CC BY
112
УДК 541.182.3:551.510.552
1 2 3
Ю.Н. Самсонов , О.А. Беленко , В.А. Иванов
1 Институт химической кинетики и горения СО РАН, Новосибирск Сибирская государственная геодезическая академия, Новосибирск 3 Сибирский государственный технологический университет/Институт леса СО РАН, Красноярск
ДЫМОВАЯ АЭРОЗОЛЬНАЯ ЭМИССИЯ ПРИ ЛЕСНЫХ ПОЖАРАХ В ЦЕНТРАЛЬНОЙ СИБИРИ
В статье представлены количественные данные по дисперсным распределениям дымовой аэрозольной эмиссии, полученные при проведении 18 натурно-модельных пожарных опытов непосредственно на таежной территории Красноярского края в 2007-09 гг.
1 2 3
Yu.N. Samsonov , O.A. Belenko , V.A. Ivanov
1 Institute of Chemical Kinetics and Combustion, SB RAS, Novosibirsk, Russia Siberian State Academy of Geodesy (SSGA), Novosibirsk, Russia Siberian State Technological University/Institute of Forest, SB RAS, Krasnoyarsk
SMOKE PARTICULATE EMISSION FROM FOREST FIRES IN CENTRAL SIBERIA
The paper presents quantitative data on the dispersal distributions of smoke particulate emissions from 18 modeling fires conducted at a taiga territory of the Krasnoyarsk region in 200709.
Введение
Спутниковые наблюдения показывают, что пожары ежегодно происходят на площади 10-14 млн. га в лесных 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 (собственные и литературные данные), 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 (иногда именуется сажей или black carbon, что не всегда идентично). Такие частицы, 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 потенциальное климатическое действие аэрозольной эмиссии (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 крупномасштабных лесных пожаров являются необходимыми для создания и верификации компьютерных моделей глобального или регионального погодно-климатического тренда. Они важны в
исследованиях оптических и химических свойств атмосферы, а также для оценок респираторного качества приземного воздуха.
В статье представлены результаты по дисперсным и морфологическим свойствам дымовой эмиссии, полученные в 2007-09 гг. в рамках исследований пожаров в лесах Красноярского края, проводимых совместно российскими специалистами (Институт леса СО РАН, Институт химической кинетики и горения СО РАН, Сибирская государственная геодезическая академия) и коллабораторами из Лесных служб США и Канады. Исследования дымовой эмиссии от лесных пожарах проводятся около 10 лет, результаты представлены в нескольких публикациях. Однако по-прежнему необходимы сведения о химическом и дисперсном составах дымовой эмиссии при лесных пожарах. Дисперсные и морфологические характеристики дымовых частиц могут дать информацию о феноменологическом и физико-химическом механизмах аэрозолеобразования при разных режимах горения биомассы.
Проведение натурно-модельных лесных пожаров и отбор аэрозольных дымовых проб для анализа химического состава
Исследования 2007-09 гг. проводились в виде натурно-модельных пожаров на таежной территории в среднем течении р. Ангара. Для каждого опыта (всего 18) на лесной территории формировалась площадка 6 х 12м(100х ЮОмв трех опытах 2007 г.). Над площадками, на высоте 0.5-1.5 м, устраивалось покрытие из полиэтиленовой пленки, которое сохраняло их сухими в дождливую погоду (лето 2008 г.). Вокруг площадок формировались защитные полосы в виде почвенных полос, препятствующих выходу огня за пределы площадок (в виде лесных просек вокруг участков 100 х 100 м в опытах 2007 г.). 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 (10-30 т/га). Зажигание проводилось в виде «огневой ленты» по наветренному краю площадки. Скорость продвижения огневого фронта зависела от условий опыта (запас горючего материала на площадке и его сухость, сила приземного ветра) и варьировалась от 0.5 м/мин (2007 г.) до 3 м/мин. При пред-пожарных учетах, а также во время и после проведения опыта велись документальные записи, позволяющие сохранить сведения об условиях и характере каждого пожара. Это является преимуществом натурно-модельных пожарных опытов, позволяющих проводить комплексные исследования лесных пожаров в контролируемых и документируемых условиях. Проведение учетов и контролируемых измерений при стихийных лесных пожарах практически невозможно. Во время горения и некоторое время после того, как огневой фронт дошел до края площадки, производился отбор дымовых аэрозолей прокачкой дыма через аэрозольные фильтры двух типов: фильтры АФАХА из тонко-волоконного полимерного материала и стекловолоконные фильтры Gelman. Объемные скорости и длительности прокачки составляли 120-130 л/мин и 3-6 мин для фильтров АФАХА, 30 л/мин и 5-10 мин - для фильтров Gelman.
Это позволяло в течение каждого опыта (2-3 часа для участков 100 х 100 м, 30 мин для площадки 12 м) собирать 4-8 проб на стекловолоконные и 6-12 проб на полимерные фильтры. Фильтры заранее просушивались в течении 5-7 дней над слоем свежепрокаленного цеолита до полной сухости, взвешивались и хранились в пластиковых пакетах. После опытов фильтры доставлялись в лабораторию, где вновь проводилось «просушивание и взвешивание». Таким способом определялась масса аэрозольного вещества, собранного на фильтре, по этим данным рассчитывались массовые концентрации дыма в местах отбора проб. Во время опытов фильтродержатели удерживались над горящей/дымящей поверхностью на высоте 0.5-1 м, потоки дыма имели здесь почти вертикальное восходящее движение. В такой позиции на фильтры попадали только что образовавшиеся «горячие» аэрозоли, еще не подвергнутые вторичным физико-химическим трансформациям (насыщению атмосферной влагой) и химическим реакциям в свободной атмосфере (с окислами азота и серы). В этом также заключается особенность модельных пожарных опытов, в которых имеется возможность отбора дымовых аэрозолей с их исходным химическим составом.
Отбор дымовых проб для определения дисперсных и морфологических свойств дымовой эмиссии
С целью определения дисперсных характеристик эмиссии производилось осаждение дымовых частиц на рабочие ступени инерционных импакторов двух типов: в диапазоне от « 50 до ~ 0.1 мкм - на пятиступенчатый каскадный импактор (сконструирован и изготовлен в ИХКГ СО РАН, принцип импакции основан на поворотах воздушно-дымового потока на 90° на каждом каскаде и его ускорении для последующего каскада); в диапазоне от «5-10 до ~ 100 мкм -на т.н. ротационный импактор открытого типа. Технические характеристики каскадного импактора следующие: на первой ступени осаждаются частицы с аэродинамическими диаметрами свыше 33 мкм, на второй - в диапазоне 33-19 мкм, на третьей - 19-7.5 мкм, на четвертой - 7.5-3 мкм. Первые четыре ступени представляют собой стеклянные пластины, лицевые стороны которых были покрыты тонким липким слоем Апиезона. Пластины просушивались и взвешивались, после опытов вновь проводилось просушивание и взвешивание, позволяющее определить количество осевшего на них дымового вещества той или иной дисперсной фракции. Пластины с частицами фотографировались на цифровом микроскопе Axioscope 2 plus. Для определения дисперсных свойств сфотографированных частиц применялись компьютерные программные средства MapInfo. Пятая ступень представляет собой два последовательно закрепленных фильтра АФАХА, на которых осаждаются частицы с размерами менее 3 мкм. Количество осажденного вещества на фильтрах определялось взвешиванием, элементный химический состав - методом рентгено-флуоресционного анализа с синхротронным излучением (РФА СИ).
Ротационный импактор представляет из себя металлический стержень с длинами плеч 20 см. Центр стержня закреплен на оси электромотора, вращающейся с частотой около 3 000 об/мин. На разных расстояниях от оси, от 5 до 20 см, на стержне закреплены узкие (3-4 мм), но длинные (25-30 мм)
стеклянные пластины, покрытые слоем Апиезона. Вращающиеся пластинки вводились в дым на 15-30 сек, здесь происходила импакция дымовых частиц на пластины. Во время пожарных опытов также применялся оптический счетчик аэрозольных частиц ПЕСЗВ 906 для измерения дисперсных характеристик тонких фракций дымовой эмиссии в диапазоне « 0.3-10 мкм. Чтобы отсасывать частицы непосредственно из высокотемпературной зоны горения с помощью металлической трубки, поток горячего дыма из трубки смешивался с избытком холодного воздуха, охлажденная таким образом смесь поступала в счетчик.
Распределение дымовой аэрозольной эмиссии по дисперсным фракциям
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 формально могли бы жить там месяцами (в реальной атмосфере частицы живут 10-15 дней, поскольку они «вымываются» дождевыми осадками), однако частицы размером 30-50 мкм осели бы на землю в течение нескольких часов (дым при наземном пожаре поднимается на высоту 0.3-1 км, при крупномасштабных интенсивных пожарах дым поднимается на 35 км). 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 31 импакторного измерения фракционного состава эмиссии в 16 натурно-модельных пожарах, проведенных как на небольших площадках 6 х 12 м, так и на крупных участках 100 хЮО м (2007 г.). Средние доли дисперсных фракций и их стандартные отклонения таковы: 1-я ступень (частицы крупнее 33 мкм по аэродинамическому диаметру) - 0.5 ± 0.6 %; 2-я ступень (интервал 3319 мкм) - 1.2 ± 1.0 %; 3-я ступень (19-7.5 мкм) - 2.5 ±2.1 %; 4-я ступень (7.5-3 мкм) - 7.1 ± 5.9 %; 5-я ступень (менее 3 мкм) - 88.7 ± 7.7 %. Как видим, основная масса дымовой аэрозольной эмиссии, свыше 90 %, заключена в весьма тонких частицах менее 7.5 мкм (в реальности менее 3-5 мкм, см. далее). Суммарная доля грубодисперсных частиц, крупнее 7.5 мкм, относительно мала, около 5 %. Необходимо сделать уточнение, касающееся метода инерционной импакции грубых аэрозолей. Известно, что крупные частицы (диаметром 20-50 мкм и больше), переносимые в дымовом потоке, очень трудно «повернуть и втянуть» в импактор и затем довести до 1-й ступени без потерь на входном отверстии и стенках подводящих каналов. Во-вторых, речь идет об объектах, возникших вследствие выгорания органического материала из первичной растительной крупинки. После (почти) полного выгорания органики образуется пепловая частица, состоящая из остаточного углеродного материала (обугленная целлюлоза) и остаточного минерального вещества (К2СО3 и СаСО3). Пепловая частица обычно имеет тонкую пластинчатую форму, она механически непрочная. При попадании в быстрый и резко изменяющийся по направлению
воздушный поток в каналах импактора (или же при столкновении с пластиной импактора) она может разрушиться, давая осколки, способные долететь до последующих ступеней. Оба случая имеют место в наших опытах, так что истинное распределение должно быть несколько иным: - чуть больше вещества на 1-й и 2-й ступенях (вероятно 5-10 % суммарно), но поменьше на 4-й и 5-й ступенях (это показано на рис. 1 в виде условной кривой поверх самой гистограммы). Однако из данных следует, что массовая доля малых частиц, 3-5 мкм и меньше, всегда является преобладающей. Измерения оптическим счетчиком тонких фракций дымовой эмиссии, соответствующих 4-й и 5-й ступеням импактора, показали (рис. 2 с дифференциальными функциями распределения счетных концентраций), что средне-счетные размеры частиц при разных условиях горения биомассы варьировались в диапазоне 0.3-0.7 мкм (медианно-массовые размеры ¿4 около 1-2 мкм). Стандартное геометрическое отклонение стё для логнормального распределения по размерам равнялось 1.61.7, так что 92-98 % массы дымового вещества заключены в частицах менее 3-5 мкм {<с!т<у1), что соответствует импакторным данным. Весьма близкие
логнормальные распределения тонких фракций дымовых аэрозолей были найдены при горении лесов в Северной Америке. Морфологические структуры грубодисперсных дымовых частиц, 20-50 мкм и более, соответствуют как минерально-почвенным веществам (кварцевые песчинки), так и не полностью сгоревшим растительным крупинкам (пепел). Тонкие дымовые частицы обычно содержат в себе вещества, характерные для лесной биомассы (желтокоричневые хвойные смолы и лигнины), а также довольно много (черного) элементного углерода.
100
5-я ступень
I 250
89%
0х
I Интенсивное "чистое" пламя
и
® 100
О
1-я ступень
0.5
Диаметры частиц, щп
10 20 30 40 50
Аэродинамический диаметр частиц, дт
Рис. 1. Гистограмма массового распределения дымовой эмиссии по дисперсным фракциям
Рис.2. Дифференциальные функции распределения относительных счетных концентраций тонкодисперсных дымовых частиц
Работа была поддержана Международным научно-техническим центром (ISTC Project 3695) и грантом РФФИ 08-05-00083
© Ю.Н. Самсонов, О.А. Беленко, В.А. Иванов, 2010
