27 января 2021
Ученые нашли способ обнаруживать лесные пожары на ранней стадии
Томские ученые исследовали, как степные пожары влияют на метеорологические параметры атмосферы и на содержание в ней разных соединений. Удалось зафиксировать заметные изменения газового состава воздуха — авторы предлагают ориентироваться на них, чтобы обнаружить и потушить степной пожар, пока не стало слишком поздно. Результаты работы, поддержанной грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Atmosphere.
Климат меняется, и с каждым годом мы все чаще слышим в новостях о новых и новых природных пожарах, часто к их возникновению прикладывает руку и человек. Огромные территории превращаются в выжженные пустоши, гибнут животные и люди. Продукты горения (оксиды азота, углерода, серы и прочие) и твердые частички загрязняют атмосферу, и превышение их допустимого содержания может фиксироваться даже на некотором удалении от пожарища.
«Еще в прошлом веке люди осознали то, насколько важно изучать лесные пожары. Если мы сможем понять, какие процессы происходят непосредственно в горящей зоне, то сможем не только эффективнее бороться и контролировать эти опасные ситуации, но и вовсе предотвращать их, — рассказывает руководитель проекта по гранту РНФ Денис Касымов, кандидат физико-математических наук, заведующий учебной лабораторией кафедры физической и вычислительной механики механико-математического факультета Томского государственного университета. — Мы вместе с коллегами из Института оптики атмосферы СО РАН провели полунатурный эксперимент: под строгим контролем воссоздали степной пожар на небольшой территории, 40 на 15 метров, и исследовали основные характеристики для этого участка — влажность, температуру, давление, воздушные потоки и содержание различных веществ в воздухе. В этом нам помогли дистанционные приборы, такие как инфракрасные термографы, ультразвуковые метеостанции и устройства для регистрации парниковых и окислительных газов на специальной станции».
Температура и влажность на месте пожара повышаются резко, но сам процесс горения очень неравномерный — где-то растения растут гуще, где-то они более «сочные». Самые интересные результаты получились при анализе данных для воздушных потоков. Поскольку на участке выделялось очень много тепла (максимальная температура оказалась выше 900 °С), то нагретый воздух поднимался вверх, тем самым усиливая вклад вертикальной составляющей ветра, который, несомненно, также влияет на огонь. Получился своего рода насос, закачивающий кислород из окружения, — пожар сам себя снабжает топливом, горение ускоряется. Подобное явление — «собственный ветер» — теоретически описывалось еще в конце прошлого века, но экспериментальные доказательства его существования появились лишь сейчас.
Факторов очень много, и при компьютерном моделировании точно воспроизвести их невозможно; полевые же эксперименты сложны и опасны, а также отличаются внешними условиями — нужно много данных, чтобы набрать статистику. Кроме того, нагрев вносит хаос в естественные потоки: ровные, не перемешивающиеся (ламинарные) струи воздуха становятся вихрями. Это не только способствует распространению пожара на новые территории, но и нарушает атмосферные режимы — например, дождевые тучи разгоняются, и осадки, которые могли бы потушить огонь, просто не выпадают.
«Также наши эксперименты показали, что даже небольшой пожар способствует выбросу в атмосферу значительного количества загрязняющих веществ. Кроме оксидов, это еще и метан, но мы пока не можем объяснить, откуда он берется. В любом случае, хотя из-за воздушных потоков на нашу станцию газы попали не сразу, мы смогли их зарегистрировать. Значит, такой подход позволяет засечь возгорание на ранних этапах — пока не наступили катастрофические последствия — и вовремя его потушить», — подводит итог Денис Касымов.
|