Спонтанное горение биомассы (“дикие” пожары) представляет собой природное явление, при этом ежегодно сгорает 4-6 миллиардов тонн биомассы, что сопоставимо с количеством топлива (нефть, уголь), используемого человеком. Хотя проблема горения биомассы и сопутствующие экологические, эмиссионные, химические, оптические и погодно-климатическихе аспекты касаются всех регионов Земли, непосредственным объектом наших исследований были пожары в бореальных (северных) лесах Сибири. Российские бореальные леса оцениваются в 700 млн. га, причем их большая часть – это почти сплошные хвойные леса Сибири. Спонтанные лесные пожары в наибольшей степени воздействуют на леса и лесные экосистемы. Хотя статистика недооценивает масштабы лесных пожаров в России, но недавние спутниковые наблюдения показали, что пожары ежегодно происходят на площади 10-14 млн. га в лесной и лесостепной зонах Сибири (это является третьим по масштабам природным пожарным явлением, после “диких” пожаров в африканских саваннах и в (суб)тропических лесах).
При сгорании горючих материалов (древесина, трава, мох, лишайник) выделяются как газовые продукты горения, так и аэрозольные дымовые частицы. Массовая доля аэрозольной эмиссии варьируется от 1-2 до 5-7% от количества сгоревшей биомассы в зависимости от условий горения (собственные и литературные данные), однако её роль в атмосферном теплообмене часто является доминирующей. Это связано с тем, что в дымовой эмиссии присутствуют тонкодисперсные частицы, состоящие из элементного углерода (сажа, графит, т.н. black carbon). Такие частицы, находясь длительное время во взвешенном состоянии в атмосфере, могут поглощать и рассеивать солнечное излучение, т.е. влиять на атмосферный теплообмен и, следовательно, могут воздействовать на локальную погоду и глобальный климат. В этом отношении важно отметить, что потенциальное климатическое действие аэрозольной эмиссии (похолодание!) является компенсирующим по отношению к воздействию газовых продуктов горения биомассы (двуокись и окись углерода, метан), гипотетически приводящих к глобальному потеплению. Поэтому количественные сведения о механизме аэрозолеобразования, об интенсивности, химическом и дисперсном составе дымовой эмиссии, например, при крупномасштабных лесных пожарах являются необходимыми для создания и верификации прогностических компьютерных моделей глобального или регионального погодно-климатического тренда. Они также важны в исследованиях оптических и химических свойств атмосферы, а также для оценок респираторного качества приземного воздуха.
Основной целью исследований по данной проблеме являлось:
На конкурс представляются экспериментальные результаты, полученные в 2000-06 гг. в рамках комплексных исследований лесных пожаров, проводимых совместно российскими (Институт леса СО РАН и ИХКГ СО РАН), американскими (USDA Forest Service) и канадскими (Canadian Forest Service) специалистами. Эксперименты проводились в виде натурно-модельных пожаров в лесах Красноярского края. Для каждого эксперимента (18 за период работ) формировалась лесная площадка 200 х 200 м (4 га).
Предварительно проводились биоэкологические и пирологические учеты количества и распределения лесных горючих материалов на разных уровнях (напочвенная подстилка, травы, кустарники, молодая поросль и т.п.). Устраивалась “сетка” учетных точек по “пожарной” площадке (49 точек), в которых устанавливались устройства для измерения температурных и временных характеристик пожара в режиме реального времени на различных высотах (до 10 м от горящей поверхности). Во время продвижения огневого фронта по площадке над ней “зависал” на высоте 1000 м вертолет, регистрируя инфракрасной цифровой камерой тепловые характеристики горящей территории. С целью отбора газо-аэрозольных проб на разных высотах над горящей территорией, вертолет периодически пролетал через дымовой шлейф на высотах 100-300 м. Одновременно в наземных условиях проводился отбор газовых и аэрозольных проб на аэрозольные фильтры двух типов (полимерные АФАХА, стекловолоконные Gelman), отбор грубодисперсных частиц (более 10 мкм) на ступени инерционных импакторов (два типа), а также использовался аэрозольный счетчик для измерения дисперсных размеров тонкодисперсной фракции дымовой эмиссии (менее 3-5 мкм). Химический и дисперсный состав аэрозольной эмиссии определялся затем в лабораторных условиях, используя высокочувствительные методы (РФА СИ для элементного анализа, реакционную газовую хроматографию для измерений количеств органических веществ и элементного углерода, методы цифровой оптической фотограмметрии для определения дисперсных размеров аэрозольных частиц).
Усредненные по всем пожарным экспериментам концентрации дымовой аэрозольной эмиссии непосредственно над горящей поверхностью варьируются в диапазоне 30 –70 мг/куб. м (это в несколько тысяч раз превышает обычные концентрации в приземной атмосфере). Из этих данных можно определить, что при лесном пожаре в атмосферу эмитируется 0.2 - 1 тонна аэрозольного вещества в расчете на 1 га сгоревшего леса. Это составляет от 1-2 до 5-7% от полного количества сгоревшей биомассы, в зависимости от типа и интенсивности лесного пожара (отметим, что относительное количество аэрозольной эмиссии уменьшается (!) в случае интенсивных пожаров).
Аэрозольная дымовая эмиссия состоят из трех типов химических веществ: а) Минерально- почвенные вещества, либо захваченные восходящими потоками горячего воздуха с поверхности “горящей” почвы и горящих “запыленных” растений (железо, титан, кальций, кремний и другие) либо это вещества, изначально входящие в состав сгоревшей биомассы (калий, кальций, цинк, бром и другие). Суммарная доля минерально-почвенных веществ составляет 3-15% от полной массы аэрозольной эмиссии. б) Органические вещества, характерные для химического состава растительности (термически разложившаяся целлюлоза, смолы, лигнины и т.п.). Их суммарная доля составляет 50-80% от полной аэрозольной эмиссии. в) Элементный углерод (графит, сажа, black carbon) как результат глубокого обугливания органики, его доля составляет 7-15%.
Основная масса дымовой эмиссии (иногда свыше 80 %) заключена в частицах с размерами менее 5-7 мкм. Эти частицы состоят практически полностью из органического вещества и элементного углерода (с примесью, менее 1%, калия в виде К2СО3). Этот факт может иметь большое значение для компьютерного погодно-климатического моделирования, поскольку именно тонкодисперсные “углеродные” частицы оказывают наибольшее влияние на оптические свойства атмосферы и, следовательно, на атмосферный теплообмен с солнечным излучением.
Предположен феноменологический механизм аэрозолеобразования при горении лесных горючих материалов, в частности объясняющий появление больших количеств элементного углерода и органических веществ в сравнительно тонкодисперсных частицах (5-7 мкм и менее).
Проведение натурно-модельных пожарных экспериментов, сопровождаемое комплексным исследованием различных аспектов лесных пожаров, в настоящее время является уникальным в мире. Работы выполнялись за счет финансирования по грантам США (USDA Forest Service 99-ICA-076, CRDF RBI-2416-KY-O2, NASA NRA-99-OES-06) и российским грантам (РФФИ 01-04-49340, интеграционные проекты СО РАН №№ 64 и 169).