И развития пожаров
Горение – экзотермическая реакция окисления вещества, сопровождающаяся свечением (и) или выделением тепла.
Возникновение и распространение лесных пожаров возможно, при наличии:
– горючего материала;
– условий, которые способствуют загоранию и распространению огня;
– источника огня.
Академик И. С. Мелехов эти факторы назвал «триадой загорания леса» (рисунок 2.6).
Возможность возникновения лесного пожара практически исключается при отсутствии одного из трех вышеуказанных факторов.
Для определения вида лесного пожара и правильной организации борьбы с ним необходимо знать сущность самого процесса горения и, прежде всего, лесных горючих материалов (ЛГМ).
Рисунок 2.6 – «Триада загорания леса» по Мелехову
Общими условиями, определяющими процесс горения, являются:
1) наличие горючего материала, который содержит углерод, водород и серу в неокисленном состоянии (бензин, керосин) или не полностью окисленном (древесина, подстилка, торф);
2) наличие кислорода в горючем материале.
В процессе взаимодействия углерода и водорода с кислородом образуются новые химические вещества (СО2 и Н2О) и выделяется теплота. Таким образом, реакция горения является процессом выделения энергии в ходе превращения вещества.
Теплотворная способность лесных горючих материалов составляет 4500–5200 ккал/кг, что в 2,5 раза ниже, чем для углеводородов (бензина).
Все лесные горючие материалы в естественном состоянии содержат то или иное количество воды, и их горение невозможно до полного испарения воды из ближайших к огню слоев. Активное испарение воды происходит после нагревания материала горения до 100 °С и такая температура будет сохраняться до испарения воды.
После испарения воды температура древесины в близлежащих к горению слоях будет увеличиваться и при 180–280 °С начинается тепловое разложение древесины – пиролиз, а образующиеся при этом газы способны воспламеняться. После загорания, т. е. начала реакции горения древесины, этот процесс с выделением энергии будет непрерывно поддерживать себя, и при температуре 700–1100 °С горение приобретает устойчивый характер (рисунок 2.7).
Рисунок 2.7 – Схема горения древесины
Интенсивность горения определяется окислительным процессом, т. е. участием в реакции кислорода. В атмосфере кислород находится в смеси с азотом и другими газами, которые не участвуют в реакции горения.
В приземном слое атмосферы в очагах горения лесных пожаров образуется дымовая колонка, которая представляет собой смесь мелкодисперсных частиц углерода и водяного пара в смеси с другими газами. В процессе лесных пожаров, даже при сильной их интенсивности, часто не сгорает 10–20 % массы горючих материалов, что приводит к уменьшению их теплотворной способности.
Горение органических материалов на открытом воздухе происходит обычно при температуре 1000–1200 °С. Это объясняется тем, что при возникновении очага горения мгновенно начинается рассеивание теплоты в окружающее пространство. В результате устанавливается свой температурный режим, обусловленный динамическим равновесием в выделении теплоты и ее рассеивании.
При низовом пожаре по цвету пламени и горящим углям можно установить температуру горения:
– пламя белого цвета – 1000–1100 °С;
– пламя красного цвета – 700–800 °С;
– ярко горящие угли – 800–1000 °С;
– тускло тлеющие угли – 550–700 °С.
Рассеивание теплоты источника горения происходит: радиацией (лучеиспусканием); конвекцией (с потоком газов); теплопроводностью (от слоя к слою молекул) (рисунок 2.8).
Рисунок 2.8 – Расход тепла при низовом пожаре
Наклон пламенной завесы приводит к тому, что значительная часть радиации правой стороны пламени приходится на лесную подстилку и напочвенный покров, которые на 80–90 % поглощают падающую радиацию, которая превращается в теплоту, расходуемую на прогрев и высушивание очередных частей горючего материала. Значительная часть тепловой энергии, сосредоточенной в газах, направлена вверх и конвекцией уносится в атмосферу 70–77 % тепловой энергии.
Почва под воздействием пирогенного фактора пожаров прогревается до температуры 100–120 °С. По мере поднятия продуктов сгорания над поверхностью горения температура их падает с 900–1000 °С до 40–50 °С; 20 м – 20–22 °С; 50 м – 18–20 °С. Снижение температуры объясняется вовлечением в дымовую колонку больших масс холодного воздуха («разбавление» холодным воздухом).
Основным фактором, оказывающим влияние на возникновение и развитие лесного пожара, является наличие и состояние (в первую очередь, влажность) лесных горючих материалов, которые всегда имеются в лесах в достаточном количестве. Влияние на их готовность к возгоранию и активность горения, скорость распространения и характер пожара оказывают метеорологические условия (атмосферные осадки, влажность воздуха, температура, скорость и направление ветра, облачность и др.), рельеф местности, характер размещения растительности и другие природно-климатические факторы. Связь между скоростью распространения пожаров и данными факторами отмечали Г. А. Амосов (1964), И. С. Мелехов (1979), А. А. Молчанов (1976), В. Р. Нестеров (1949), Г. П. Телицин (1984), М. А. Софронов (1968) и другие исследователи.
Различают два типа горения – пламенное и беспламенное.
Пламенное– это горение продуктов разложения горючих материалов и твердой фазы (угля). Высота пламени при данном типе горения больше двойного диаметра частиц горения. При меньшей высоте пламени горение считается беспламенным. Верхние слои опада и подстилки, мхи, травы, подрост, подлесок и деревья горят пламенным, нижние слои подстилки и торфа – беспламенным горением. При пламенном горении большая часть выделенного тепла рассеивается в воздухе. На подогрев очередных порций горючего материала, по расчетам Г. А. Амосова, расходуется около 2–8 % тепла.
При беспламенном и гетерогенном горении тепло накапливается в слоях горючих материалов и расходуется (около 50 %) на их подогрев, что дает возможность распространению горения даже при относительно высокой влажности горючих материалов.
Одним из важнейших природно-климатических факторов, снижающих пожарную опасность по условиям погоды в лесу, являются атмосферные осадки. Степень возгорания лесных горючих материалов значительно снижается после выпадения атмосферных осадков и, в зависимости от их интенсивности и продолжительности, сохраняется в течение нескольких дней.
Наибольшее влияние на снижение пожарной опасности в лесу оказывают весенние и осенние атмосферные осадки, временное влияние – роса. Отсутствие атмосферных осадков на протяжении нескольких суток приводит к снижению относительной влажности воздуха, подсушиванию горючих материалов до состояния возгорания и их загоранию при наличии источника огня, что приводит к возникновению пожарной опасности в лесу (таблица 2.10).
Таблица 2.10 − Динамика влажности горючих материалов после выпадения атмосферных осадков (на открытой местности / под пологом леса), %
| Горючий материал | День после дождя | Минимальная влажность в засушливый период | ||||
| Лишайники | 90 | 44 | 14 | 12 | 10 | 8 |
| Зеленые мхи | 105 | 72 | 32 | 16 | 12 | 8 |
| Сучья | 33 | 17 | 15 | 13 | 12 | 12 |
| Хвоя | 33 | 15 | 13 | 12 | 11 | 10 |
| Листва | 65 | 20 | 15 | 13 | 11 | 10 |
| Шишки | 36 | 24 | 21 | 19 | 18 | 15 |
| Опад | 55 | 17 | 14 | 11 | 10 | 9 |
На долю лишайников, зеленых мхов и опада, которые по классификации Э. В. Конева и М. П. Курбатского относятся к проводникам горения, приходится 18–32 % общей массы напочвенных лесных горючих материалов. При снижении влажности ЛГМ до 45 % и ниже в лесу возникает угроза пожарной опасности, когда при наличии источника огня может произойти возгорание горючих материалов.
Связь между влажностью горючих материалов и скоростью распространения огня выражается гиперболичной кривой. При влажности ЛГМ до 10 % она остается постоянной. Относительная скорость пожара (Kv) принята за 1, и ее изменение, в зависимости от влажности ЛГМ, характеризуется следующими показателями (таблица 2.11):
Таблица 2.11 – Влияние влажности лесных горючих материалов на скорость пожара
| Влажность горючих материалов, % | ||||||||||||||
| Относительная скорость пожара, К v | ||||||||||||||
| 1,0 | 0,98 | 0,9 | 0,88 | 0,71 | 0,50 | 0,32 | 0,24 | 0,22 | 0,20 | 0,19 | 0,18 | 0,17 | 0,16 | 0,14 |
При влажности ЛГМ 10–14 % скорость распространения пламени при пожаре начинает снижаться, при 16–24 % – резко падает, а при дальнейшем повышении влажности снижается очень медленно. По данным И. С. Мелехова, в лесорастительных условиях Архангельской области России пожарная опасность в лесу возникает при относительной влажности воздуха ниже 45 %.
Различные природно-климатические факторы и состояние ЛГМ оказывают существенное влияние на пожарную опасность в лесу и условия развития лесных пожаров.
Облачность снижает скорость высыхания ЛГМ, а образование кучевых облаков над лесными регионами создает благоприятные условия для тушения возникших пожаров искусственно вызванными осадками.
Температура воздуха оказывает влияние на пожарную опасность в лесу через дефицит влаги, появление и отмирание живого напочвенного покрова.
Ветерусиливает испарение и способствует более быстрому возникновению пожарной зрелости горючих материалов и обеспечивает зону горения лесных пожаров притоком кислорода. Также влияет на отклонение пламени в направлении к несгоревшим горючим материалам и усиливает интенсивность горения фронтальной кромки пожара. Воздушные потоки переносят горючие частицы перед фронтом пожара и создают новые очаги горения, а при соответствующих породном и возрастном составе насаждений способствуют переходу низовых пожаров сильной интенсивности в верховые.
При влажности горючих материалов до 30 % в сосняках лишайниковых и мшистых повышение скорости ветра с 0,5 до 3,5 м/с увеличивает скорость продвижения фронтальной кромки пожара в 8,3, высоту пламени – в 3,4 раза. При скорости ветра более 2 м/с скорость низового пожара выражается прямолинейной зависимостью, до 2,0 м/с – параболой второго порядка.
И. В. Овсянниковым, Г. П. Телициным и М. П. Курбатским составлены формулы для определения влияния скорости ветра на продвижение фронта пожара, прирост площади и периметра пожара.
Г. Н. Коровин, по данным линейной скорости распространения тактических элементов низовых пожаров в сосняках вересковых, лишайниково-мшистых и зеленомошных, установил зависимость между скоростью ветра и линейной скоростью фронта пожара (V) и при постоянной влажности ЛГМ, которая выражается следующим уравнением:
, (2.1)
где а0 – постоянный коэффициент, численно равный скорости продвижения пламени при безветренной погоде;
а2 – коэффициент пропорциональности между квадратом скорости ветра и скоростью распространения фронта пожара;
х – скорость ветра, м/с.
Г. П. Телицин установил зависимость скорости (V) распространения основных тактических элементов пожара (фронта, флангов и тыла) от скорости ветра и характера горючих материалов.
, (2.2)
где V0 – скорость распространения пожара по равнинной местности при безветренной погоде, м/мин;
Vв – скорость ветра, м/с;
К – коэффициент, который учитывает раздувательное влияние пламени;
С – удельная теплоемкость горючих материалов, ккал/кг·град.
А. И. Сухинин, Э. В. Конев и др. предложили ряд математических моделей для определения скорости распространения горения на лесном напочвенном покрове в зависимости от сгорающей массы, влажности, удельной теплотворной способности и плотности слоев ЛГМ.
По Г. А. Амосову (1964) зависимость между скоростью распространения фронта пожара (у) и скоростью ветра (х) определяется уравнениями:
у = 0,16·x 2 + 0,69 и y = 0,52·x + 0,37 (2.3)