2.2.2 Развитие лесного пожара

Лесной пожар и процесс горения

Лесной пожар- явление неуправляемого многостадийного горения на покрытой и непокрытой лесом площади и в замкнутом пространстве, в рамках которого имеет место взаимосвязанные процессы переноса энергии- нагревание, высушивания, пиролиза лесных горючих материалов, горение горючих и догорание конденсированных продуктов пиролиза.

Лесной пожар возникает при:

- наличии источника огня;

- наличии лесных горючих материалов и их сложении;

- соответствующих погодных условий- влажности и температуры воздуха.

В любой момент времени можно выделить определенное пространство, называемую зоной пожара, внутри которой ее состояние отличается от окружающей среды. Наиболее сильные изменения происходят во фронте пожара, быстро распространяющейся части кромки пожара, которая распространяется со скоростью соответствующей скорости ветра и скорости протекания нагревания, сушки, пиролиза и горения ЛГМ. Поверхность, отделяющая фронт пожара от сгоревших ЛГМ, называется задней кромкой пожара, или тылом. Левая и правая кромка пожара определяются по аналогии определения берегов реки, встав лицом по направлению движения пожара, правая рука укажет на правую кромку пожара; левая рука- на левую кромку пожара.

Развитие лесного пожара имеет свои особенности:

- во время горения происходит перемещение энергии, которое вызывает перемещение воздушных масс в разных направлениях;

- фронт пожара занимает ⅓ часть периметра кромки пожара , но на фронт приходится до 75% энергии вдува;

- динамизм развития лесного пожара зависти от скорости ветра и скорости разложения лесных горючих материалов. Причем, чем меньше скорость ветра, тем полнее просыхают горючие материалы, тем выше интенсивность горения. Горение имеет устойчивый характер;

- направления ветра задает направление движения пожара, кромки и тыл пожара продвигаются против и перпендикулярно направлению ветра и значительно медленнее.

Несмотря на то, что кромка пожара в тылу и во флангах продвигаются значительно медленнее, их значение в тушении лесных пожаров велико. Эти пожары имеют разновидность подстилочно-гумусовых пожаров. Для них характерно мало или средне интенсивное горение. При нем подстилка сгорает не полностью, а огонь заглубляется вглубь подстилки до минерального горизонта. Огонь прячется в подстилке, в моховых мочажинах, под корнями старых пней. Нередко он, сильно прогревая камни, находящиеся в почве, может выйти на поверхность в других местах. Все это затрудняет его ликвидацию, и требует повышенного внимания к таким тактическим мероприятиям, как дотушивание и окарауливание пожара.

Конвекция (конвективная колонна)- струи нагретых продуктов горения всплывающих в планетарные слои атмосферы ( до 80% ). Суммарное движение воздушных масс зависит от силы горения и обусловлено подъемом продуктов пиролиза и сгорания в атмосферу . Благодаря этому во фронте пожара возникает уменьшенное давление и происходит подсос, вдув воздуха из окружающей среды.

Излучение- распространение высоких температур в виде лучевой энергии по радиусу во всех направлениях от источника горения (20%).

Проводимость- распространение высоких температур по горючим материалам от очага горения.

Объекты загорания в лесу.

Опасность загорания ЛГМ зависит от : характера источника огня;

времени года; влажности.

Таблица 2.3

Влажность и масса лесного горючего материала

Лесной горючий материал	Естественная влажность, %	Масса, тонн/га
Блестящие мхи(Shrebera и др.)	8-48	8-12
Опад, сучья, хвоя, листья	18-34
Cladonia	20-40
Подстилка	24-34 (250-650)	6-27
Стволы, толстые ветви, гнилые пни, валежины	34-75	1-8
Sphagnum	35-45
Голубика	70-180	0,1-9
Багульник, вереск	80-120
Охвоенные ветви, сучья в пологе	80-150	0,5-1,0
Хвоя ели	80-500	1-25
Осока	90-135	0,1-9
Ирис	92-290	0,1-9
Вороника	93-135
Хвоя сосны	100-330	1-10
Вейник	105-211	0,1-9
Брусника	123-150
Листья ольхи	150-240
Хвоя лиственницы	150-400
Листья березы	170-300	1-10

Примечание: 1. Критическая влажность составляет:

- блестящие мхи- 10%; кладония- 20%; вейник- 18%; береза- 10%;

2. Наибольшее количество ЛГМ содержится в подстилке;

3. С повышением почвенного плодородия, масс подстилки увеличивается. Но в тоже время появляются представители, которые задерживают горение ( герань, золотарник, борец).

Наибольшую массу среди лесных горючих материалов имеет подстилка, далее опад вместе с блестящими мхами и лишайниками. С повышением почвенного плодородия увеличивается масса подстилки и повышается видовое разнообразие напочвенного покрова. Но в составе напочвенного покрова появляются виды, задерживающие горение.

Все компоненты лесного биогеоценоза состоят из органической массы, которая является лесным горючим материалом. Опасность загорания того или иного лесного горючего материала неодинакова. Она зависит от характера источника огня, его силы (спичка, непотушенный окурок, костер, молния и т.п), сложения и влажности лесного горючего материала. Человек при разжигании костра никогда не поднесет источник огня к крупному материалу; отдельно взятая хвоинка лиственницы может воспламениться. Она сгорит очень быстро, не причинив особого вреда подстилки. Более того, плотно слежавшиеся свежие иголки лиственницы при их естественной влажности способствуют быстрому распространению огня, но только по поверхности, если на пути не встретится тот горючий материал, размер и влажность которого будут таковы, что он сможет воспламениться, и пройдут все стадии горения до образования, горящего угля. Аналогичную картину можно наблюдать при распространении огня по осиновой листве в осинниках после схода снежного покрова (первый пик пожарной опасности – время низовых, быстро распространяющихся пожаров).

Рассмотрим второй важнейший фактор в развитии лесного пожара – влажность лесного горючего материала. Исходя из цикличности горения, необходимо определенное количество энергии, достаточное, например, чтобы испарилась влага, находящаяся в естественном состоянии в лесном горючем материале.

Нормальная жизнедеятельность растущего дерева обусловлена наличием в древесине значительного количества воды. В срубленной древесине в зависимости от условия хранения и транспортировки содержание воды может увеличиваться или уменьшаться. В большинстве случаях используют предварительно высушенную древесину.

Влажность древесины. Содержание воды в древесине характеризуется двумя показателями влажности абсолютная и относительная влажность. Для нас имеет значение абсолютная влажность.

Абсолютная влажность – отношение массы воды, находящейся в данном объеме древесины, к массе абсолютно сухой древесины.

Wабс = │( m – m o ) / mo │100%,

где W абс - абсолютная влажность образца древесины. %;

m – масса образца влажной древесины;

m o – масса образца сухой древесины.

В древесине различают свободную (капиллярную) и связную (гигроскопическую) воду. Свободная вода заполняет полости клеток и пространство между ними водой. Количество свободной воды зависит от заполняемости пустот. Она удерживается за счет сил капиллярного взаимодействия и удаляется легко, особенно в мелких горючих материалах.

Вода, содержащаяся в клеточных стенках, называется связной (гигроскопической) водой. Связная вода удерживается за счет физико-химических связей. При ее удалении существенно меняются свойства лесного горючего материала. Максимальное количество зависит от плотности ленного горючего материала, чем меньше плотность, тем больше воды может содержаться в горючем материале.

В этой связи введено понятие пожарная зрелость конкретного лесного участка, при которой пожар может распространяться самостоятельно. На основании восприимчивости лесного горючего материала к огню составлен ряд лесных горючих материалов в порядке уменьшения опасности загорания.

1. Наиболее часто загораемые.

Прошлогодняя отмершая трава (весенняя опасность) опавшая хвоя, мелкие охвоенные сучья с подсохшей или подсыхающей хвоей, кустистые лишайники.

Отмершие и отмирающие зеленые мхи (характерные для молодых вырубок).

Опавшая листва деревьев и кустарников, дающая в опаде скрученные листья (береза, ольха).

2.Часто загораемые.

2.1. многолетние подсохшие и подсыхающие в текущем сезоне злаки и Иван-чай (поздняя осенняя опасность), обнажившийся торф;

2.2. зеленые мхи;

2.3. полуразложившаяся лесная подстилка;

2.4. гнилая древесина, валежины.

3. Редко загораемые;

3.1. брусника;

3.2. черника;

3.3. багульник, голубика, плаун плоский.

4. Очень редко загораемые.

4.1. кукушкин лен, сфагнум;

4.2. широколиственные лесные и луговые травы в вегетирующем состоянии.

Лесные горючие материалы 1 и 2 группы являются обычно первичными объектами загорания, лесные горючие материалы, входящие в 3 и 4 группу, - это вторичные объекты; они возгораются после начала устойчивого горения первичных горючих материалов. Растения 4 группы являются особо огнестойкими, они могут препятствовать распространению пожара.

Исходя из этого лесные горючие материалы также подразделяются на:

- Проводники горения – наиболее быстро загорающиеся, обеспечивающие непрерывное горение и распространение пожара – хвоя, лишайники, блестящие мхи, слаборазложившаяся подстилка;

- Поддерживающие горение – живые растения с постоянно высокой влажностью – черника, брусника, плауны, голубика;

- Задерживающие горение_ огнестойкие виды – высокотравье, мхи – Sphagnum,

Politricum, лиственные породы.

Кроме того, к лесным горючим материалам относят древостой, подлесок и подрост.

Интенсивность и сила горения определяются не столько наличием горючего материала, его влажностью, но в не меньшей степени характером его сложения. Показатель сложения горючих материалов определяет доступ кислорода к горючему материалу.

При значительном количестве подроста в жаркую погоду низовой пожар переходит в верховой. Особенно сильно горят мелкие фракции горючих материалов, запас которых в 1,5-2,0 раза больше запаса древостоя.

Рыхлость древесного полога приводит к тому, что верхние яруса древостоя горят длительное время с постоянным доступом воздуха и подогревом низовым пожаром. Значительное количество тепловой энергии поступает за счет горения подстилки, запас которой в несколько раз превосходит объем всех фракций горючего материала в насаждении.

Скорость верхового пожара зависти от скорости ветра и влажности кроны. Поскольку влажность хвои достигает 150 %, поэтому ветви и хвоя нуждаются в подогреве до 300˚ С. Загорание хвои облегчается наличием в ней летучих фракций терпенов, достигающих до 10 % от сухой массы. И только незначительный объем хвои в пологе не позволяет огню в пологе поддерживать длительное время горение верхних ярусов.

Для сравнения процесс горения при торфяных пожарах в отличие от низовых и верховых, имеет следующие особенности:

- горение происходит в полузакрытом пространстве;

- горение беспламенное (тление) при температуре от 400 до 700 градусов (горение угля);

- при высокой устойчивости горении скорость продвижения пожара очень мало – до 5 метров в сутки.

Загорание торфа происходит при относительной влажности до 30 % .

Рассеивание тепловой энергии в окружающее пространство незначительное – около 20 % . Основная часть тепловой энергии расходуется на подогрев и высушивание. Поэтому, начавшееся горение может поддерживать себя при относительной влажности торфяной залежи 80 % .

Прекращение горения торфа может быть достигнуто при :

а) прекращение поступление кислорода к горючему материалу – засыпка грунтом, покрытие пеной;

б) охлаждение горючих материалов – вода, химикаты, грунт – до прекращения пиролиза;

в) « лишение огня пищи» - ликвидация горючих материалов на пути продвижения огня – отжиг, минерализация почвы;

г) отрыв пламени от горючих материалов – сбивание пламени подручными средствами, струя воды;

д) применение комбинированного воздействия – изоляция, охлаждение грунтом, химическими смачивателями и т.п.

Условия, благоприятствующие загоранию.

В течение суток изменяется температура и влажность воздуха. Влажность растений начинает возрастать примерно с 15 часов, достигая максимума примерно к 6 часам утра. Максимум влажности и минимум температуры воздуха наблюдается от 0 до 3 часов. С восходом солнца влажность горючих материалов повышается. Вот почему вечерне-ночные часы – это наиболее благоприятное время для борьбы с пожарами.

Влажность одних и тех же растений напочвенного покрова неодинакова в разных типах леса; она неодинакова при разных погодных условиях.

Таблица 2.4.

Влажность, % , лесных горючих материалов в зависимости от типа леса.

Лесной горючий материал	Сосняк-лишайни ковый	Ельник-черничный	Сосняк-сфагновый
Лишайники кустистые	8-500	-	-
Зеленые мхи	9-290	14-445	-
Брусника	56-190	104-190	-
Черника	-	100-190	104-215

При прочих равных условиях в сосняке лишайниковом влажность лишайника колеблется от 90 до 290 % ; брусники от 60 до 190 % ; черники 100 до 215 % .

Таблица 2.5.

Скорость просыхания ленного горючего материала.

Лесной горючий материал	Часы, дни после дождя
	дождь	После дождя	12 часов	24 часа
Лишайники, опад блестящие мхи	500	360	55	14
Зеленые мхи	2000	1400	220	30
Торф, подстилка	300	Высыхает во второй половине лета

То есть наблюдается выраженная вертикальная зональность в степени просыхания напочвенного покрова и в скорости созревания пожарной опасности лесных площадей: чем суше, тем мельче фракция лесного горючего материала, тем выше восприимчивость к огню.

Загорание основных горючих материалов возникает при влажности 35 % . Максимальная возгораемость наблюдается с 8 до 19 часов.

Весенние лесные пожары начинаются с необлесившихся площадей.

По степени вероятности возгорания лесной площади ранжируются (от сильной к слабой):

- Вырубки прошлых лет сухих боров и площади с высохшим опадом травянистой растительности;

- Гари прошлых лет, по которым прошел низовой устойчивый пожар, особенно в ельниках зеленомошной группы типов леса;

- Сильно захламленные вырубки с наличием мелкого хлама, собранного в кучи;

- Незахламленные вырубки в зеленомошной группе типов леса с мелким опадом усохших растений.

Наиболее опасны сосновые, кедровые, лиственничные молодняки по сухим почвам при низовой сомкнутости. Из спелых древостоев – лишайниковые, вересковые боры, затем листвяги и кедровники зеленомошной группы.

Пожар начинается с опада, высохших листьев, блестящих мхов, переходя на мелкие фракции лесного горючего материала с диаметром менее 5 мм. Огонь распространяется быстро, образуя пламя до 0,5 метров. Подстилка при этом не повреждается или повреждается частично наиболее просохшие горизонты. Для такого горения характерно языковое распространение огня по территории.

Ярус кустарничков – брусники, черники, вереска, плауны – горят дольше, образуя пламя до 1 метра. Но их возгорание происходит при загорании подстилки.

Скопление хлама, горючих материалов горят сильно с высотой пламени до 1,5 метров, особенно при ветре.

Кукушкин лен, сфагнумы горят медленно (вследствие высокой влажности) при этом высота пламени редко превышают полуметра.

Выводы:

Период просыхания лесных горючих материалов зависти от размера частиц и сложения.

Ягодники хуже просыхают, но меньше обводняются.

Загорание происходит при влажности около 30 %, но распространение огня по подстилке происходит при влажности около 70 %; торфа 80-100 %.

Влажность самих горючих материалов по профилю подстилки неодинакова.

В сосняке лишайниковом опад и лишайники имеют влажность в пределах 16 %; подстилка 40 %.

В сосняке брусничном опад и зеленые мхи 18 %; подстилка 56 %.

Выводы:

1. Пожар, в основном, начинается с тех горючих материалов, которые имеют естественную влажность ниже или близкую к критической (20-30 %%). Это лишайники, опад, сухая листва, блестящие мхи. Для них характерно быстрое горение (пламя как бы бежит по поверхности горючего материала). В результате загореться могут лишь те горючие материалы, размеры и сложение которых позволяет быстро пройти все стадии горения: нагрев, высыхание, пиролиз и собственно горение.

Пример, стволы, валежины и т.п. имеют естественную влажность близкую к влажности подстилки. Они могут загореться при устойчивом подогреве, при котором влажность горючего материала равномерно распределится по всему сечению горючего материала.

2.Далее горение переходит на лесную подстилку, характер сложения влажность и объем которой способствует медленному и устойчивому горению. Сила горения такова, что могут воспламениться более крупные фракции горючего материала.

В таблице 2.6 показаны факторы, которые способствуют возгоранию.

Это: Источник огня, наличие ЛГМ, погодные условия, сложение ЛГМ.

Каждая стадия отличается следующим: что горит и когда, характером горения, последствиями и значениями для лесного хозяйства.

Одна стадия может переходить в другую в зависимости от выше перечисленных факторов, а также от того, как быстро будет организовано тушение пожара.

Таблица 2.6

Факторы, способствующие возгоранию

Факторы, способствующие возгоранию	Что горит, когда	Характер горения	Последствия	Для лесного хозяйства
1 стадия – слабый, возможно беглый, низовой
1.Источник огня; 2.Наличие горючего материала и характер его сложения; 3. Соответствующие погодные условия Солнечная погода Влажность ветер	а) блестящие мхи, лишайники, опад, возможно горение самосева, мелкого подроста; б) весной. В солнечную погоду в дневные часы при отсутствии осадков в течение более 10 суток	а) горение беглое, иногда беспламенное высотой до 0,5 м; б) при значении комплексного показателя более 200 может возгореться лесная подстилка	а) может остановиться самостоятельно в местах имеющих влажность горючих материалов более 35 % б) может перейти на вторую стадию	а)в древостоях на сухих почвах возможно прогорание подстилки; в древостоях с мощной подстилкой при слабом прогорании (< 1/3 ее глубины) естественное возобновление затруднено, повреждается еловый подрост б) повреждается еловый элемент древостоя, подрост погибает
4. Сложение горю чего материала	2 стадия - устойчивый низовой пожар
	Лесная подстилка, кустарнички, подрост	Устойчивое горение, высота пламени более 6 м.	а) остановится самостоятельно при наличии преграды б) может перейти на третью стадию	Возможно полное прогорание подстилки естественное возобновление хорошее
	3 стадия – верховой пожар
	Горят все яруса дре востоя	Горение устойчивое, поддерживается низовым пожаром	Остановится самостоятельно при наличии преграды, при смене погодных условий	Возможна смена ландшафта