CC BY
9
ISSN 1026-2237 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. NATURAL SCIENCE. 2023. No. 1
Научная статья УДК 502.58
doi: 10.18522/1026-2237-2023-1-87-100
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ МАГНИТНЫХ И ГРАВИТАЦИОННЫХ АНОМАЛИЙ НА ФОРМИРОВАНИЕ ГРОЗОВЫХ ПОЖАРОВ НА ТЕРРИТОРИИ РЕСПУБЛИКИ АЛТАЙ
Андрей Владимирович Каранин113, Марина Юрьевна Беликова2
2Горно-Алтайский государственный университет, Горно-Алтайск, Республика Алтай, Россия 'vedmedk@bk. ru я 2belikovamy@yandex.ru
Аннотация. Цель работы — оценка связи между молниевыми разрядами и пожарами от гроз с интенсивностью гравитационных и магнитных аномалий на территории Республики Алтай. Информационной базой исследования послужили данные о молниевых разрядах и грозовых пожарах, зарегистрированных в 2016—2020 гг.
Обнаружена положительная корреляционная связь между плотностью молниевых разрядов и значениями магнитных аномалий (rs = 0,62, p < 0,01). Выявлено, что основной диапазон грозовых пожаров (98 %) располагается в интервале от -191,5 до 243,5 нТл, однако достоверной корреляционной связи пожаров со значениями магнитного поля не отмечено.
Установлено, что риск возникновения грозового пожара, определяемый как количество молниевых разрядов на один пожар (где большее количество разрядов на пожар соответствует меньшему риску), возрастает при увеличении значений магнитных аномалий, что подтверждается отрицательной корреляционной связью (rs = -0,72, p<0,01).
По гравитационным аномалиям получены значимые отрицательные коэффициенты корреляции в отношении плотностей молниевых разрядов (rs = -0,57, p < 0,02) и пожаров от гроз (rs = -0,72, p < 0,01). Таким образом, для рассматриваемой территории можно говорить о тяготении гроз и природных пожаров к отрицательным гравитационным аномалиям.
Работа выполнялась на основе данных регистрации молниевой активности WWLLN и данных о пожарах, представленных Министерством природных ресурсов, экологии и туризма Республики Алтай и Алтайским государственным природным биосферным заповедником.
Ключевые слова: природный пожар, молния, магнитные аномалии, гравитационные аномалии, WWLLN, Республика Алтай, плотность молниевых разрядов, плотность грозовых пожаров
Благодарности: авторы работы признательны Министерству природных ресурсов, экологии и туризма Республики Алтай и сотрудникам Алтайского государственного природного биосферного заповедника за предоставленные сведения и сотрудничество.
Кроме того, авторы благодарны коллаборации Всемирной сети регистрации молниевых разрядов (World Wide Lightning Location Network (http://wwlln.net)) за предоставление данных, использованных вра-боте.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Республики Алтай в рамках научного проекта № 20-45-040012.
Для цитирования: Каранин А.В., Беликова М.Ю. Оценка влияния магнитных и гравитационных аномалий на формирование грозовых пожаров на территории Республики Алтай // Известия вузов. СевероКавказский регион. Естественные науки. 2023. № 1. С. 88-101.
Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY4.0).
© Каранин А.В., Беликова М.Ю., 2023
Original article
ASSESSMENT OF THE MAGNETIC AND GRAVITATIONAL ANOMALIES INFLUENCE ON THUNDERSTORM FIRES FORMATION ON THE ALTAI REPUBLIC TERRITORY
Andrey V. Karanin1^, Marina Yu. Belikova2
2Gorno-Altaisk State University, Gorno-Altaisk, Altai Republic, Russia 'vedmedk@bk. ru M 2belikovamy@yandex.ru
Abstract. The purpose of this paper is to assess the influence of gravitational and magnetic anomalies on density of lightning discharges and thunderstorm fires on the territory of the Altai Republic. The information base was represented by data on lightning discharges and thunderstorm fires registered in 2016-2020.
A positive correlation between the density of lightning discharges and the values of magnetic anomalies was revealed (rs = 0.62, p < 0.01). The main range of thunderstorm fires (98 %) is in the interval from -191.5 to 243.5 nanotesla, however, there was no significant correlation between fires and magnetic field values.
It was found that the risk of a thunderstorm fire, defined as the ratio of the lightning discharges number per fire (where a greater number of discharges per fire corresponds to a lower risk), shows an increase in the values of magnetic anomalies, which is confirmed by a negative correlation (rs = -0.72, p<0.01).
Significant negative correlation coefficients were obtained for the lightning discharges densities and gravitational anomalies (rs = -0.57, p < 0.02), the thunderstorm fires densities and gravitational anomalies (rs = -0.72, p < 0.01). Thus, for the Altai Republic territory, thunderstorms and natural fires tend towards negative gravity anomalies.
The work was performed on the basis of WWLLN lightning activity registration data and fire data provided by the Ministry of Natural Resources, Ecology and Tourism of the Altai Republic and the Altai State Natural Biosphere Reserve.
Keywords: natural fire, lightning, magnetic anomalies, gravitational anomalies, WWLLN, Altai Republic, density of lightning discharges, density of thunderstorm fires
Acknowledgments: the authors are grateful to the Ministry of Natural Resources, Ecology and Tourism of the Republic of Altai and the staff of the Altai State Natural Biosphere Reserve for the provided information and cooperation.
In addition, the authors are grateful to the World Wide Lightning Location Network (http://wwlln.net) collaboration for providing the data used in the work.
The study was financially supported by the Russian Foundation for Basic Research and the Republic of Altai within the framework of scientific project No. 20-45-040012.
For citation: Karanin A.V., Belikova M.Yu. Assessment of the Magnetic and Gravitational Anomalies Influence on Thunderstorm Fires Formation on the Altai Republic Territory. Bulletin of Higher Educational Institutions. North Caucasus Region. Natural Science. 2023;(1):88-101. (In Russ.).
This is an open access article distributed under the terms of Creative Commons Attribution 4.0 International License (CC-BY4.0).
Введение
Одной из существенных угроз для лесных, лесостепных и степных природных комплексов являются пожары. Воздействие этих катастрофических явлений на биосферу не ограничивается пирогенной деградацией растительности в пределах ареалов гарей. Во время горения происходит выброс существенного количества углекислого газа [1], в атмосферу поступают токсичные газы и аэрозоли [2]. Дым, состоящий из множества мелких частиц, влияет на поглощение солнечной радиации, что приводит к изменению локального температурно -влажностного
режима [3]. Особенно опасными в плане последствий являются природные пожары, которые происходят в труднодоступной местности. Вследствие своей удаленности они не всегда могут быть вовремя локализованы и нередко охватывают значительные площади.
Основными природными инициаторами возгорания растительности являются грозы. Пространственное распределение гроз носит неоднородный характер и зависит от множества факторов: конвективных явлений в атмосфере, наличия аэрозолей, условий увлажнения, иных особенностей подстилающей поверхности и воздуха. Отдельный интерес среди этого многообразия факторов представляют геофизические (гравитационные и магнитные аномалии), которые могут выступать аттракторами наземных молниевых разрядов и способствовать формированию участков повышенной пожарной опасности.
Влияние гравитационных характеристик территории на динамику атмосферы и образование гроз изучалось в работах [4-6]. Очаги молниевых разрядов тяготеют к областям с отрицательными гравитационными аномалиями. Как исключение отмечен грозовой очаг в районе Индонезии и Филиппин, располагающийся над положительной аномалией [6]. Причина подобной закономерности - повышенная конвекция воздуха над отрицательными гравитационными аномалиями, что способствует образованию грозовых облаков [7].
Помимо прочего, такие аномалии могут являться индикатором содержания почвенной влаги. Их отрицательные значения указывают на недостаточное содержание влаги и повышенную вероятность водяного стресса растений [8]. Понижение транспирации в результате водяного стресса влечёт за собой снижение количества водяного пара в атмосфере, возрастает аридность, риск пожаров увеличивается [9].
Удары молний могут воздействовать на намагниченность некоторых видов горных пород [1012], в то же время повышенная намагниченность может способствовать притяжению молниевых разрядов [13]. Некоторые авторы [14, 15] отмечают активизацию гроз у магнитных аномалий и в зонах геологических разломов, наряду с этим имеются свидетельства отсутствия такой связи над отдельными аномалиями [16].
Рядом исследователей [17-19] установлена связь между магнитными аномалиями и частотой повторяемости пожаров. При этом указывается, что основной причиной возгораний является повышенная плотность молниевых разрядов, которые тяготеют к зонам высоких градиентов геомагнитного поля и месторождениям железных руд.
В работе [20] установлено, что число лесных пожаров на единицу площади возрастает с увеличением интенсивности магнитных аномалий.
Таким образом, несмотря на существование общих закономерностей, специфика воздействия геофизических факторов на формирование гроз и природных пожаров определяется особенностями конкретной территории. Отдельный интерес представляют горные регионы, отличающиеся относительно резкими вариациями гравитационных и магнитных аномалий. Республика Алтай является одним из таких регионов. Она характеризуется пересеченным рельефом и мозаич-ностью природных условий. Особенную актуальность проведению исследования в этом районе придаёт высокая доля пожаров от гроз в общем числе пожаров, что объясняется низкой плотностью населения и слабой хозяйственной освоенностью региона. Для территории республики исследование проводится впервые.
Материалы и методы исследования
Основной целью исследования является оценка связи между молниевыми разрядами и пожарами от гроз и интенсивностью гравитационных и магнитных аномалий на территории Республики Алтай.
Для достижения цели выполнены следующие задачи: подготовка и обработка данных о распределении молниевых разрядов, пожаров, гравитационных и магнитных аномалий на территории исследования; оценка приуроченности молниевых разрядов и пожаров к гравитационным и магнитным аномалиям; оценка риска возникновения лесного пожара от молнии в зависимости от геофизических условий.
Временной интервал выборки данных о пожарах и молниевых разрядов составил пять лет -с 2016 по 2020 г. включительно, в период с мая по октябрь.
ISSN 1026-2237 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. NATURAL SCIENCE. 2023. No. 1
Республика Алтай расположена в центре Евразии, на юге Западной Сибири, граничит с Китаем, Монголией и Казахстаном. Рельеф республики меняется от низкогорного на севере до высокогорного на юге и отличается высокой пересеченностью. Существенные перепады высот и изолированность отдельных участков создают условия для дифференциации погодного режима, высотной поясности и формирования мозаичных природных комплексов.
В южной части региона существует несколько межгорных котловин, характеризующихся ландшафтами степного и полупустынного типа. Отдельные реки выработали узкие долины, ограниченные по краям горными хребтами. Залесенная местность составляет около 44 % от общей площади республики [21] и постепенно снижается от севера к югу.
Регион отличается низкой плотностью населения (2,4 человека на 1 км2) и слабой хозяйственной освоенностью. Основными отраслями экономики являются сельское хозяйство и туристско-рекреационный сектор.
В качестве модели аномалий гравитационного потенциала использовалась глобальная модель квазигеоида EIGEN-6C4 [22], рассчитанная на основе альтиметрических, наземных (в том числе морских и атмосферных) и космических измерений (спутники: Goce, Grace, Lageos). Указанная модель является одной из наиболее детальных на текущий момент времени. EIGEN-6C4 представлена на сайте Немецкого научно-исследовательского центра наук о Земле (ICGEM; http://icgem.gfz-potsdam.de/tom_longtime) в виде гармонических коэффициентов геопотенциала. Ресурс позволяет произвести расчет грида гравитационных аномалий в формате географических данных (.gdf). Нами использовался грид разрешением 0,1 углового градуса.
Магнитные аномалии учитывались на основе грид-данных EMAG2. Этот блок данных представляет собой глобальную карту магнитных аномалий, составленную на основе компиляции наземных измерений, магнитометрических съемок с летательных аппаратов (воздушные и космические) и кораблей [23]. Пространственное разрешение грида составляет 2 угловые минуты. EMAG2 получен с сайта Национального центра экологической информации США (https://data.noaa.gov//metaview/page?xml=NOAA/NESDIS/NGDC/MGG/Geophysical_Models/iso/ xml/EMAG2.xml&view=getDataView&header=none#Documentation). Подготовленные к обработке данные по магнитным и гравитационным аномалиям представлены на рис. 1.
Рис. 1. Гравитационные (а) и магнитные (б) аномалии на территории Республики Алтай / Fig. 1. Gravitational (a) and magnetic (b) anomalies on the Altai Republic territory
Источником информации о молниевых разрядах послужили сведения, предоставленные Всемирной сетью локализации молниевых разрядов (World Wide Lightning Location Network), коллаборацией, состоящей из нескольких десятков учреждений, расположенных в разных странах мира [24]. WWLLN фиксирует около 15 % молний от их общего числа, при этом эффективность регистрации существенно увеличивается для рязрядов с высокой силой тока [25]. Несмотря на относительно небольшую долю учитываемых вспышек, их количество велико и составляет на территорию Республики Алтай свыше 10 000 в год. Суммарно с 2016 по 2020 г., в период с мая по октябрь, зафиксировано 84 272 разряда, основное число которых (62 891) приходится на первые два летних месяца. Отметим, что информация о молниевых разрядах, регистрируемая WWLLN, является единственным источником инструментальных данных о молниевой активности для территории Республики Алтай.
Данные о пожарах предоставлены Министерством природных ресурсов, экологии и туризма Республики Алтай, а также Алтайским государственным природным биосферным заповедником. Используемый для исследования размер выборки составил 102 грозовых пожара, случившихся с 2016 по 2020 г., в период с мая по октябрь.
Среднегодовая плотность молниевых разрядов за исследуемый период и локации пожаров представлены на рис. 2.
Рис. 2. Среднегодовая плотность молниевых разрядов с 2016 по 2020 г. и природные пожары от гроз на территории Республики Алтай / Fig. 2. Altai Republic flash density map average for five-year period from
2016 to 2020 and wildland fires caused by lightnings
Выбор данных о молниевых разрядах, гравитационных и магнитных аномалиях выполнялся в QGIS [26] по маске изучаемого региона. Сбор информации о величинах геофизических характеристик в локациях пожаров и молниевых разрядов осуществлялся оверлеем соответствующих слоев с построением запроса к значениям исследуемых категорий посредством модуля r.what (https://grass.osgeo.org/grass78/manuals/r.what.html) геоинформационной системы GRASS [27].
Для сопоставления значений данные по геофизическим аномалиям были сгруппированы в 20 интервалов. Группировка проводилась на основе разбиения промежутка между минимальными и максимальными значениями аномалий по территории республики на равные интервалы.
Оценка приуроченности молниевых разрядов и пожаров к геофизическим аномалиям местности производилась на основе ранговых коэффициентов корреляции Спирмена [28]. Для статистических вычислений использовался пакет R Commander, разработанный J. Fox [29] для среды вычислений R [30].
Полученные результаты и их обсуждение
В целом на территории Республики Алтай отклонения магнитных полей составляют от - 290,2 до 781,7 нТл, гравитационных полей - от -87,3 ■ 10-5 до 116,1-10-5 м/с2, при этом медианные значения составляют -37,3 нТл и 10,8-10-5 м/с2 соответственно (табл. 1).
Таблица 1/Table 1
Значения гравитационных и магнитных аномалий / Values of gravity and magnetic anomalies
Молниевые разряды и пожары от гроз Минимум Максимум Медиана
Магнитные аномалии, нТл
Вся республика -290,2 781,7 -37,3
Молниевые разряды -290,2 781,7 -48,3
Пожары от гроз -191,5 636,6 -28,7
Гравитационные аномалии, 10 5 м/с2
Вся республика -87,3 116,1 10,8
Молниевые разряды -87,3 116,1 4,5
Пожары от гроз -78,5 59,8 -14,1
Поскольку молниевые разряды в период с 2016 по 2020 г. регистрировались почти на всей исследуемой территории, минимумы и максимумы величин геофизических аномалий для них совпадают с общереспубликанскими, однако медианные значения ниже. С пожарами ситуация иная, интервал величин аномалий более узкий, что объясняется небольшим количеством гарей, которые не покрывают целиком всю территорию региона. Кроме того, можно отметить отрицательную медиану по гравитационным аномалиям и отрицательную же, но более высокую по сравнению с общереспубликанским показателем медиану по магнитным аномалиям.
Почти все пожары (98 %) отмечены в магнитном диапазоне от -191,5 до 243,5 нТл. В диапазоне свыше 243,5 нТл зарегистрировано всего два пожара (оба неподалеку друг от друга, в Чой-ском районе), что заставляет предположить нетипичный характер указанных явлений, обусловленный превалирующим влиянием сторонних факторов или редким стечением обстоятельств. В дальнейшем эти два пожара были исключены из выборки, так как по своим показателям резко отличались от остальных.
Плотность распределения геофизических аномалий по площади республики (рис. 3), согласно тесту Шапиро - Франчиа [31], не соответствует нормальному закону распределения. Исходя из этого, основным способом исследования был выбран непараметрический метод ранговых коэффициентов корреляции Спирмена.
Распределение геофизических аномалий по территории Республики Алтай асимметрично, доля площадей, занимаемых отрицательными магнитными аномалиями (58 %), выше, чем положительными (42 %), а по гравитационным - отрицательных меньше (43 %), чем положительных (57 %).
ISSN 1026-2237 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. NATURAL SCIENCE. 2023. No. 1
Гравитационные аномалии
Магнитные аномалии
и
и р
о
оти р
р
е т
«
о
и
иан
В!
л
о «
30
25
20
15
10
0
Vy
Я/
JÜ If) £ и
о с та с ■ и Е 1 о
♦ ♦ о • в *
♦ ♦ * ....... ■ ■
.4
ж
О
n>
Л* iy ¿у >г * & xV V Q> пр.
^ A. A. fo r£> ,
Л лч
v
V
<0°
<$$> <<£> <5>ч
ft*
„V
mg - 10 5 м/с2 nt - нТл
Рис. 3. Плотность распределения гравитационных и магнитных аномалий по территории Республики Алтай (по оси X указаны значения середины интервалов) / Fig. 3. Gravitational and magnetic anomalies distribution density over the territory of the Altai Republic (along the X axis the intervals midpoints values are indicated)
Базовые статистики, представленные в табл. 1, дают общую информацию о распределении молниевых разрядов и пожаров относительно геофизических условий, но не учитывают интенсивность этих явлений на единицу площади. С целью устранения данного недостатка ряды данных по геофизическим аномалиям были разбиты на 20 интервалов, диапазон которых определялся по следующим формулам:
• max - min „„. т „ „ . max - min
Max int „ = min +--n , Min int „ = Max int „--,
_ n 20 _ n - n 20
где Max_Intn - верхняя граница интервала n; Min_Intn - нижняя граница; n - номер интервала (от 1 до 20 в порядке возрастания от минимальных значений к максимальным); max - максимальные значения магнитного или гравитационного поля по территории республики (в зависимости от того, какие интервалы расчитывались - по магнитным или гравитационным характеристикам); min - минимальные значения магнитного или гравитационного поля по территории республики.
Следующим шагом была вычислена плотность молниевых разрядов и пожаров от гроз на 1 км2, свойственная каждому интервалу геофизических условий. Калькуляция плотности молний и пожаров осуществлялась без нормирования к среднегодовым значениям, учет велся по суммарным накопленным показателям с 2016 по 2020 г. Результат представлен на рис. 4.
Для магнитных аномалий наибольшая плотность молниевых разрядов отмечена для интервала 567-621 нТл, здесь она составила 3,65 разряда на 1 км2, наименьшая плотность свойственна интервалу -22-31 нТл (0,79 разрядf на 1 км2).
Плотность пожаров выше всего в интервале 192-246 нТл (0,0017 пожара на 1 км2), наименьшая ненулевая плотность наблюдается в интервале -237.. .-183 нТл (0,0003 пожара на 1 км2).
Для гравитационных аномалий самая высокая плотность молниевых разрядов зарегистрирована для интервала -56,8.-46,6 •Ю-5 м/с2 (1,6 разряда на 1 км2), самая низкая - для интервала 95,7105,9-10-5 м/с2 (0,58 разряда на 1 км2). Наибольшая плотность пожаров отмечается в интервале -56,8.-46,6 •Ю-5 м/с2 (0,0045 пожара на 1 км2), наименьшая ненулевая - в интервале 24,6-34,7-10-5 м/с2 (0,0003 пожара на 1 км2).
ISSN 1026-2237 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. NATURAL SCIENCE. 2023. No. 1
s » 3,5001
Я
Я Я 3,0001
о ч
¡я ft 2,5001
8 Он
§ 2,0001
л о
я я 1,5001
ч
1 1,0001
I-Q H
о д 0,5001
H о
й 0,0001
0,0020 0,0018 0,0016 0,0014 0,0012 0,0010 0,0008 0,0006 0,0004 0,0002 0,0000
Ö Я
ГО
О
ÎT
я
о
SP
*
о и л
H о о я
H
о
нТл а/а
1,8000 1,6000 1,4000 1,2000 1,0000 0,8000 0,6000 0,4000 0,2000 0,0000
I
0,0050 0,0045 г 0.0040 * 0.0035 я
СО
0,0030 I
H
0.0025 £ о
0.0020 I
0.0015 «
л
H
0.0010 g 0.0005 I 0,0000
П/0<ЪЛ<ЬгЪЯ'0<ЪгЪ<ЬЛ сЬС)гигЪ<зЛ <ъ о
10-5 м/с2 б/b
Молниевые разряды Пожары от гроз
Рис. 4. Плотность молниевых разрядов и пожаров от гроз на 1 км2 магнитных (а) и гравитационных (б) аномалий с 2016 по 2020 г. (по оси X указаны значения середины интервалов) / Fig. 4. Density of lightning discharges and thunderstorm fires per square kilometer of magnetic (a) and gravitational (b) anomalies from 2016 to 2020 (along the X axis the intervals midpoints values are indicated)
В целях оценки связи между плотностью исследуемых событий и интенсивностью магнитных и гравитационных аномалий были выполнены расчеты ранговых коэффициентов корреляции Спирмена, результаты которых приведены в табл. 2.
Обнаружена положительная корреляционная связь между плотностью молниевых разрядов и интенсивностью магнитных аномалий. При увеличении интенсивности магнитного поля возрастает количество молниевых разрядов, достигая наивысших значений в верхнем для республики диапазоне - более 1,5 разряда на 1 км2 для всех интервалов свыше 460 нТл. Ниже этой
границы плотность колеблется в пределах 0,79-1,05 разряда на 1 км2. В целом этот результат согласуется с рядом исследований по другим регионам, активизация гроз у магнитных аномалий отмечается в работах [14-16].
Таблица 2/ Table 2
Ранговые коэффициенты корреляции Спирмена между плотностью молниевых разрядов и пожаров от гроз с интенсивностью магнитных (числитель) и гравитационных (знаменатель) аномалий / Spearman's rank correlation coefficients between the density of lightning discharges and thunderstorm fires with the intensity of magnetic and gravitational anomalies
Ранговый коэффициент корреляции Спирмена Молниевые разряды Пожары от гроз
rs 0,62/-0,57 -0,61*/-0,72
Р <0,01/<0,02 <0,01*/<0,01
* - нельзя считать достоверным из-за большого количества пустых интервалов. Подробное пояснение в тексте ниже.
Плотность пожаров от гроз характеризуется значимым отрицательным коэффициентом корреляции с величинами магнитного поля, однако полученные результаты требуют отдельного внимания. Десять интервалов выше 245 нТл являются пустыми, пожаров в этом диапазоне не отмечено, кроме двух нетипичных, которые были исключены из выборки. Если же брать основной диапазон пожаров (от -191,5 до 243,5 нТл), то в его пределах значимой связи с интенсивностью магнитного поля нет (гя = 0,55, р=0,12), тем не менее сам факт положительной корреляции согласуется с работой [20]. Таким образом, на основе полученных результатов можно говорить о тяготении пожаров от гроз к определенной дистанции значений аномалий, но нельзя утверждать, что их отрицательная или положительная связь с геомагнитными характеристиками является достоверной.
Возможно, для более подробной оценки данные EMAG2 должны быть уточнены с использованием других общедоступных глобальных моделей аномального магнитного поля, например [32, 33].
По гравитационным аномалиям получены значимые отрицательные коэффициенты корреляции в отношении плотностей молниевых разрядов и пожаров от гроз. Следует отметить, что в шести интервалах гравитационного поля из двадцати пожары не зафиксированы, но даже если исключить пустые значения и провести оценку связи только по интервалам с плотностью выше нуля, то отрицательная зависимость подтверждается (гя = -0,77, р<0,01).
Таким образом, для рассматриваемой территории можно говорить о приуроченности молниевых разрядов и лесных пожаров к отрицательным гравитационным аномалиям. Этот результат согласуется с выводами ряда работ [4, 5, 7-9].
Интересным представляется вопрос о геофизических условиях, при которых складывается наибольший риск возникновения лесного пожара от молнии. В рамках данного исследования мы предлагаем определять такой риск как соотношение числа ударов молний на пожар. На рис. 5 представлены данные, показывающие количество разрядов, приходящихся на один пожар в разных интервалах гравитационного и магнитного поля. Чем ближе значения к нулю (но при этом не являются нулевыми, нуль - это отсутствие возгораний), тем риск возгорания выше.
Наименьший риск наблюдается в отрицательных диапазонах магнитного поля (менее 130 нТл), где он составляет 1600-3000 ударов молний на гарь, а также в положительном интервале 85-192 нТл (1400-1600 к1). Наибольший риск прослеживается в околонулевых диапазонах, где он доходит до 500-700 ударов на одно возгорание. Ранговый коэффициент корреляции Спирмена подтверждает существование обратной связи между количеством разрядов на пожар и интенсивностью магнитного поля в пределах от -191,5 до 243,5 нТл (гя = -0,72, р<0,01). Следовательно, при увеличении значений магнитного поля риск возгорания при прохождении грозы растет.
ISSN 1026-2237 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. NATURAL SCIENCE. 2023. No. 1
Гравитационные аномалии
Магнитные аномалии
mg - 10 5 м/с2 nt - нТл
Рис. 5. Количество молниевых разрядов на пожар в различных интервалах магнитных и гравитационных
аномалий с 2016 по 2020 г. (по оси X указаны значения середины интервалов) / Fig. 5. The number of
lightning discharges per fire in various intervals of magnetic and gravitational anomalies from 2016 to 2020 (along the X axis the intervals midpoints values are indicated)
По гравитационным аномалиям наименьший риск наблюдается в диапазонах 25-65 •Ю-5 м/с2 (1300-3100 ударов молний на пожар), но почти такие же значения отмечаются и для диапазонов -6.. .-4-10-5 м/с2 (1100 к1) и -36.. .-26-10-5 м/с2 (1800 к1). Наивысший риск свойствен отрицательному интервалу -87.. .-47-10-5 м/с2 (300-360 ударов молний на пожар), а также интервалу -16.. ,-6^10-5 м/с2 (380 к1). Подобный разброс значений на дистанции всей выборки не позволяет получить значимую оценку корреляционной связи.
Выводы
Обнаружена положительная корреляционная связь между плотностью молниевых разрядов и значениями магнитных аномалий (rs = 0,62, p < 0,01). При увеличении интенсивности магнитного поля возрастает молниевая активность, достигая наивысших значений в верхнем для республики диапазоне - более 1,5 разряда на 1 км2 для всех интервалов свыше 460 нТл. Ниже этой границы плотность колеблется в пределах 0,79-1,05 разряда на 1 км2.
Выявлено, что основной диапазон пожаров (98 %) располагается в пределах от -191,5 до 243,5 нТл. Достоверной корреляционной связи со значениями магнитного поля в этом интервале не отмечено.
Установлено, что риск возникновения грозового пожара, определяемый как соотношение числа молниевых разрядов на один пожар (где большее количество разрядов на пожар соответствует меньшему риску), возрастает при увеличении значений магнитных аномалий, что подтверждается отрицательной корреляционной связью (rs = -0,72, p<0,01).
По гравитационным аномалиям получены значимые отрицательные коэффициенты корреляции в отношении плотности молниевых разрядов (rs = -0,57, p < 0,02) и пожаров от гроз (rs = -0,72, p < 0,01). Таким образом, для рассматриваемой территории можно говорить о тяготении гроз и природных пожаров к отрицательным гравитационным аномалиям.
Выполнить оценку приуроченности риска возникновения грозового пожара к гравитационным аномалиям на текущем наборе данных не удалось из-за сильного разброса значений.
Исходя из результатов исследования, авторы считают, что между геофизическими условиями и факторами возникновения грозового пожара существуют определенные закономерности. Осо-
бенную роль гравитационные и магнитные аномалии могут сыграть при предкритических состояниях природной среды, когда вероятность зарождения и развития пожара возрастает. С этой стороны представляется интересным изучение вариаций геофизических условий на некотором отрезке времени перед прохождением грозы и возникновением возгорания от удара молнии.
Список источников
1. Van der Werf G.R., Morton D.C., DeFries R.S., Giglio L., Randerson J.T., Collatz G.J., Kasibhatla P.S. Estimates of fire emissions from an active deforestation region in the southern Amazon based on satellite data and biogeochemical modelling // Biogeosciences. 2009. Vol. 6, № 2. P. 235-249. URL: https://bg.copernicus.org/ar-ticles/6/235/2009/ (дата обращения: 30.07.2022).
2. Кухар И.В., Бердникова Л.Н., Орловский С.Н., Мартыновская С.Н., Коршун В.Н., Карнаухов А.И. Влияние вредных и опасных факторов лесных пожаров на окружающую среду // Хвойные бореальной зоны. 2019. № 5. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/vliyanie-vrednyh-i-opasnyh-faktorov-lesnyh-pozharov-na-okruzhayuschuyu-sredu (дата обращения: 30.07.2022).
3. Гришин А.М. О влиянии негативных экологических последствий лесных пожаров // Экологические системы и приборы. 2003. № 4. С. 40-43.
4. Горбатенко В.П., Дульзон А.А., Гиндуллин Ф.А., Ершова Т.В., Ипполитов И.И., Кабанов М.В., Логинов С.В. Анализ структуры грозовых рядов и факторов, влияющих на пространственную неоднородность грозовой активности // Проектирование и технология электронных средств. 2004. № S1. С. 61-65.
5. Leybourne B., Smoot C., Gregori G.P., Paparo G., Bhat I. Tectonic Spiral Structures of the Tethyan Vortex Street: GRACE Geoid Interpretations and African Lightning Teleconnections // 33rd IGC, Oslo NCGT Symposium. Oslo, Norway, 2008.
6. Ершова Т.В. Пространственная неоднородность грозовой активности и гравитационные аномалии Земли // Вестн. Томского гос. пед. ун-та (Tomsk State Pedagogical University Bulletin). 2015. Вып. 11. С. 169-173.
7. Борисенков Е.П. Роль аномалий гравитационного поля Земли в формировании конвективных движений как стимулятора грозовой активности // Труды Пятой Рос. конф. по атмосферному электричеству. Владимир, 2003. Т. 2. С. 42-44.
8. Gloor E., Wilson C., Chipperfield M.P., Chevallier F., Buermann W., Boesch H., Parker R., Somkuti P., Gatti L.V., Correia C., Domingues L.G., Peters W., Miller J., Deeter M.N., Sullivan M.J. Tropical land carbon cycle responses to 2015/16 El Niño as recorded by atmospheric greenhouse gas and remote sensing data // Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences. 2018. Vol. 373, № 1760. P. 20170302.
9. Chen Y., Velicogna I., Famiglietti J.S., Randerson J.T. Satellite observations of terrestrial water storage provide early warning information about drought and fire season severity in the Amazon // J. of Geophysical Research: Biogeosciences. 2013. Vol. 118, № 2. P. 495-504.
10. Hanna W.F., Hassemer J.H., Elliott J.E., Wallace C.A., Snyder S.L. Maps Showing Gravity and Aeromag-netic Anomalies in the Butte 1° X 2° Quadrangle. Montana: US Geological Survey, 1994. 35 p.
11. Ponce D.A., Langenheim V.E. Gravity, magnetic, and physical property data of the Deep Creek Range and vicinity, eastern Nevada and Western Utah. US Geological Survey, 1993. 15 p.
12. Воинов В.Н. Использование молниегенных магнитных аномалий для решения геологических задач // Топорковские чтения. Рудный, 1992. Вып. 1. C. 154-162.
13. Кузовков Г.Н. «Бабочка» озера большое Карасье на Первомайском массиве ультрамафитов, средний Урал // Уральский геол. журн. 2003. № 1. С. 31-34.
14. Хайруллин К.Ш., Яковлев Б.А. Антропогенные и мезоклиматические влияния на грозы и град // Тез. докл. IV Всесоюз. симп. по атмосферному электричеству. Нальчик, 1990. С. 102-103.
15. Люшвин П.В. Геофизические и биоявления в радиационных и магнитных аномалиях // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса: материалы 17-й Всерос. открытой конф. М.: ИКИ РАН, 2019. С. 389.
16. Ершова Т.В. Аномалии гравитационного и магнитного полей Земли и грозовая активность // Глобальная электрическая цепь: материалы второй Всерос. конф. Борок, 5-9 октября 2015 г. Ярославль, 2015. С. 49-50.
17. Авт. св. № 902763. Кл. А 62. С 3/02. Способ выявления пожароопасных областей на местности / Новгородов В.Д., Смольникова Л.Г., Захаров А.И. Бюл. изобр, 1982. № 5.
18. Иванов В.А., Коршунов Н.А., Матвеев П.М. Пожары от молний в лесах Красноярского Приангарья. Красноярск: СибГТУ, 2004. 132 с.
19. Санников С.Н., Захаров А.И., Смольникова Л.Г., Санникова Н.С. Лесные грозовые пожары как индикатор связей между атмосферой, литосферой и биосферой // Экология. 2010. № 1. С. 3-8.
20. Иванов В.А. Методологические основы классификации лесов Средней Сибири по степени пожарной опасности от гроз: автореф. дис. ... д-ра с.-х. наук. Красноярск: СибГТУ, 2002. 42 с.
ISSN 1026-2237 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. NATURAL SCIENCE. 2023. No. 1
21. Лесной план Республики Алтай: руководящий документ. Горно-Алтайск, 2008. 572 с.
22. Forste C., Bruinsma S.L., Abrikosov O., Lemoine J.-M., Marty J.C., Flechtner F., Balmino G., Barthelmes F., Biancale R. EIGEN-6C4 The latest combined global gravity field model including GOCE data up to degree and order 2190 of GFZ Potsdam and GRGS Toulouse. GFZ Data Services, 2014. http://doi.org/10.5880/icgem.2015.1.
23. Meyer B., Saltus R., Chulliat A. EMAG2v3: Earth Magnetic Anomaly Grid (2-arc-minute resolution). Version 3. NOAA National Centers for Environmental Information, 2017. https: //doi.org/10.7289/V5H70CVX.
24. Всемирная сеть локализации молниевых разрядов (WWLLN). URL: http://wwlln.net (дата обращения: 30.07.2022).
25. Hutchins M.L., Holzworth R.H., Virts K.S., Wallace J.M., Heckman S. Radiated VLF energy differences of land and oceanic lightning // Geophysical Research Letters. 2013. Vol. 40 (10). P. 2390-2394. https://doi.org/10.1002/grl.50406.
26. QGIS.org. QGIS Geographic Information System. QGIS Association, 2022. URL: http: //www.qgis.org (дата обращения: 30.07.2022).
27. GRASS Development Team. Geographic Resources Analysis Support System (GRASS) Software, Version 7.8. Open Source Geospatial Foundation, 2020. URL: https://grass.osgeo.org (дата обращения: 30.07.2022).
28. Spearman Rank Correlation Coefficient // The Concise Encyclopedia of Statistics. New York: Springer, 2008. https://doi.org/10.1007/978-0-387-32833-1_379.
29. Fox J. The R Commander: A Basic-Statistics Graphical User Interface to R // J. of Statistical Software. 2005. Vol. 14 (9). P. 1-42. https://doi.org/10.18637/jss.v014.i09.
30. R Core Team. R: A language and environment for statistical computing. R Foundation for Statistical Computing, Vienna, Austria, 2005. URL: https://www.R-project.org/ (дата обращения: 30.07.2022).
31. Shapiro S.S., Francia R.S. An Approximate Analysis of Variance Test for Normality // J. of the American Statistical Association. American Statistical Association, 1972. Vol. 67 (337). P. 215-216. https://doi.org/10.2307/2284728.
32. Муравьев Л.А., Федорова Н.В. Подбор аномального магнитного поля Полярного Урала на нескольких высотах системой намагниченных отрезков // Уральский геофиз. вестн. 2020. № 1. С. 23-33.
33. Абрамова Л.М., Абрамова Д.Ю., Варенцов И.М., Филиппов С.В. Роль спутниковых литосфер-ных магнитных аномалий при анализе геолого-геофизических данных в Центрально-Азиатской коллизионной зоне // Проблемы геодинамики и геоэкологии внутриконтинентальных орогенов: материалы VI междунар. симп. Бишкек: НС РАН, 2015. С. 45-54.
References
1. Van der Werf G. R., Morton D. C., DeFries R. S., Giglio L., Randerson J. T., Collatz G. J., Kasibhatla P. S. Estimates of fire emissions from an active deforestation region in the southern Amazon based on satellite data and biogeochemical modelling. Biogeosciences. 2009;6(2):235-249. Available from: https://bg.copernicus.org/arti-cles/6/235/2009/ [Accessed 30th July 2022].
2. Kukhar I.V., Berdnikova L.N., Orlovskiy S.N., Martynovskaia S.N., Korshun V.N., Karnauhov A.I. Impact of harmful and dangerous factors of forest fires on the environment. Khvoinye boreal'noi zony = Conifers of the Boreal Area. 2019;(5). Available from: https://cyberleninka.ru/article/n/vliyanie-vrednyh-i-opasnyh-faktorov-le-snyh-pozharov-na-okruzhayuschuyu-sredu [Accessed 30th July 2022]. (In Russ.).
3. Grishin A.M. On the impact of negative environmental consequences of forest fires. Ekologicheskie sistemy ipribory = Ecological Systems and Devices. 2003;(4):40-43. (In Russ.).
4. Gorbatenko V.P., Dul'zon A.A., Gindullin F.A., Ershova T.V., Ippolitov I.I., Kabanov M.V., Loginov S.V. Analysis of the structure of thunderstorm series and the factors affecting the spatial inhomogeneity of thunderstorm activity. Proektirovanie i tekhnologiya elektronnykh sredstv = Design and Technology of Electronic Means. 2004;(S1):61-65. (In Russ.).
5. Leybourne B., Smoot C., Gregori G.P., Paparo G., Bhat I. Tectonic Spiral Structures of the Tethyan Vortex Street: GRACE Geoid Interpretations and African Lightning Teleconnections. 33rdIGC, Oslo NCGTSymposium. Oslo, Norway, 2008.
6. Ershova T.V. Spatial inhomogeneity of thunderstorm activity and gravitational anomalies of the Earth. Tomsk State Pedagogical University Bulletin. 2015;(11): 169-173. (In Russ.).
7. Borisenkov E.P. The role of the anomalies of the gravitational field of the Earth in the formation of con-vective motions as a stimulator of thunderstorm activity. Proceedings of the V Russian Conference on Atmospheric Electricity. Vladimir, 2003;2:42-44. (In Russ.).
8. Gloor E., Wilson C., Chipperfield M.P., Chevallier F., Buermann W., Boesch H., Parker R., Somkuti P., Gatti L.V., Correia C., Domingues L.G., Peters W., Miller J., Deeter M.N., Sullivan M.J. Tropical land carbon
ISSN 1026-2237 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. NATURAL SCIENCE. 2023. No. 1
cycle responses to 2015/16 El Niño as recorded by atmospheric greenhouse gas and remote sensing data. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences. 2018;373(1760):20170302.
9. Chen Y., Velicogna I., Famiglietti J.S., Randerson J.T. Satellite observations of terrestrial water storage provide early warning information about drought and fire season severity in the Amazon. J. of Geophysical Research: Biogeosciences. 2013;118(2):495-504.
10. Hanna W.F., Hassemer J.H., Elliott J.E., Wallace C.A., Snyder S.L. Maps Showing Gravity and Aeromag-netic Anomalies in the Butte 1°X2° Quadrangle. Montana: US Geological Survey; 1994. 35 p.
11. Ponce D. A., Langenheim V. E. Gravity, magnetic, and physical property data of the Deep Creek Range and vicinity, eastern Nevada and Western Utah. US Geological Survey, 1993.
12. Voinov V.N. Use of lightning magnetic anomalies for solving geological problems. Toporkov readings. Rudny, 1992;(1):154-162. (In Russ.).
13. Kuzovkov G.N. "Butterfly" of Bolshoe Karasye lake at the pervomaiskoe ultramaphic massif, Middle Urals. Ural'skii geol. zhurn. = Uralian Geological Journal. 2003;(1):31-34. (In Russ.).
14. Khairullin K.Sh., Yakovlev B.A. Anthropogenic and mesoclimatic influences on thunderstorms and hail. Abstracts of the IV All-Soviet Union Symposium on Atmospheric Electricity. Nalchik, 1990:102-103. (In Russ.).
15. Lushvin P.V. Geophysical and bio phenomena in radiation and magnetic anomalies. Proceedings of the 17th All-Russian Open Conference. Moscow: Space Research Institute Press; 2019:389. (In Russ.).
16. Ershova T.V. Anomalies of the Earth's gravitational and magnetic fields and thunderstorm activity. Proceedings of the Second All-Russian Conference. Borok, October 5-9, 2015. Yaroslavl, 2015:49-50. (In Russ.).
17. Novgorodov V.D., Smol'nikova L.G., Zakharov A.I. Method for identifying fire hazardous areas on the ground. Certificate No. 902763. Cl. А 62. С 3/02. Bulletin of inventions. 1982;(5). (In Russ.).
18. Ivanov V.A., Korshunov N.A., Matveev P.M. Fires from lightning in the forests of the Krasnoyarsk Angara. Krasnoyarsk: SibSAU Press; 2004. 132 p. (In Russ.).
19. Sannikov S.N., Zakharov A.I., Smol'nikova L.G., Sannikova N.S. Forest fires caused by lightning as an indicator of connections between atmosphere, lithosphere, and biosphere. Russian Journal of Ecology. 2010;41(1):1-6.
20. Ivanov V.A. Methodological bases of the forests classification in Central Siberia according to the degree of fire danger from thunderstorms. Dissertation Thesis. Krasnoyarsk: SibSAU Press; 42 p. (In Russ.).
21. Forest Plan of the Republic of Altai: guidance document. Gorno-Altaisk, 2008. 572 p. (In Russ.).
22. Forste C., Bruinsma S.L., Abrikosov O., Lemoine J.-M., Marty J.C., Flechtner F., Balmino G., Barthelmes F., Biancale R. EIGEN-6C4 The latest combined global gravity field model including GOCE data up to degree and order 2190 of GFZ Potsdam and GRGS Toulouse. GFZ Data Services. 2014, http://doi.org/10.5880/icgem.2015.1.
23. Meyer B., Saltus R., Chulliat A. EMAG2v3: Earth Magnetic Anomaly Grid (2-arc-minute resolution). Version 3. NOAA National Centers for Environmental Information. 2017, https://doi.org/10.7289/V5H70CVX.
24. World Wide Lightning Location Network (WWLLN). Available from: http://wwlln.net [Accessed 30th July 2022]. (In Russ.).
25. Hutchins M.L., Holzworth R.H., Virts K.S., Wallace J.M., Heckman S. Radiated VLF energy differences of land and oceanic lightning. Geophysical Research Letters. 2013;40(10):2390-2394, https://doi.org/10.1002/grl.50406.
26. QGIS Geographic Information System. QGIS Association, 2022. Available from: http://www.qgis.org [Accessed 30th July 2022].
27. GRASS Development Team. Geographic Resources Analysis Support System (GRASS) Software, Version 7.8. Open Source Geospatial Foundation. 2020. Available from: https://grass.osgeo.org [Accessed 30th July 2022].
28. Spearman Rank Correlation Coefficient. The Concise Encyclopedia of Statistics. New York: Springer Publ.; 2008, https://doi.org/10.1007/978-0-387-32833-1_379.
29. Fox J. The R Commander: A Basic-Statistics Graphical User Interface to R. J. of Statistical Software. 2005;14(9):1-42, https://doi.org/10.18637/jss.v014.i09.
30. R Core Team. R: A language and environment for statistical computing. R Foundation for Statistical Computing. Vienna, Austria, 2020. Available from: https://www.R-project.org/ [Accessed 30th July 2022].
31. Shapiro S.S., Francia R.S. An Approximate Analysis of Variance Test for Normality. J. of the American Statistical Association. American Statistical Association. 1972;67:215-216, https://doi.org/10.2307/2284728.
32. Muraviev L.A., Fedorova N.V. Selection of anomalous magnetic field of Polar Urals at several heights by system of magnetized rods. Ural'skii geofiz. vestn. = Ural Geophysical Messenger. 2020;(1):23-33. (In Russ.).
33. Abramova L.M., Abramova D.Yu., Varentsov I.M., Philippov S.V. The role of satellite lithospheric mag netic anomalies in the analysis of geological and geo physical data in the Central Asian collision zone . Problems of geodynamics and geoecology of intracontinental orogens. Materials of the VI International Symposium. Bishkek: NS RAS Press; 2015:45-54. (In Russ.).
ISSN 1026-2237 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. NATURAL SCIENCE. 2023. No. 1
Информация об авторах
А.В. Каранин - кандидат географических наук, доцент, кафедра географии и природопользования. М.Ю. Беликова - старший преподаватель, кафедра математики, физики и информатики.
Information about the authors
A. V. Karanin - Candidate of Science (Geography), Associate Professor, Department of Geography and Environmental Management.
M. Yu. Belikova - Senior Lecturer, Department of Mathematics, Physics and Informatics.
Статья поступила в редакцию 04.08.2022; одобрена после рецензирования 25.09.2022; принята к публикации 02.03.2023. The article was submitted 04.08.2022; approved after reviewing 25.09.2022; accepted for publication 02.03.2023.
