CC BY
66
УДК 541.182.3:551.510.552 Ю.Н. Самсонов, О.В. Чанкина ИХКГ СО РАН, Новосибирск О.А. Беленко СГГА, Новосибирск
ДИСПЕРСНЫЕ И МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДЫМОВЫХ ЧАСТИЦ ОТ ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ
Пожары в сибирских бореальных лесах, которые происходят на площади 10-14 млн. га ежегодно, приводят к эмиссии в атмосферу 400-500 млн. тонн дымового вещества в виде аэрозольных и газообразных продуктов горения. Эти дымовые частицы могут оставаться в воздухе длительное время, поглощая и рассеивая солнечный свет и, таким образом, нарушать теплообмен между солнечной энергией, атмосферой и земной поверхностью. Климатический эффект от дымовой аэрозольной эмиссии (атмосферной охлаждение) мог бы частично компенсировать глобальное потепление, вызванное эмиссией газовых продуктов горения (углекислый газ, метан).
Yu.N. Samsonov, O.V Chankina
Institute of Chemical Kinetics and Combustion, SB RAS, Novosibirsk, Russia O.A. Belenko
Siberian State Academy of Geodesy (SSGA), Novosibirsk, Russia
DISPERSAL AND MORPHOLOGICAL PROPERTIES OF SMOKE PARTICULATES FROM FOREST FIRES
The fires in Siberian boreal forests, which burn about 10-14 million ha annually, emit in the air 400-500 of million tons of particulate and gaseous smoke matters. These smoke particles can remain in the air for a long time and can absorb and scatter the sunlight and, thus, disturb the heat transfer between solar radiation, atmosphere, and land. A climatic effect of particulate emission (atmospheric cooling) could compensate global warming created due to emission of gaseous combustion products (carbon dioxide, and methane).
Введение
Спутниковые наблюдения показывают, что пожары ежегодно происходят на площади 10-14 млн. га в лесных и лесостепных зонах Сибири и Дальнего Востока, при этом сгорает 300-500 млн. тонн биомассы. При горении выделяются как газовые продукты, так и аэрозольные дымовые частицы. Массовая доля аэрозольной эмиссии варьируется от 1 до 7% от полного количества сгоревшей биомассы (93-99% представляют собой газовые продукты), в зависимости от условий горения, однако её роль в атмосферном
теплообмене является доминирующей. Это связано с тем, что в эмиссии присутствуют тонкодисперсные частицы, в значительной мере состоящие из элементного углерода. Такие частицы, длительно находясь во взвешенном состоянии в атмосфере, поглощают и рассеивают солнечный свет, т.е. влияют на теплообмен между земной поверхностью, атмосферой и солнечной радиацией и, следовательно, могут воздействовать на глобальный и региональный климат. Отметим, что климатическое воздействие от аэрозольной эмиссии (предположительно охлаждение) является компенсирующим к действию газовых продуктов горения (двуокись углерода, метан, другие парниковые соединения), гипотетически приводящих к глобальному потеплению. Поэтому сведения о количестве, химическом и дисперсном составе дымовой эмиссии от ежегодных лесных пожаров являются необходимыми для создания и верификации компьютерных моделей глобального или регионального погодноклиматического тренда. Они важны в исследованиях оптических и химических свойств атмосферы, а также для оценок респираторного качества приземного воздуха.
Проведение натурно-модельных лесных пожаров
В период 2000-10 гг. на таежной территории Красноярского края было проведено около 40 натурно-модельных пожарных экспериментов. Пожарные эксперименты проводились совместно российскими специалистами (Институт леса СО РАН, Институт химической кинетики и горения СО РАН, Сибирская государственная геодезическая академия) и зарубежными коллабораторами из Лесных служб США и Канады. Все пожарные эксперименты были согласованы с краевой лесной службой Красноярского края и проводились с участием лесоохранных организаций тех районов, на территории которых проводились опыты. Пожарные опыты 2000-07 гг. проводились на натурных лесных площадках размером 200 х 200 м или 100 х 100 м, опыты 2008-10 гг. - на относительно малых площадках 6 х 12 м. Сжигание больших лесных участков в полной мере воспроизводило поведение реальных лесных пожаров, причем эти опыты происходили в контролируемых условиях, не допускающих выхода пожара за пределы экспериментальных участков. Опыты на площадках 6 х 12 м в большей степени воспроизводили дымовую эмиссию при горении биомассы, чем поведение лесных пожаров. По ландшафтным, погодно-климатическим и структурным особенностям сибирских лесов лесные пожары здесь преимущественно наземного типа, при которых сгорает наземный лесной покров (мхи, лишайники, травы, кустарники, древесный опад), но взрослые деревья повреждаются сравнительно слабо. Вокруг опытных площадок формировались защитные полосы в виде лесных просек и/или почвенных полос, препятствующих выходу огня за их пределы. Предварительно проводились учеты количества и распределения лесных горючих материалов по разным видам - мхи, лишайники, травы, древесный опад, кустарники, деревья и древесная поросль. Аналогичные учеты проводились после пожарного опыта, что позволяло количественно и качественно оценивать воздействие пожара на лесные экосистемы, в том числе определять количество сгоревшей биомассы с единицы площади. Зажигание проводилось в виде «огневой ленты» по
наветренному краю площадки. Скорости продвижения огневого фронта зависели от условий опыта (запас горючих материалов на площадке и его сухость, сила приземного ветра) и они варьировались от 0.5 м мин-1 до 3 м мин-1. При предпожарных учетах, а также во время и после проведения опыта велись документальные записи и измерения, позволяющие сохранить сведения об условиях и характере каждого пожара. Это является преимуществом натурно-модельных пожарных опытов, позволяющих проводить комплексные исследования пожаров в контролируемых и документируемых условиях. Проведение учетов и контролируемых измерений при стихийных лесных пожарах практически невозможно. Во время «горения и дымления» производился отбор дымовых аэрозолей прокачкой дыма через аэрозольные фильтры. Фильтры заранее просушивались до полной сухости, взвешивались и хранились в пластиковых пакетах. После опытов фильтры доставлялись в лабораторию, где вновь проводилось «просушивание и взвешивание». Таким способом определялись массы аэрозольного вещества, собранного на фильтрах, по этим данным рассчитывались массовые концентрации дыма С « 20-70 мг м‘ в местах отбора проб. Во время опытов фильтродержатели удерживались над шрящей/дымящей поверхностью на высоте 0.5 -1 м, потоки дыма имели здесь почти вертикальное восходящее движение со скоростью U~ 0.3 -1.0 м с"1. Учитывая, что время активного горения и дымления от каждого места было t « 5-30 мин, можно оценить количество дымового вещества M, эмитированного в воздух с 1 га сгоревшего леса по формуле M (т га-1) = 0.0006 C U t (коэффициент 0.0006 появляется из-за используемых в формуле размерных единиц). Исходя их приведенных выше величин находим, что с одного гектара в атмосферу
попадает от « 0.2 до « 1 тонны дымового аэрозольного вещества, что составляет от 1 до 7% от сгоревшей биомассы (10-30 т/га, наши данные).
Дисперсные и морфологические свойства дымовой эмиссии
Дисперсные характеристики
дымовых частиц определялись in situ методами инерционной каскадной импакции и оптическими счетчиками (анализаторами) аэрозольных частиц. Частицы, осажденные на разные каскады (пластины) инерционного импактора, фотографировались в цифровом формате. Для определения дисперсных свойств
сфотографированных частиц
применялись компьютерные
программные средства MapInfo. Количество осажденного аэрозольного
100'
5-я ступень 89.1 +-7.3 %
Л
I 80'
сЗ
С
40-
сч
п
о
5
20 ■
х
н
О
4-я ступень
6.9 +- 5.9%
3-я ступень 2-я ступень 2.4 +-2.1% 1.1 +- 1.0 %
~Г
10 20 30
1-я ступень 0.5 +- 0.6 % "Г 40
Аэродинамический диаметр частиц, |Ш1
Рис.1. Гистограммное массовое распределение дымовой эмиссии по пяти дисперсным фракциям (усреднение по данным от 19 пожарных опытов 2007-10 гг.)
0
0
и
и
ч
и
ч
и
&
3
а
к
8
я
и
и
Одномодовое распределение:
а) счетная функция распределения
б) массовая функция распределения /в) вертикальная линия 0,56 мкм - среднегеометрический диаметр ' г) вербальная линия 0,99 мкм - медианно-массовый диаметр
Уширенная одна мода(вероятно, наложение двух мод):
. а) счетная функция распределения ' б) массовая функция распределения
в) вертикальная линия 1,11 мкм - среднегеометрический диаметр
г) вертикальная линия 1,99 мкм - медианно-массовый диаметр
Двухмодовое распределение (счетная функция) при слабом тлеющем горении
Диаметры частиц, дт
Рис. 2. Функции счетного и массового распределений тонких фракций дымовой эмиссии при разных режимах горения (счетная функция -процентная доля числа частиц в расчете на 1 мкм, % частиц мкм^ массовая функция - процентная доля массы на 1 мкм, % массы мкм1
вещества на фильтрах и каскадах/пластинах определялось взвешиванием, элементный и
углеродный химический состав осажденных частиц - методами рентгено-флуоресционного анализа с синхротронным излучением (РФА СИ) и газовой хроматографии. Дисперсные характеристики, химический состав и морфологические свойства дымовых частиц представляют особый интерес.
Наибольшей способностью к
рассеянию солнечного света обладают частицы субмикронных размеров, наибольшее поглощение имеют частицы, состоящие из обугленных материалов (элементный углерод, сажа). Длительность витания в атмосфере аэрозольных частиц сильно зависит от их размеров. Субмикронные и микронные частицы «живут» в
реальной атмосфере 10-15 дней (за это время они «вымываются» дождевыми осадками), однако частицы размером 30-50 мкм осели бы на землю в течение нескольких часов. На рис. 1 в гистограммном виде показано массовое распределение по дисперсным фракциям дымовой эмиссии, раздельно собранной на пять ступеней каскадного импактора. Распределение получено при усреднении данных от 37 импакторного измерения фракционного состава эмиссии в 19 натурно-модельных пожарах. Как видим, основная масса дымовой аэрозольной эмиссии, 90-95 %, заключена в весьма тонких частицах менее 3-5 мкм. Суммарная доля грубодисперсных частиц, крупнее 5-7 мкм, относительно мала, около 5-10 %. Измерения оптическим счетчиком тонких фракций дымовой эмиссии (« 0.3 -8 мкм, соответствующие 4-й и 5-й ступеням импактора) показали, что среднегеометрические размеры частиц при разных условиях горения биомассы варьировались в диапазоне 0.35 - 1.0 мкм, а медианно-массовые размеры с1т « 1-2 мкм (рис. 2). Стандартное геометрическое отклонение сгё для логнормального распределения по размерам равнялось 1.6 -1.7, так что 92-98 % массы дымового вещества заключены в частицах менее 3-5 мкм (< ёт(г:), что соответствует импакторным данным.
Морфологические структуры грубодисперсных дымовых частиц, 20-50 мкм и более, соответствуют как минерально-почвенным веществам (кварцевые песчинки), так и не полностью сгоревшим растительным (пепловым) крупинкам (рис. 3 и 4).
Рис. 3. Дымовые частицы, осажденные Рис. 4. Дымовые частицы, осажденные на 1-ом каскаде инерционного на 2-ом каскаде инерционного
импактора импактора
Тонкие дымовые частицы содержат в себе вещества, характерные для лесной биомассы (хвойные смолы, лигнины), а также довольно много черного элементного углерода (рис. 5 и 6). Смолистые частицы образуются, главным образом, при тлеющем горении смолистой хвойной древесины, черные обугленные частицы - при интенсивном пламенном горении.
Рис. 5. Осадок дымовых частиц на 4ом каскаде импактора, образующие слой смолистого вещества желтокоричневого цвета
Рис. 6. Смолистые дымовые частицы, осажденные на 4-м каскаде импактора (концентрация и время набора дыма были намного меньше, чем на рис. 5)
Работа была поддержана Международным научно-техническим центром (ISTC Project 3695) и грантами РФФИ 08-05-00083 и 11-05-01025
© Ю.Н. Самсонов, О.В. Чанкина, О.А. Беленко, 2011
