1. Общая формулировка научной проблемы и ее актуальность.
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 официальная статистика недооценивает масштабы лесных пожаров в России, но спутниковые наблюдения показывают, 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 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 субмикронные частицы, в значительной степени состоящие из элементного углерода (сажа, черный углерод/black carbon). Именно 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 (предположительно 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 при крупномасштабных лесных пожарах являются необходимыми для верификации прогностических компьютерных моделей глобального и регионального погодно-климатического тренда. Они также важны в исследованиях оптических и химических свойств атмосферы, а также для оценок респираторного качества приземного воздуха, поскольку это отражается на здоровье людей и животных.
2. Конкретная решаемая в работе задача и ее значение.
Основными целями исследований по данной проблеме являлось:
- Организация и проведение натурно-модельных пожарных экспериментов как непосредственно на лесных площадках (Красноярский край), так и в лабораторно-стендовых условиях.
- Измерение количества (концентраций) газо-аэрозольного дымового вещества, эмитированного при лесных пожарах различной интенсивности и различных типов горения биомассы.
- Определение химического состава дымовой газо-аэрозольной эмиссии.
- Определение дисперсных и морфологических характеристик дымовой аэрозольной эмиссии.
- Исследование химического и дисперсного состава дымовой аэрозольной эмиссии при горении разных видов лесной биомассы в лабораторно-стендовых условиях.
- Исследование феноменологического и физико-химического механизмов аэрозолеобразования при горении лесной биомассы.
3. Используемые подходы, новизна и оригинальность.
На конкурс представляются экспериментальные результаты, полученные в 2007-11 гг. в рамках комплексных исследований лесных пожаров, проводимых совместно российскими (Институт леса СО РАН, ИХКГ СО РАН и Сибирская государственная геодезическая академия), американскими (USDA Forest Service) и канадскими (Canadian Forest Service) коллабораторами. Эксперименты проводились в виде натурно-модельных пожаров непосредственно в лесах Красноярского края, а также в лабораторно-стендовых условиях в Институте. Для натурных экспериментов (свыше 20 в 2007-11, свыше 40 за весь период работ 2000-11) формировались лесные площадки разных размеров: 200 х 200 м (4 га), 100 х 100 м (1 га), 6 х 12 м. Предварительно на площадках проводились биоэкологические и пирологические учеты количества и видов горючих материалов, их распределения по разным уровням (напочвенная подстилка, травы, кустарники, молодая поросль и т.п.). Устраивалась «сетка» учетных точек по площадке (49 точек 25 х 25 м на больших площадках 200 х 200 м), в которых устанавливались устройства для измерения в режиме реального времени температурных и временных характеристик пожара на различных высотах (до 10 м от горящей поверхности) и по глубине почвы. Во время продвижения огневого фронта над площадкой «зависал» на высоте 1000 м вертолет, регистрируя инфракрасной цифровой камерой тепловые характеристики горящей территории. В наземных условиях проводился отбор газовых и аэрозольных проб на аэрозольные фильтры двух типов (полимерные АФАХА, стекловолоконные Gelman), проводился отбор дымовых частиц на рабочие ступени каскадных инерционных импакторов, а также использовался оптический счетчик частиц для измерения in situ дисперсных характеристик тонкодисперсных фракций дымовой эмиссии. Химический и дисперсный состав аэрозольной эмиссии определялся в лабораторных условиях, используя методы РФА СИ для элементного анализа, реакционную газовую хроматографию и хромато-масс-спектрометрию для идентификации и измерения количеств органических веществ и элементного углерода, методы цифровой оптической фотограмметрии для определения дисперсных свойств аэрозольных частиц.
4. Полученные результаты и их значимость.
- Усредненные по всем пожарным экспериментам концентрации дымовой аэрозольной эмиссии непосредственно над горящей поверхностью составляют 45-50 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 (10-30 т/га), в зависимости от типа и интенсивности лесного пожара (отметим, что количества дымовой аэрозольной эмиссии зависят от интенсивности горения биомассы, уменьшаясь в случае интенсивных пожаров).
- Аэрозольная эмиссия состоят из трех типов химических веществ: а) Минеральные вещества в виде солей и окислов химических элементов, либо входящих в состав почвенных/пылевых частиц, захваченные потоками горячего воздуха с горящей напочвенной подстилки и горящих «запыленных» растений (железо, титан, кремний, частично кальций и другие), либо «жизненных» элементов, изначально входящих в состав растительных клеток (калий, частично кальций, цинк, бром и др.). Суммарная доля минеральных веществ составляет 3-15% от полной массы аэрозольной эмиссии. б) Органические вещества, характерные для химического состава растительности (термически разложившаяся целлюлоза, древесные смолы и лигнины). Их суммарная доля составляет 60-80% от полной аэрозольной эмиссии (иногда 40-50%, иногда свыше 90%). в) Элементный углерод (сажа, black carbon) как результат глубокого обугливания органики, его доля составляет 7-15%.
- Основная масса дымовой эмиссии, около 90 %, заключена в частицах с размерами менее 3 мкм, примерно 5% - в частицах 3-5 мкм, остальные 5% составляют грубодисперсные частицы, 7-50 мкм и более. Тонкодисперсные частицы состоят практически полностью из органического вещества (смолы, лигнины) и элементного углерода (с примесью, менее 1%, калия в виде К2СО3 и некоторых других элементов). Методом хромато-масс-спектрометрии идентифицированы около 70% от полной массы аэрозольной эмиссии. Предположен феноменологический механизм аэрозолеобразования при горении лесной биомассы, объясняющий появление больших количеств элементного углерода и органических веществ в сравнительно тонкодисперсных частицах (3-5 мкм и менее).
Тот факт, что почти вся дымовая эмиссия состоит из субмикронный и одномикронных частиц может иметь значение для компьютерного погодно-климатического моделирования, поскольку именно субмикронные «углеродные» частицы оказывают наибольшее влияние на оптические свойства атмосферы (диаметры частиц примерно равны длинам волн солнечного света!) и, следовательно, на атмосферный теплообмен с солнечным излучением. Значительное содержание, около 10%, элементного/черного углерода в тонкодисперсных частицах могут ухудшить респираторное качество приземного воздуха на больших территориях, т.е. негативно воздействовать на здоровье людей и животных. Полученные данные по химическим, дисперсным и морфологическим свойствам дымовых частиц позволяют нам гипотезировать по феноменологическому и физико-химическому механизмам аэрозолеобразования при разных режимах горения разных видов лесной биомассы.
5. Уровень полученных результатов в сравнении с мировым.
Проведение натурно-модельных пожарных экспериментов непосредственно на лесной территории, сопровождаемое комплексным исследованием различных аспектов лесных пожаров, является уникальным в мире. Количественное сравнение полученных нами данных по химическим и дисперсным свойствам дымовых эмиссий от лесных пожаров в Сибири (10-15 млн га ежегодно) с данными по лесным пожарам в Северной Америке (3-5 млн га) , а также при пожарах в африканских саванных, показало как их принципиальную близость (так должно и быть, поскольку физико-химические процессы горения должны быть (почти) одинаковыми!), так и различия, характерные для ландшафтно-климатических условий бореальных лесов Сибири.
Работы частично выполнялись за счет грантов США (NASA NRA-99-OES-06, 2006-08), РФФИ (08-05-00083, 2008-10) и международного проекта ISTC Project 3695 (2008-2011). Результаты представлялись на International Aerosol Conference 2010 (Helsinki, 2010), European Aerosol Conference 2011 (Manchester, 2011), 10th International Conference on Carbonaceous Particles in Atmosphere (Vienne, 2011), 15th IBFRA International Scientific Conference (Krasnoyarsk, 2011).
Лаборатория дисперсных систем являлась ответственной за тему «Газо-аэрозольная дымовая эмиссия при лесных пожарах» в рамках комплексных исследований лесных пожаров, проводимых коллабораторами из России, США и Канады в 2000-11 гг.
Список прилагаемых статей.
- Самсонов Ю.Н., Попова С.А., Беленко О.А., Чанкина О.В. Химический состав и дисперсные характеристики дымовой аэрозольной эмиссии от пожаров в бореальных лесах Сибири, Оптика атмосферы и океана, 2008, т. 21, сс. 523-531(англоязычная версия журнала Samsonov Yu.N., Popova S.A., Belenko O.A., Chankina O.V. Chemical composition and disperse characteristics of aerosol smoke emission from fires in boreal Siberian forests, Atmospheric and Oceanic Optics, 2008, v. 21, pp. 455-462)
- Самсонов Ю.Н., Беленко О.А., Иванов В.А. Дисперсные и морфологические характеристики дымовой аэрозольной эмиссии от пожаров в бореальных лесах Сибири. Оптика атмосферы и океана, 2010, т. 23, сс. 423-431 (англоязычная версия журнала Dispersal and morphological characteristics of smoke particulate emission from fires in boreal forests of Siberia Atmospheric and Oceanic Optics, 2010, v. 23, pp. 485-493)
- D. McRae, S. Conard, S. Baker, Yu. Samsonov, G. Ivanova. Fire emissions in Central Siberia. Canadian Smoke Newsletter, 2009, The Fall Issue, pp. 9-13
- Попова С.А. Макаров В.И. Химический состав продуктов тлеющего горения древесины сосны обыкновенной и лиственницы, багульника болотного и лишайника. Оптика атмосферы и океана, 2011, т. 24, сс. 498-492