 902763; инф. письмо, 1985). Магнитные аномалии представляют собой области, где маг-

нктное поле Земли заметно отличается от поля соседних регионов (Яновский, 1964). По мнению А. Пурингера (РиЬгтгег, 1961) энергия для возникновения гроз черпается ив кинетической энергии ветра при движении облака в магнитном поле Земли. Ко в тоже время Т. ЕЛободин (1987), исследуя связи характеристики гроз с электропроводностью почз, пришел к выводу, что последняя не играет решающей роли в вариациях грозовой деятельности.

В связи с изложенным мы попытались выявить влияние интенсивности геомагнитных аномалий Земли на грозовую активность и возникновение лесных пожаров ст молний.

Анализ карт-схем различной интенсивности аномального магнитного поля Земли с нанесенными на них местами возникновения лесных пожаров от гроз показал, что по территории с однородным по интенсивности магнитным полем пожары распределены равномерно. Полученный нами результат отличается от вывода, сделанного В. Д. Новгородовым с соавт. (1982) о том, что на границе перехода от одной степени интенсивности аномального поля к другой лесных пожаров больше, чем в центре данной аномалии.

В результате проведенных исследований было установлено следующее:

Сильное аномальное магнитное поле увеличивает вероятность появления гроз над данной территорией. Чем выше значение интенсивности магнитных аномалий, тем больше зарегистрировано над этой территорией гроз.

Прослеживается общая тенденция увеличения количества разрядов молний облако-земля с возрастанием интенсивности геомагнитных аномалий. Коэффициент корреляции между интенсивностью геомагнитных аномалий и количеством наземных разрядов молнии за грозовой сезон достоверный и равен 0,88. Связь тесная, экспоненциальная, описывается уравнением вида (рис.1):

(а + ЬХ)

V = е

где а = 2,602-, в = 0,410.

Наибольшая возмущенность электромагнитного поля, как правило, наблюдается в вечернее время от 17 до 22 часов (Липская, Бабутвников, Владимиров, 1972). По нашим наблюдениям максимум повторяемости гроз и число наземных разрядов молнии в течение суток совпадает с суточным максимумом электромагнитной активности. Это также подтверждает выявленную связь грозовой актив-

- 12 -

ности с интенсивностью геомагнитных аномалий.

Число наземных разрядов молнии

Интенсивность геомагнитных аномалий

Рис. 1. Зависимость числа наземных разрядов молнии от интенсивности геомагнитных аномалий.

Установлена связь между интенсивностью геомагнитных аномалий и числом лесных пожаров от гроз на единицу площади. Коэффициент корреляции является достоверным и равен 0,69. На рис.2. показано количество пожаров от молнии на единицу плопр-ди на участках с различной интенсивностью геомагнитных аномалий.

Установлена тесная связь количества поврежденных деревьев с интенсивностью геомагнитных аномалий, коэффициент корреляции 0,74. Чем выше интенсивность геомагнитных аномалий территории, тем большая встречаемость пораженных молнией деревьев.

Основными повреждениями при ударе молнии в дерево на Енисейской равнине являются: обдир коры или снятие слоя древесины в виде ремня вдоль направления волокон древесины; обдир коры от вершины до основания ствола в виде конуса; обдир коры ствола в виде прерывистой ленты; обдир коры в нижней части ствола дерева; повреждение вершины и обдир коры с ветвей в виде ремня; срезание вершины; расщепление ствола.

Число пожаров

Интенсивность геомагнитных аномалий

Рис. 2. Число лесных пожаров от гроз на участках с

различной интенсивностью геомагнитных аномалий.

Глава 5. ЭНЕРГИЯ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ЛЕСНЫХ ГОРЮЧИХ МАТЕРИАЛОВ

Молния, как известно, представляет собой электрический разряд з атмосфере, который может происходить между облаками, внутри облака, между облаками и землей. Имеющиеся в литературе сведения о зажигании лесных горючих материалов молнией сводятся к следующему. При ударе молнии в дерево воспламеняются находящиеся у основания ствола подстилка, сухая трава и хлам. Чаще всего загорание от молнии происходит при сильном высыхании горючих материалов. Для зажигания горючих материалов молнией большое значение имеет длительность тепловой экспозиции. (Plummer, 1912; Чирвинский, 1950, Грибанов, 1955; Успенский, 1959, Листов, 1967; Курбатский, 1976; Захаров, Столярчук, 1977; Костырина, Иванов, 1988; Rakov, Uman, 1990). Энергия искрового разряда электричества может служить оценкой условий зажигания лесных горючих материалов.

Для определения минимальной энергии зажигания образцов лесных горючих материалов была использована методика зажигания газов электрической дугой В, Г. Попова с соавт. (1977). С этой целью Hat® была изготовлена высоковольтная установка, которая позволяла получить электрическую дугу напряжением 100000 В и длительностью до 5 мин. Всего проведено 1200 экспериментов.

При проведении опыта производили замеры пробивного напряжения, силы тока и времени воздействия электрической дуги на образец. Энергию зажигания рассчитывали по общепринятой формуле.

Минимальная энергия зажигания была определена для следующих зидов лесных горючих материалов: опада из хвои сосны, травы, отмерших листьев растений, чешуек коры, подстилки, лишайника (Cladonia silvatica L.), мхов Шребера (Pleurozium Sc'nreberi Mitt.) и сфагнума (Sphagnum recurvum L.), заболонной гнили хвойных пород. Выбор этих материалов для проведения эксперимента был основан на том, что они являются основными проводниками горения и в первую очередь загораются при ударе молнии в Землю (Чирвинский, 1950; Грибанов. 1955; Успенский, 1959; Курбатский, 1976; Листов, 1967; Захаров, Столярчук, 1977).

Образцы перед экспериментом высушивали в сушильном шкафу при температуре 105 град. С , а затем увлажняли в эксикаторе над водной поверхностью до определенного влагосодержания. Параллельно проводили опытные зажигания электрической дугой.

Проведенные нами исследования показали, что кратковременная электрическая дута протяженностью 15 мм и более способна вызывать загорание следующих видов лесных горючих материалов (рис.3): мох Шребера, лишайник, сухая хвоя, сухие листья березы и осины, ветошь, заболонная гниль хвойных пород, подстилка.

Время

воспламенения, сек

1,5-

1,0-

0,5'

А - лишайник, х - мох Шребера, О - листья березы, □ - чешуйки коры

-1-!-1-г

10 20 30 40

Рис. 3. Зависимость времени воспламенения горючих материалов от длины электрической дуги.

Длина дуги, мм

- 15 -

Величина минимальной энергии, необходимой для зажигания различных видов лесных горючих материалов, приведена з табл, 4. Виды лесных горючих материалов распределены в порядке возрастания минимальной энергии зажигания. Влагосодеркание же их, при котором возможно распространение горения по Есему объему образца, находится в пределах 6-11%.

Таблица 4.

Минимальная энергия зажигания различных видов лесных горючих материалов

! |Вид лесного / |Критическое 1 Время I 1 Минимальная |

!горючего |влагосодер- воздействия( энергия )

I материала |жание злек. дуги, ] зажигания, ¡

1 (образца, % 1 сек | Дж (

I ¡Травяная ветошь 1 | 10 1,0 | 90 i

¡Мох Щребера ! 9 1,0 ( 90 (

(Спад из листьев 1

¡(березы, осины) 1 8 1,0 ( 90 |

1 Подстилка 1 7 1,0 | 90 !

¡Мягкая заболонная 1

(гниль хвойных пород 1 6 1,0 1 90 ¡

|Лишайник ( и 1,2 1 108 |

¡Опад из хвои 1 9 1,3 | 117 ¡

|Мох сфагнум | ! 9 1.5 ( ! 135 | i

Таким образом, определено, что кратковременная электрическая дуга длиной менее 15 мм невызывает загорание лесных горючих материалов. С увеличением длины искры время зажигания уменьшается. В естественных условиях длина электрической искры будет определяться влагосодержанием и величиной воздушных промежутков среды, где будет растекаться заряд молнии.

Наш установлено, что в зависимости от вида горючего материала, время воспламенения и величина минимальной энергии зажигания колеблются в широких пределах. Наименьшие значения этих показателей у травяной ветош, а наибольшие - у опада хвои и мха сфагнума.

Выявлено, что процессы зажигания у разных видов лесных горючих материалов отличаются друг от друга. Это определяется

различиями в их влагосодержании, морфологической структуре, химическом составе к т. д. Наиболее же важным фактором является влагосодержание. Оно определяет потенциальную возможность горения лесных горючих материалов и длительность теплового импульса, необходимого для испарения влаги из образца и удаления ее из образовавшейся горючей смеси. Кроме того, влажные горючие материалы являются хорошим проводником электричества, что резко уменьшает количество выделяемой энергии и, соответственно, снижает вероятность их зажигания.

Таким образом, полученные экспериментальные данные позволили установить следующее:

- время воспламенения и величина минимальной энергии, необходимой для зажигания лесных горючих колеблется в широких пределах и зависит от его вида. Зажигание проводников горения возможно электрической дугой, напряжением не менее 15 кв при влагосодержании их 11% и менее.

- энергии молнии, выделяемой при ударе в землю, достаточно для воспламенения всех групп проводников горения. Наши данные подтверждают предположение о том, что только длительные по времени молнии способны вызвать загорание лесных горючих материалов.

- при подаче напряжения больше пробивного, электрическая дуга идет по проводникам к заземлителю независимо от их вида и влагосодержания. Проводники с большим электрическим сопротивлением создают высокую напряженность электрического поля, которая приводит к пробою проводника и образованию искр и кратковременных дуг. Подстилка имеет большее электрическое сопротивление, чем почва при одинаковой влажности, в результате чего вероятность появления искр и дуг в ней выше, что может вызывать ее загорание.

Глава 6. МЕХАНИЗМ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЛЕСНОГО ПОЖАРА ОТ МОЛНИИ

"Непосредственное наблюдение за возникновением горения в лесу от молнии затруднительно и судить о нем можно лишь по различным косвенным признакам" (Н.Е Курбатский, 1976). Имеющиеся в литературе сведения о механизме возникновения лесных пожаров от молнии сводятся к следующему. При ударе молнии в дерево воспламеняются находящиеся у основания дерева лесные

горючие материалы или жв воспламеняется крона дерева, горящие частицы которой, падая на землю, поджигают лесные горючие материалы. Чаще всего загорание от молний происходит при засушливых условиях (Plummer, 1912; Чирвинский, 1950; Грибанов, 1955; Успенский, 1959; Арабаджи, Ходосевич, 1963; Листов, 1967; Костырина, Иванов, 1988; Захаров, Столярчук, 1977; Костырика, 1985).

Исходя из литературных данных и приведенных нами исследований, мы попытались показать условия и механизм возникновения лесного пожара от молнии.

Как известно (Юман, 1972; Чалмерс, 1974), при образовании достаточно большой разницы потенциалов между облаком и землей возникает электрический разряд - молния. Он имеет две основные стадии - лидерную и главный удар. Лидер ионизирует воздух и подготавливает проводящей канал для основного удара. При приближении лидера к земле напряженность поля возрастает, что приводит к развитию направленных вверх стримеров, берущих начало на деревьях и других выступах на земной поверхности. Один из образовавшихся стримеров, наиболее развитый притягивает к себе лидер, влияя на его путь вблизи земли. Это определяет место на земной поверхности, в которое ударит молния. Расстояние притяжения между лидером и объектом на земле, с которого развился стример, зависит от заряда стримера и высоты объекта. Установлено, что для покрытой лесом низменности оно составляет около 50 м.

На образование интенсивного стримера в пологе леса будут оказывать влияние два условия: форма кроны дерева и его физиологическое состояние. Известно также, что стекание электрического разряда легче происходит у тел с большой кривизной. Деревья с островершинной кроной будут иметь более развитый стример, чем деревья с шарообразной или иной формой кроны при прочих равных условиях. Усыхающее или сухостойное дерево по сравнению с живым несет на себе больший электростатический заряд, который возбуждает развитый, направленный вверх стример, поэтому вероятность попадания молнии в усыхающее дерево или сухостойное выше.

После соединения лидера молнии со стримером наступает стадия главного разряда.

- 18 -

При ударе молнии в дерево происходят явления, наиболее характерные для древесины: нагревание и, как следствие, образование избыточного давления. Нагревание вызывает воспламенение сухих веточек, хвои, листьев, коры, стволовой гнили, а также различных виды мхов и лишайников, живущих на дереве. При малом влагосодержании эти материалы могут воспламеняться и, падая на напочвенный покров, вызвать лесной пожар.

При быстром расширении канала молнии возникают ударные волны, которые распространяются со сверхзвуковой скоростью. Основные виды повреждений дерева это расщепление ствола, снятие древесины в виде ремня и сломанная вершна. Степень и вид повреждения дерева молнией определяется породой дерева, физиологическим состоянием и наличием пороков древесины (метиковая, отлупная, морозная трещины), а также условиями его местопроизрастания. Деревья, произрастающие на почвах с большим электрическим сопротивлением получают и более значительные повреждения, из-за увеличения длительности воздействия молнии на дерево.

При большой силе тока молнии и высоком сопротивлении почвы вдоль корней дерева на всей их протяженности возможно образование электрических искр. При проведении экспериментов по зажиганию горючих материалов мы также установили, что при пропускании электрического тока внутри лесных горючих материалов (лишайники, мхи), образуется множество искр между морфологическими частями растения, которые вызывают их воспламенение. При поверхностной корневой системе в тех местах, где корень наиболее близко подходит к поверхности и непосредственно соприкасается с подстилкой или другим видом лесного горючего материала, при благоприятных условиях происходит их загорание. Следовательно, загорание может произойти на некотором расстоянии от основания ствола, но в пределах расположения корневой системы.

Если же дерево имеет стержневую корневую систему, то возникающее перенапряжение происходит в глубине почвы и не распространяется в стороны от ствола. В связи с этим, загорание напочвенных горючих материалов происходит у основания ствола.

Основное значение при возникновении пожара от молнии имеет предшествующая погода и влажность лесных горючих материалов перед грозой. Проведенные нами наблюдения за количеством осад-

ков показали, что в 60% случаев во время грозы выпадает до 4 мм осадков. С учетом их задержи лесным пологом и напочвенной растительностью, осадки такого количества мало изменяют имеющееся влагосодержание подстилки, которая обычно первой загорается от молнии.

Особенностью возникновения и распространения лесного пожара от молнии является тс, что источник огня находится внутри лесного горючего материала и длительное время может быть в стадии тления и при благоприятных условиях выходить на поверхность.

Глава 7. ОЦЕНКА ПРИРОДНОЙ ГРОЗОПОЖАРООПАСНОСТИ ЛЕСОВ НА ТЕРРИТОРИИ ЕНИСЕЙСКОЙ РАВНИНЫ.

Во многих регионах Сибири молния является главной причиной пожаров в лесу. В связи с этим в целях улучшения оперативного обнаружения и борьбы с лесными пожарами от гроз необходимо выявление участков с повышенной грозопожароопасностью. Наличие таких участков определяется их природной пожароо-пасностью и частотой гроз.

Как известно, на повторяемость гроз и размер охвата ими территории оказывает влияние множество факторов. Это орографические и циркуляционные условия, относительная влажность и температура воздуха, направление ветра и ряд других факторов (Хромов, 1940 и др.). Поэтому для выявления участков с повышенной грозоактивностью необходимо определить возможные места зарождения грозовых облаков, направление движения и размер грозового облака, время его существования и плошддь воздействия, а также влияние геомагнитных аномалий.

Проведенные нами наблюдения за движением грозовых облаков и временем их существования показали, что на Енисейской равнине преобладают юго-западные и западные направления движения облаков. Средняя скорость движения облаков при внутримассовых грозах составила около 10 км/час. При ночных внутримассовых грозах облака, как правило, стоят на месте или медленно перемещаются на небольшие расстояния. Следовательно, грозовое облако за время своего существования проходит расстояние равное примерно 10 км и его грозовая активность продолжается около 40

минут. Вероятность молниевых разрядов на территории с сильными геомагнитными аномалиями выше, чем на других участках.

Используя экспериментальные и литературные данные мы составили карту-схему грозопожароопасных участкоЕ северной части Енисейской равнины. Для этого нами была разработана методика составления карты-схемы лесных участков по степени их грозопожарооласности с учетом следующих признаков: наличие пожаров от молний на данной территории; зона наиболее вероятного нахождения облака; положение границы двух разнородных сред; наличие двух разнородных участков; наличие геомагнитных аномалий. По значимости совокупности этих признаков, лесные участки разделены на пять условных групп (рис. 4). Установлены участки с повышенной грозопожароопасностью.

Проверка полученных данных о лесных пожарах от молний по частоте их распределения в зависимости от оценки по сумме балов грозопожароопасности участка показала, что чем выше грозо-пожароопасность участка, тем вероятнее возникновение пожаров от молнии на данной территории.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе впервые сделана попытка выявить механизм возникновения лесного пожара от молнии и установить условия, при которых возможно возникновение и распространение пожаров от гроз на Енисейской равнине.

В результате исследований грозовой деятельности установлено, что для данного региона характерны фронтальные и внутри-массовые грозы. Преобладают внутримассовые грозы, на которые приходится до 95% от общего числа гроз. Грозы могут возникать при любых синоптических ситуациях. Наибольшее количество внут-римассовьгх гроз зарегистрировано при синоптических ситуациях ложбина и гребень.

Наибольшая удельная интенсивность наземных молниевых разрядов наблюдается при грозах холодных фронтов, а наименьшая -при прохождении гроз теплых фронтоЕ. В течение суток можно выделить два максимума грозовой активности с 14 до 20 часов и с 24 до 4 часов.

Основное количество лесных пожаров от гроз возникает при внутримассовых грозах (89%). А наибольшее число загораний на

Рис. 4. Карта-схема природной грсзопожароопасности лесных участков Енисейской равнины (фрагмент). Степень гроэопожароопасности лесных участков: 1 - очень слабая; 2 - слабая; 3 - средняя; 4 - высокая; 5 - очень высокая.

один случай синоптической ситуации с грозой приходится на грозы теплого сектора и малоградиенгного поля.

Прослеживается общая тенденция увеличения количества гроз и числа наземных разрядов молний с возрастанием интенсивности геомагнитных аномалий. Установлена также связь между интенсивностью геомагнитных аномалий и числом лесных пожаров от гроз на единицу площади. Коэффициент корреляции является достоверным и равен 0,69.

Энергии молнии, выделяемой при ударе в землю, достаточно для воспламенения всех групп проводников горения. Время воспламенения и величина минимальной энергии, необходимой для зажигания лесных горючих материалов зависит от их вида.

При большой силе тока молнии и высоком сопротивлении почвы вдоль корней дерева на всей их протяженности возможно образование электрических искр. В зависимости от типа корневой системы загорание может произойти у основания ствола или на некотором расстоянии от него, но в пределах расположения корневой системы.

Особенностью возникновения и распространения лесного пожара от молнии является то, что источник огня находится внутри лесного горючего материала и длительное время может быть в стадии тления и при благоприятных условиях выходить на поверхность. При возникновении пожара от молнии имеет значение предшествующая погода и влажность лесных горючих материалов перед грозой.

Очаги загорания от молнии могут находится в стадии скрытого горения до 5 суток после прохождения грозы. В связи с этим, необходимо осуществлять авиапатрулирование над территорией действия грозы в течение этого времени. При планировании полетов по охране лесов от пожаров необходимо учитывать синоптическую ситуацию и динамику грозовой деятельности региона.

По степени грозопожароопасности лесная территория района исследований может быть разделена на пять условных групп. Разработана карта-схема природной грозопожароопасности лесных участков, апробация которой была проведена в Ярцевском и Под-каменно-Тунгуском авиаотделениях и показала хороший результат. Наиболее пристальное внимание необходимо уделять участкам 4 и 5 групп, особенно после прохождения гроз, что позволит улучшить охрану лесов от пожаров.

- 23 -

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Грозы и лесные пожары. В кн.: "Лесные пожары и их последствия". Красноярск, 1985, с. 38-46.

2. Грозоактивность и лесные пожары. В кн: "Лесные пожары и борьба с ними". М.: ВНИИЛМ, 1987, с. 208-217.

3. Возникновение лесных пожаров от гроз на Енисейской равнине. В кн.: "Лесные пожары и борьба с ними". М.: ВНИИЛМ, 1988, е. 126-132.

4. Грозоактивность Енисейской равнины. В кн.: Исследование компонентов лесных экосистем". Красноярск, 1988, с. 8.

5. Динамика грозоактивности и лесные пожары от молний на Енисейской равнине. В кн: "Аэрокосмический мониторинг таежных лесов" (Тезисы докладов Всесоюзной конференции). Красноярск, 1990, с. 58-59

6. Грозопожароопасность лесов Енисейского севера. В кн.: Эколого-географические проблемы сохранения и восстановления лесов Севера. Архангельск, 1991, с. 175-176.

7. Влияние геомагнитных аномалий на грозопожароопасность лесных ландшафтов. В кн.: "Лесные пожары и борьба с ними". Красноярск: ВНИИПОМлесхоз, 1991, с. 112-120.

8. Возникновение лесного пожара от молнии. В кн.: "География, экология и здоровье населения". Чита, 1992, с. 128-129. Соавтор Г. А. Иванова.

9. Повреждаемость деревьев молниями на Енисейской равнине. В кн.: "Ботанические исследования в Сибири". Вып. 2. Красноярск, 1994, с. 27-32.

10. Моделирование зажигания напочвенного покрова молнией. В кн.: "Лесные пожары: возникновение, распространение и экологические последствия". Материалы международной конференции. Томск, 1995, с. 79-81. Соавтор Е. К Кисиляхов.

11. Механизм возникновения лесного пожара от молнии. Сибирский экологический журнал, т. 3, N 1, 1996, с. 103-107.

12. Оценка природной грозопожароопасности территории Енисейской равнины. География и природные ресурсы. 1996, (в печати).