CC BY
44
УДК 541.182.3:551.510.552
11 12 Ю.Н. Самсонов , С.А. Попова , О.В. Чайкина , О.А. Беленко
1 ИХКиГ СО РАН, Новосибирск
2 СГГА, Новосибирск
ПОЖАРЫ В БОРЕАЛЬНЫХ ЛЕСАХ СИБИРИ: ГАЗОВАЯ И АЭРОЗОЛЬНАЯ ДЫМОВАЯ ЭМИССИЯ И ЕЁ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ХИМИЧЕСКОЕ И ОПТИЧЕСКОЕ КАЧЕСТВО АТМОСФЕРЫ И ПОГОДНО-КЛИМАТИЧЕСКИЙ ТРЕНД
Yu. N. Samsonov1, S.A. Popova1, O.V. Chankina1, O.A. Belenko1 1 Institute of Chemical Kinetics and Combustion, SB RAS (Novosibirsk) Siberian State Academy of Geodesy (SSGA)
FIRES IN BOREAL FORESTS OF SIBERIA: GAS AND PARTICULATE SMOKE EMISSION AND ITS IMPACT ON CHEMICAL AND OPTICAL QUALITIES OF ATMOSPHERE, AND WEATHER-AND-CLIMATIC TREND
Siberian boreal forest fires burn 10-14 million hectares annually resulting in smoke that releases large amounts of particulate emission into the atmosphere. Total amounts of particulate emissions during a fire are estimated to be 0.2-1 t/ha from sampling conducted on experimental forest fires. This value represents 1-7 % of the total biomass (15-25 t/ha) consumed during a typical forest fire in Siberia. Based on these data, one can estimate that 3-15 million tons of particulate matters are emitted annualy into the atmosphere. More than 90 % of the smoke emissions consist of the relatively fine smoke particles with sizes within « 0.1-3 цт (for the most part, less than 1 pm in diameter).
Стихийное горение биомассы («дикие» пожары) представляет собой природное явление, при этом ежегодно сгорает 3-5 миллиардов тонн биомассы, что сопоставимо с количеством органического топлива (нефть, уголь), используемого человеком. Хотя проблема горения биомассы и сопутствующие экологические, химические, оптические и погодно-климатические аспекты касаются всех регионов Земли, непосредственным объектом исследований были пожары в бореальных (северных) лесах Сибири. Российские бореальные леса оцениваются в 700 млн. га, причем их большая часть - это почти сплошные хвойные леса Сибири. Хотя статистика обычно недооценивает масштабы лесных пожаров в России, но спутниковые наблюдения показывают, что пожары ежегодно происходят на площади 10-14 млн. га (20 млн. га в 2003 г.) в лесной и лесостепной зонах Сибири (это является третьим по масштабам природным пожарным явлением после сезонных пожаров в африканских саваннах и в (суб) тропических лесах). При сгорании горючих материалов (древесина, кустарник, трава, мох, лишайник) выделяются как газовые продукты горения, так и аэрозольные дымовые частицы. Массовая доля аэрозольной эмиссии варьируется от 1-2 до 5-7 % от количества сгоревшей биомассы в зависимости от условий горения (собственные и литературные данные), однако её роль в атмосферном теплообмене часто является доминирующей. Это связано с тем, что в дымовой эмиссии присутствуют тонкодисперсные частицы, состоящие из элементного углерода (сажа, графит, т. н. black carbon). Такие частицы,
длительное время находясь в атмосфере, поглощают и рассеивают солнечное излучение, т. е. могут влиять на теплообмен между атмосферой, земной поверхностью и солнечным светом и, следовательно, могут воздействовать на локальную погоду и глобальный климат. В этом отношении важно отметить, что потенциальное климатическое воздействие аэрозольной эмиссии (похолодание!) является компенсирующим по отношению к воздействию газовых продуктов горения (двуокись и окись углерода, метан), гипотетически приводящих к глобальному потеплению.
В докладе представлены экспериментальные результаты, полученные в 2000-2008 гг. в рамках комплексных исследований пожаров в таежных хвойных лесах в Красноярском крае, проводимых совместно российскими (Институт леса СО РАН, Институт химической кинетики и горения СО РАН, Сибирская государственная геодезическая академия)), американскими (USDA Forest Service) и канадскими (Canadian Forest Service) специалистами. Исследования 2000-2003 и 2008 гг. проводились в преимущественно сосновых лесах (Pinus sylvestris), и их результаты были частично опубликованы. Пожарные эксперименты 2006-2907 гг. проводились в лиственничных лесах (Larix spp.), но со значительной долей других древесных пород. Разные виды лесов связаны с разными типами почв и с ландшафтными особенностям, они характеризуются разными видами напочвенной флоры, кустарниковыми, древесными и иными типами лесных горючих материалов. В этом отношении необходимы репрезентативные и сопоставимые экспериментальные сведения о поведении пожаров в разных типах лесов, о мощности газо-аэрозольной дымовой эмиссии в различных условиях, о её химическом составе и дисперсных характеристиках. Количественные сведения об интенсивности, химическом и дисперсном составе дымовой эмиссии от крупномасштабных лесных пожаров являются необходимыми для создания и верификации прогностических компьютерных моделей глобального и регионального погодно-климатического тренда. Они важны в исследованиях оптических и химических свойств атмосферы, а также для оценок респираторного качества приземного воздуха.
Эксперименты проводились в виде натурно-модельных пожаров на четырех таежных участках в среднем течении Енисея и Ангары. Для каждого пожарного эксперимента (18 за весь период работ) формировалась лесная площадка 200 х 200 м = 4 га (иногда 100 х 100 м = 1 га). Вокруг «пожарных» площадок устраивались защитные полосы в виде просек и/или минерализованных (почвенных) полос, препятствующих выходу пожара за пределы экспериментального участка. Предварительно на площадке проводились биоэкологические и пирологические учеты и документирование количества и распределения лесных горючих материалов по разным уровням (напочвенная подстилка, мхи, лишайники, травы, кустарники, древесная поросль, взрослые деревья и т. п.). Аналогичные учеты проводились после пожарного эксперимента, что позволяло оценивать количественно и качественно воздействие пожара на лесную экосистему, в том числе определять количество сгоревшей биомассы с единицы площади. Формировалась «сетка» учетных точек (49 точек с интервалом 25 х 25 м), в которых устанавливались
приборы для измерения скоростей продвижения огневого фронта и температурных характеристик на разных высотах (до 10 м от горящей поверхности). Информация в цифровом формате в режиме реального времени передавалась и сохранялась на даталоггерах, закрытых слоем почвы от перегрева. На высоте 1 000 м «зависал» вертолет, регистрируя инфракрасной цифровой камерой тепловые характеристики горящей территории и продвижение огневого фронта.
Отбор аэрозольных дымовых проб выполнялся прокачкой задымленного воздуха через аэрозольные фильтры АФАХА из тонковолокнистого полимерного материала (фильтры Петрянова) и стекловолоконные фильтры Gelman. При этом определялась масса аэрозольного вещества, собранного на каждом фильтре, по этим данным рассчитывались массовые концентрации дымовой эмиссии в местах отбора проб (объемная скорость и длительность прокачки регистрировались при отборе; кроме того измерялся суммарный объем прокаченного дыма газовым счетчиком СГ-2). С целью определения дисперсных характеристик дымовой эмиссии производилось сепаратное осаждение частиц разных размеров из дымового потока на стеклянные пластины инерционных импакторов двух типов: в диапазоне от «30-50 мкм до ~ 0,1 мкм - на пятиступенчатый прямоугольный каскадный импактор; от » 7-10 до « 100 мкм - на т. н. ротационный импактор открытого типа. Стеклянные пластины предварительно покрывались тонким липким слоем Апиезона для прилипания к ним дымовых частиц. Пластины с осажденными частицами фотографировались на цифровом микроскопе Axioscope 2 plus. Для определения дисперсных характеристик сфотографированных размерных фракций применялись компьютерные программные средства MapInfo. Кроме того, во время пожарных экспериментов использовался фотоэлектрический аэрозольный счетчик ПКЗВ-906 для измерения спектра размеров тонкодисперсной фракции дымовой эмиссии (« 0,3-5 мкм). Химический состав аэрозольной эмиссии определялся в лабораторных условиях, используя высокочувствительные методы: - метод рентгеновской флуоресценции с возбуждением синхротронным излучением (РФА СИ) для элементного анализа аэрозолей, собранных на полимерных фильтрах АФАХА; - реакционную газовую хроматографию для измерения органических веществ и элементного углерода, собранных на стекловолоконных фильтрах Gelman.
Результаты многолетних натурно-модельных пожарных экспериментов показывают, что массовая концентрация дымового вещества в непосредственной близости от поверхности горения лесной биомассы составляет в среднем С « 50 мг/куб. м, что в 1 000-10 000 раз превышает содержание аэрозольного вещества в обычном воздухе. Учитывая, что средняя скорость восходящего потока дыма над горящей территорией составляла U ~ 0.5 -1.5 м/с, а продолжительность активного дымления от каждого горящего/дымящего участка была t ~ 5-40 мин, то количество дымового вещества M (тонн/га), эмитированного с 1 га сгоревшей территории, можно оценить по формуле M = 0.0006 C U t (безразмерный 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 3 до 15 млн. тонн ежегодно со всей сгоревшей лесной и лесостепной территории в Сибири.
Измерения химического состава дымовых частиц показывает, что около 80 % массы дымовой эмиссии составляют разнообразные органические вещества. Несомненно, что они являются продуктами термической сублимации (испарения) и химической декомпозиции лесных горючих материалов (биомассы), включая древесные смолы, лигнины, воски, термически разложившуюся целлюлозу. Средняя доля элементного углерода (сажа, древесный уголь, black carbon) составляет примерно 10 %, доля веществ минерально-почвенного происхождения в среднем также оценивается в 10 %.
Измерения дисперсного состава дымовых частиц, проводимых с помощью инерционных каскадных импакторов, показали, что 90-95 % от полной массы дымовой эмиссии заключено в частицах от » 0,1 до ~ 7 мкм диаметром, суммарная масса частиц с размерами свыше 7 мкм составляет 5-10 % от полного количества дымовой эмиссии. Возможно, что оцененная выше доля (около 10 %) веществ минерально-почвенного происхождения соотносится именно с этими относительно грубодисперсными частицами. Измерение распределения тонкодисперсной фракции дымовых частиц в диапазоне « 0,2-5 мкм показало, что основное количество тонких пожарных аэрозолей в действительности имеет размеры менее 1 мкм. Этот результат имеет существенное значение, поскольку именно субмикронные частицы обладают наибольшей способностью рассеивать солнечное излучение в атмосфере и таким образом могут воздействовать на теплообмен между солнечной энергией и атмосферой. Эти данные могут быть использованы для компьютерного моделирования погодно-климатических изменений как в региональном, так и в глобальном масштабах. Глобальный перенос больших количеств тонкодисперсной пожарной эмиссии может существенно ухудшать оптические свойства атмосферы, а также её респираторное качество.
Работы выполнялись при финансовой поддержке международных и российских фондов, в т.ч. CRDF RBI-2416-KY-02, NASA NRA-99-OES-06, ISTC 3695, РФФИ 08-05-00083.
© Ю.Н. Самсонов, С.А. Попова, О.В. Чанкина, О.А. Беленко, 2009
