CC BY
88
ЭМИССИИ ЛЕСНОГО ПОЖАРА В ЦЕНТРАЛЬНОЙ СИБИРИ
Константин Петрович Куценогий
Институт химической кинетики и горения СО РАН, 630090, г. Новосибирск, ул. Институтская, 3, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник, тел. (383) 3333753, e-mail: koutsen@kinetics.nsc.ru
Эрик Николаевич Валендик
Институт леса им. В.Н. Сукачёва СО РАН, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50/28, доктор сельско-хозяйственных наук, главный научный сотрудник, тел. (391) 2494462, e-mail: institute@forest.akadem.ru
Николай Сергеевич Буфетов
Институт теплофизики СО РАН, 630090, г. Новосибирск, Просп. Академика Лаврентьева, 1, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, тел. (383) 3308480
Валерий Борисович Барышев
Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, 630090, г. Новосибирск, Просп. Академика Лаврентьева, 11, научный сотрудник, тел. (383) 3307163, e-mail: V.B.Baryshev@inp.nsk.su
Исследованы эмиссии аэрозольных образований при экспериментальном лесном пожаре в Центральной Сибири. Получены морфологические характеристики дисперсных частиц и данные по их элементному составу. Проведено сравнение полученных результатов с литературными данными.
Ключевые слова: лесной пожар, эмиссии аэрозолей, элементный состав.
EMISSION OF FOREST FIRE IN CENTRAL SIBERIA Konstantin P. Koutsenogii
Institute of Chemical Kinetics and Combustion, SB RAS, 630090, Novosibirsk, ul. Institutskaya, 3, PhD, principle researcher, tel. (383) 3333753, e-mail: koutsen@kinetics.nsc.ru
Erik N. Valendik
V.N. Sukachev Institute of Forest, SB RAS, 660036, Krasnoyarsk, Akademgorodok, 50, PhD, principle researcher, тел. (391) 2494462, e-mail: institute@forest.akadem.ru
Nikolai S. Bufetov
Institute of Thermal Physics, SB RAS, 630090, Novosibirsk, prospect Lavrentyeva, 1, PhD, senior researcher, tel. (383) 3308480
Valeriy B. Baryshev
Budker Institute of Nuclear Physics, SB RAS, Novosibirsk, 630090, Novosibirsk, prospect Lavrentyeva, 11, PhD, senior researcher, тел. (383) 3307163, e-mail: V.B.Baryshev@inp.nsk.su
A study was made of aerosol emission from forest fire in Central Siberia. Morphological characteristics of disperse particulates and the data on their element composition were obtained. Results were compared with the literature information.
Лесные пожары являются мощным источником загрязнения окружающей среды [1,2]. Состав эмиссий зависят от типа и количества горючих материалов, вида растительности, метеорологических условий и режимов горения. Из-за сложности и многообразия факторов, влияющих на продукты горения, до настоящего времени не существует строгих теоретических моделей, которые позволяли бы по исходным данным рассчитывать указанные выше характеристики. К настоящему времени наиболее полные данные получены по измерению характеристик аэрозолей при горении лесов и саван тропической зоны [3,4]. Что касается характеристик аэрозолей, образующихся при горении бореальных лесов, то их немного [5-9]. Поэтому получение данных по составу эмиссии при лесных пожарах актуально.
Объекты и методика
Исследования размера и состава аэрозолей, генерируемых лесным пожаром, проведены нами во время эксперимента по моделированию поведения крупного лесного пожара и горению биомассы (FIRESCAN) [10], проведенном в 1993 году в Красноярском крае на площади 49 га.
Экспериментальный участок (60 46'с.ш. и 89 30'в.д.) расположен в бассейне реки Дубчес на Сымской равнине Западно-Сибирской низменности и представляет собой плоскую песчанную гриву, окруженную травяносфагновыми и крупноосоковыми болотами. Тип почв железистые подзолы. Сосняк лишайниковый пирогенного происхождения является типичным представителем среднетаежных сосняков Центральной Сибири. Возраст 130180 лет. Средний диаметр 18 см, средняя высота 17 м. Густота древостоя 1470 деревьев на га. Подлесок представлен Rosa acicularis, Salix caprea, редкий. Подрост представлен Pinus sylvestris и Pinus sibirica до 1 тыс. экз. /га. Напочвенный покров с четко выраженной мозаичностью. Лишайниковая синузия четко приурочена к вершинам бугров и представлена лишайниками вида Cladina stellaris, C. silvatica, C. rangiferina, C. uncialis. Примесь мха незначительна, доминирует Pleurozium schreberi. Запас живых деревьев сухостоя и валежа соответственно - 248, 14,6, 17,3 м3 на га. Захламленность участка неравномерная. общий запас биомассы живого напочвенного покрова на участке составил - 15,9 т/га, опада и подстилки - 17,6 т/га. По неглубоким западинам представлены кустарничково-зеленомошные синузии Vaccinium vitis-idaea, V myrtillus, V uliginosum, Ledum palustre.
Во время эксперимента на большей территории участка развился низовой пожар, периодически переходящий в верховой, которым было пройдено до 30% площади. Скорость распространения кромки пожара достигала 0,42 м/с. Теплота выделения при горении составляла 18 000 кДж/кг, а интенсивность кромки фронта пожара - 25 800 кВт/м. Высота дымовой колонки достигала примерно 5000 м. Напочвенный покров был уничтожен огнем местами до минерального слоя.
Отбор проб аэрозолей, образующихся при горении, при эксперименте проводили из дымовой колонки на высотах от 500 до 1500 м с помощью
четырех заборных устройств, смонтированных на шасси вертолета МИ-8. Аэрозоли осаждались на фильтрующих материалах при многократных пролетах сквозь дымовую колонку на различных высотах, и поэтому результаты анализа состава частиц несут усредненную информацию по времени и высотам.
Для выяснения характера распределения элементов по частицам различного размера использовали виртуальный импактор. Определение элементного состава проб аэрозолей проводили методом XRSR [11].
Результаты исследования
Анализ полученных данных показал, что одним из основных элементов минеральной компоненты аэрозолей, образовавшихся при горении, является кальций. Это хорошо согласуется с элементным составом лесных горючих материалов, приведенных ранее данных [12, 6], согласно которым элементный состав растительных горючих материалов существенно различается у разных видов растительности. Для каждого элемента относительное содержание может изменяться до десяти и более раз. Элементный состав растительности значительно отличается от кларкового содержания земной коры (crust) и почвы.
Состав аэрозолей, образовавшихся при горении горючих материалов в сосняке, отличен как от кларкового состава, так и от состава атмосферных аэрозолей фоновых районов Сибири. Значительны и различия многоэлементного состава аэрозолей лесного пожара и от состава аэрозолей, образующихся при горении биомассы в Бразилии [3]. В то же время, относительное содержание таких элементов, как Mn, Ca, S, в аэрозолях лесного пожара, находится в пределах колебаний этих элементов в растительности соснового насаждения. Поэтому можно предположить, что элементный состав аэрозолей, образующихся при лесном пожаре, определяется типом и количеством сгорающих горючих материалов.
Ионный состав аэрозолей при пожаре в среднетаежном сосняке, также сильно отличается от ионного состава аэрозолей от пожаров лесов субтропической зоны [13]. Основным анионом в аэрозолях при лесном пожаре в Средней Сибири является сульфат, а при горении биомассы в субтропиках сульфаты и нитраты содержатся примерно в равных соотношениях. Среди азотсодержащих компонентов химического состава аэрозолей, возникших при лесных пожарах субтропиков Северной Америки, основную долю составляют нитраты. Это позволяет оценить с достаточной точностью отношение S/N в массовом балансе аэрозольных частиц. Для субтропической Североамериканской зоны оно близко к 1,5. В аэрозолях сибирских лесных пожаров сульфаты заметно превосходят нитраты. В то же время в основных составляющих лесных горючих материалов сосняков S/N в среднем близко к 0,2. Поэтому вопрос об оценке химического состава аэрозолей, образующихся при горении биомассы, требует дальнейших исследований.
Массовые концентрации элементов, определенные при отборе различными устройствами, хорошо совпадают друг с другом, что указывает на достоверность полученных результатов. Основная масса определенных элементов, как это следует из результатов анализа проб, отобранных
виртуальным импактором, находится в субмикронной фракции аэрозольных частиц.
Оценки же, основанные на анализе электронно-микроскопических снимков [5], показали, что значительная часть массовой концентрации должна находиться в грубодисперсной фракции. Это противоречие, по-видимому, связано с тем, что при расчетах считалось, что плотность одинакова для частиц всех размеров. Известно, что крупные частицы, которые образуются при горении ископаемых и твердых смесевых топлив, как правило, имеют пористую структуру, и их плотность намного меньше единицы. Если это принять во внимание, то указанное противоречие устраняется, если плотность грубодисперсных частиц будет меньше 0,2 г/см3. Таким образом, можно допустить, что основная масса аэрозолей, выносимых из зоны горения мощной конвективной колонкой, состоит из частиц субмикронного размера. Это означает, что при высоте дымовой колонки в несколько километров при лесных пожарах в Сибири можно ожидать воздействия дымового шлейфа на расстояние сотен и даже тысяч километров.
Распределение элементов в аэрозолях, образовавшихся при горении биомассы в тропической зоне в Южно-Американском регионе [3] и в районе Сибири [5], существенно различается. В первом случае большинство элементов находится в грубодисперсной фракции, во втором практически все измеренные элементы находятся в субмикронной фракции. Необходимо отметить, что данные о многоэлементном составе аэрозолей, образующихся при горении биомассы, получены различными методами, что также может привести к некоторому расхождению этих данных.
Подтверждением правильности такого вывода, в частности, могут служить и данные, приведенные в работе [3], которые подтверждают, что многоэлементный состав аэрозолей существенно изменяется как от местности, где проводился отбор, так и от режима горения. Авторы подчеркивают различия в составе аэрозолей, образующихся при горении биомассы во влажных тропических лесах и центральной части Бразилии. Заметна также разница в мощности эмиссии аэрозолей в режимах пламенного и тлеющего горения. На значительные различия в характеристиках аэрозолей указывает и анализ данных о многоэлементном составе частиц, проведенный нами.
Прежде всего, необходимо заметить, что средние значения относительной концентрации элементов Х^ (отношение концентрации рассматриваемого элемента к концентрации Fe) для подавляющего числа элементов имеют большой разброс. Так, среднее геометрическое отклонение этой величины почти в 60 % превышает 3 (^ > 3). Такой разброс наблюдается как для грубодисперсной, так и для субмикронной фракции.
Выводы:
Проведенные нами исследования эмиссии при лесном пожаре позволили получить данные о структуре, составе, размере и концентрации частиц, образующихся при горении биомассы в сосняках Средней Сибири.
Многоэлементный состав аэрозолей, образующихся при лесных пожарах, в разных почвенно-климатических зонах существенно отличается, что связано
как с различием в исходном составе лесных горючих материалов, так и закономерностей горения. Сравнение многоэлементного состав различных лесных горючих материалов и состава аэрозолей, образовавшихся при их горении, показало, что относительное распределение элементов в лесных горючих материалах сильно варьирует, что затрудняет количественную интерпретацию данных по составу аэрозольных частиц. Для корректности такого сопоставления необходимы дополнительные эксперименты по изучению свойств аэрозолей, образующихся при горении индивидуальных компонент лесных горючих материалов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Crutzen P.J., Delany A.C., Greenberg J., Haagenson P., Heidt L., Lueb R., Pollock W., Seiler W., Wartberg A., and Zimmerman P., Tropospheric chemical composition measurements in Brazil during the dry season, J. Atmos. Chem. 1985, 2, 233-256,
2. Crutzen P.J. and M.O. Andreae, Biomass burning in the tropics: Impact on atmospheric chemistry and biogeochemical cycles, Science, 1990, 250, 1669-1678.
3. Artaxo P., M. A. Yamasoe, J, V. Martins et at. Case stady of atmospheric measurements in Brazil: Aerosol emissions from Amason Basin biomass burning/ In:Fire in the Environment: The Ecological, Atmospheric, and Climatic Importance of Vegetation Fires. Ed. by P. J. Crutzen and J. G. Goldammer, 1993, 139-158.
4. Lacaux J. P., H. Cachier, R. Delmas. Biomass burning in Africa: An overview of its impact on atmospheric chemistry. In: Fire in the environment: The ecological, atmospheric and climatic impotance of vegetation fires, 1993, 159-191.
5. Куценогий К.П., Э.Н. Валендик, Н.С. Буфетов, В.Б. Барышев. Эмиссии крупного лесного пожара в Сибири. Сибирский экологический журнал, 1996, т. 3, №1, с. 93-103.
6. Куценогий К.П., О.В.Чанкина, Г.А. Ковальская, Т.И. Савченко, Г.А. Иванова, А.В. Иванов, П.А. Тарасов. Постпирогенные изменения элементного состава лесных горючих материалов и почв в сосновых лесах Средней Сибири. Сибирский экологический журнал. 2003, Т.10, № 6, с. 735-742.
7. Иванов А.В., Макаров В.И. Оценка объема эмиссий при сгорании некоторых видов лесных горючих материалов // Оптика атмосферы и океана. Томск 2002, том 15, №5-6, с.488-490.
8. Samsonov Y.N., K. P. Koutsenogii, V.I. Makarov, A. V. Ivanov, V. A. Ivanov, D. J. McRae, S.G. Conard, S.P. Baker, and G. A. Ivanova. Particulate emissions from fires in central Siberian Scots pine forests / Canadian journal of forest research.-2005.-Vol.35, №9. Pages 2207-2217.
9. 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, с. 423-431.
10. FIRESCAN. Fire in Boreal ecosystems of Eurasia: First results of the Bor forest island fire experiment, fire research campaign Asia-North. //World Resource Review. Ed. J. G. Goldammer. 1994, Vol.6., No.4. Pp. 499-523.
11. Baryshev V. B., N. S. Bufetov, K. P. Koutzenogii et al., Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, 1995, A359, 297-301.
12. Конев Э. В., Физические основы горения растительных материалов, Новосибирск, Наука, Сиб, отд-ние, 1977, 239 c.
13. Cofer W. R. III, J. S. Levine, D. I. Sebacher et al., Trace gas emissions from a midlatitude prescribed chaparral fire, J. Geophys. Res., 1988, 93, 1653-1658.
© К.П. Куценогий, Э.Н. Валендик, Н.С. Буфетов, В.Б. Барышев, 2012
