CC BY
266
УДК 001.576.001.572
О.А. Дубровская
ИВТ СО РАН, Новосибирск
A.А. Леженин, В.М. Мальбахов ИВМиМГ СО РАН, Новосибирск
B.А. Шлычков
ИВЭП СО РАН, Новосибирск
ВЛИЯНИЕ ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ НА КЛИМАТИЧЕСКИЕ И ЛАНДШАФТНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ В АЗИАТСКОЙ ЧАСТИ РОССИИ
ВВЕДЕНИЕ
В течение миллионов лет лесные и степные пожары служили составной частью эволюции растительного покрова и животного мира. В засушливые годы возникали массовые пожары, а вызванные ими изменения состава растительности порождали изменения климата. Однако постепенно состав растительности, животного мира восстанавливался. Эта цикличность была нарушена в индустриальную эпоху, когда большая часть лесов была вырублена, часть степей распахана. На Земле осталось немного территорий, целиком покрытых лесом. Это, в первую очередь, влажные тропические леса, мало подверженные пожарами из-за частых дождей. Однако площадь тропических лесов из-за урбанизации быстро сокращается. Регионами, почти целиком покрытыми лесом, и относительно мало подвергшимся деятельности человека являются: Север Европейской части России и Скандинавских стран, центральная и северная часть Сибири, Якутия, Хабаровский и Приморский края, а также Север Канады и Аляска. Наибольшими по площади в России являются леса ее Азиатской части. Плотность населения здесь невелика и имеет тенденцию к сокращению. Эти леса являются естественным полигоном для изучения различных аспектов существования лесов как биологического, экологического, климатообразующего фактора, в том числе для исследования лесных пожаров и вызванных ими природно-климатических и ландшафтногеохимических изменений.
1. ПИРОГЕННАЯ ДИНАМИКА
Пирогенная (пожарная) динамика лесов связана с периодически полным или частичным выгоранием участка леса в результате пожара, возникающего по естественной причине (от молнии) или в результате деятельности человека, и формированием на освободившемся месте нового поколения деревьев.
Характер лесов, формирующихся под воздействием часто и в течение длительного времени повторяющихся пожаров и единичных пожаров, разделенных многими веками "беспожарной" естественной динамики, существенно различается. Воздействие периодически повторяющихся на протяжении многих столетий или тысячелетий пожаров приводит к формированию светлохвойных таежных лесов, в которых преобладают "пирогенные" породы деревьев - сосна (повсеместно) и лиственница (на северо-востоке азиатской части России).
Для сосны и лиственницы свежие гари или участки леса, пройденные низовыми пожарами, представляют оптимальные условия для возобновления и развития молодых поколений. Взрослые же деревья сосны и лиственницы способны переживать даже довольно сильные низовые пожары. Семена сосны и лиственницы относительно тяжелы и распространяются ветром сравнительно недалеко (в лучшем случае на первые сотни метров). В условиях, когда пожары случаются крайне редко, а участки новых и старых гарей разнесены в пространстве на многие километры, господство на выгоревших площадях получают другие породы деревьев, семена которых могут преодолевать значительные расстояния или которые входят в состав естественных лесов и в условиях отсутствия пожаров - береза и осина. Зарастание гарей березой и осиной характерно для обширных водораздельных пространств, где в прошлом воздействие пожаров было не столь частым, а большинство источников семян сосны и лиственницы вырублено в течение последних полутора столетий [1].
К кардинальным изменениям могут приводить лесные и степные пожары, происходящие на границах раздела климатических зон, тайги и степей, тропического леса и саван, саван и пустынь. В этом случае возможна полная смена ландшафта лесного на степной, или степного на пустынный [2].
Под воздействием хозяйственной деятельности человека леса с пирогенной динамикой существенно изменяются. Пожары, возникающие вокруг лесосек и дорог, коренным образом меняют веками складывавшуюся структуру таежных ландшафтов - изменяется частота пожаров, исчезают пожарные рефугиумы, упрощается характер лесной мозаики. Веками складывавшееся равновесие нарушается катастрофическим образом, и предсказать, к каким последствиям для биологического и ландшафтного разнообразия таежных лесов приведут такие последствия, сейчас не всегда представляется возможным. В связи с этим представляется неправомерным рассматривать крупные массивы гарей, которые возникли за короткий период времени в местах интенсивного промышленного "освоения" природных ресурсов Европейского Севера, как полные аналоги "диких" гарей, появлявшихся на протяжении многих тысячелетий вследствие рассеянной по большой площади хозяйственной деятельности человека или возгорания лесов от молний [1]. Если рассматривать климатические изменения на образовавшихся гарях, то условия водного и радиационного обмена между почвой и атмосферой существенно меняются. Корневая система деревьев перестаёт поднимать влагу к поверхности земли и в хвою деревьев, из-за чего количество пара, поступающего в атмосферу, уменьшается. Кроме того, из-за большего поглощения солнечной радиации температура почвы выше, чем внутри лесного массива, что приводит к дополнительному её иссушению. Однако существует механизм, благодаря которому над более теплой подстилающей поверхностью возникает конвекция и увеличивается вероятность формирования внутримассовых облаков и выпадения осадков над гарями [3].
2. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЖАРОВ В АЗИАТСКОЙ ЧАСТИ РОССИИ В СОВРЕМЕННУЮ ЭПОХУ
Современные леса Азиатского континента сформировались под перманентным воздействием пожаров на фоне изменений климата, рельефа и почв. Леса Азиатской части России обладают огромными сырьевыми запасами и выполняют глобальные экологические функции. Вместе с тем «экологический потенциал» лесов Сибири существенно подорван вследствие возрастающего воздействия пожаров. Нарушенность лесов Сибири пожарами составляет от 30 до 85% лесопокрытой площади [4]. Согласно наиболее вероятным сценариям, наблюдаемое потепление климата повлечет увеличение горимости лесов, количества выбрасываемой в атмосферу двуокиси углерода и других парниковых газов. Важнейший показатель пирологического режима, межпожарный интервал, сократился на треть в 20-м столетии по сравнению с 19-м; имеются предположения на взаимосвязь этого феномена с климатическими трендами. В экстремальные годы конца 20-го столетия площади гарей в Сибири достигали 10 - 13 млн. га. Оценки ежегодной площади лесов, пройденных пожарами, колеблются в диапазоне 0.25 - 1.8 % лесопокрытой территории. Точность оценок ежегодных эмиссий углерода составляет порядок 0.018 - 0.16 Pg С год-1 [5]. Приблизительно 75% пожаров Сибири классифицируются как низовые, поэтому важное значение имеет проблема моделирования переноса аэрозолей в атмосфере.
3. ОСНОВНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КЛИМАТА И ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ
Очевидно, что в жаркие и засушливые годы вероятность природных пожаров существенно возрастает. Обратное влияние пожаров на погоду и климат менее очевидно и мало изучено. Такое влияние может осуществляться из-за явного и скрытого тепла, выделяемых при горении лесных горючих материалов (ЛГМ) и при конденсации водяного пара. В [6] теоретически показано, что при повышенной относительной влажности атмосферы над зоной пожара образуется конвективное облако, дающее осадки малой интенсивности. Спутниковые фотографии Якутских пожаров 2002 г. подтверждают выводы теории. При пожарах образуется большое количество твердых жидких и газовых аэрозолей [7]. Общий вклад пожаров в состав атмосферного аэрозоля стоит на третьем месте после морской соли и мелких частиц почвенной пыли [8]. Концентрация соли и пыли в атмосфере варьируется незначительно, в то время как количество аэрозоля, выделяющегося при лесных пожарах в разные годы, может изменяться на порядок. Аэрозольная фракция, оказывает существенное влияние на радиационный баланс атмосферы (проблема глобального потемнения) [9], вызывая серьезные экологический проблемы. Известно, что общий вклад аэрозолей в процессы конденсации и сублимации водяного пара, коагуляции и кристаллизации водяных капель существенен [10]. В тропических широтах, где ливневые осадки выпадают из жидко - капельных облаков, все виды аэрозоля способствуют интенсификации процессов облако и осадкообразования. Объясняется это тем, что, такие продукты горения, как
твердый мелкодиспесный дымовой аэрозоль и жидкие частицы (капли угольной и азотной кислот), являясь ядрами конденсации водяного пара, интенсифицируют процессы облакообразования, а крупные частицы дымового аэрозоля становясь ядрами коагуляции водяных капелек усиливают процессы осадкообразования над зоной пожара [10].
Анализ данных спутникового зондирования показывает, что в средних широтах в отдельных случаях имеет место заметное понижение суммы осадков над территорией, где происходят массовые лесные пожары [11]. Теоретическое объяснение этого феномена дано в [12], где на основании результатов численных экспериментов показано, что если облако имеет переохлажденную вершину (именно эти облака дают интенсивные осадки), то попадание в облако крупных дымовых частиц с размерами более 1 мкм приводит к ослаблению осадков. Массовые пожары создают условия для вторжения крупнодисперсного аэрозоля в переохлаждённую часть большого количества облаков, что приводит к быстрой кристаллизации переохлаждённых водяных капелек в них. Такие облака дают существенно более слабые осадки, чем те облака, вершины которых состоят из суперпозиции ледяных кристаллов, снега и дождевых капель.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Массовые лесные пожары, количество которых увеличилось в последние годы, существенным образом влияют на ландшафтные изменения в азиатской части России. Кроме того, дымовые шлейфы от таких пожаров уменьшают прозрачность атмосферы и влияют на процессы облако- и осадкообразования на обширных территориях.
Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант 03-05-65279
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Динамика лесов, находящихся в ведении лесных органов, по основным лесообразующим породам за 1966-1988 гг. (без лесов, переданных в долгосрочное пользование). М., 1989. 160 с.
2. Дроздов О.А., Васильев В.А., Кобышева Н.В., Раевский А.Н., Смекалова Л.К., Школьный Е.П. Климатология. Ленинград, Гидрометеоиздат, 1989, 568с.
3. Knowles, Captain John B., 1993, M.S. Thesis: The influence of forest fire induced albedo differences on the generation of mesoscale circulations. Department of Atmospheric Science, Colorado State University, 86 pp.
4. http://blue.atmoscolostate.edu/publications/pdf/knowles.pdf
5. Харук В.И., Двинская М.Л., Рэнсон К. Дж., Им С.Т. Проникновение вечнозеленых хвойных деревьев в зону доминирования лиственницы и климатические тренды. Экология, 2005, N 3, с.186-192.
6. Харук В.И., М.Л. Двинская, К. Дж. Рэнсон, Пространственно-временная динамика гарей в зоне доминирования лиственницы, Экология, 2005, N 5, с.334-343.
7. Шлычков В.А., Мальбахов В.М. Расчет высоты подъема дымового аэрозоля, вовлекаемого в облачные системы в зоне лесного пожара. Оптика атмосферы и океана. -Томск, 2004г., Тематический выпуск «Аэрозоли Сибири», том 17, №5-6, стр.453-456.
8. Гришин А.М. Математическое моделирование лесных пожаров и новые способы борьбы с ними: Новосибирск, Наука, Сибирское отделение, 1992, 404 с.
9. Облака и облачная атмосфера. Справочник, под редакцией Мазина И.П., Хргиана А.Х. Гидрометеоиздат, Ленинград, 1989. - 648с.
10. Кондратьев К.Я. Атмосферный аэрозоль как климатообразующий компонент атмосферы. Оптика атмосферы и океана - Томск, 2004г., Том 17, №1, стр. 5-24.
11. Мейсон Б. Дж. Физика облаков, Гидрометеоиздат, Ленинград, 1961. - 541с.
12. Сухинин А.И. Якутские пожары 2002 г. как прообразы глобальных экологических катастроф. Материалы 5-й Международной конференции "Природные пожары: возникновение, распространение, тушение и экологические последствия". Изд-во Томского университета, Томск, 2003, с.181-182.
13. Дубровская О.А., Козлов В.С., Мальбахов В.М. Оценка влияния крупных дымовых частиц на процессы осадкообразования. Оптика атмосферы и океана. - Томск, 2005, Тематический выпуск «Аэрозоли Сибири», Том 18, №5-6, стр. 430-434
© О.А. Дубровская, А.А. Леженин, В.М. Мальбахов, В.А. Шлычков, 2006
