Исследование процесса воспламенения лесного горючего материала сфокусированным солнечным излучением

Лесные пожары продолжают оставаться одним из наиболее опасных стихийных бедствий, так как они наносят вред окружающей среде, приводят к значительному материальному ущербу, нарушению условий жизнедеятельности людей, гибели спасателей и населения. В условиях глобального потепления климата обстановка с лесными пожарами в ряде стран мира стала носить угрожающий характер. Так, в 2023 г. в результате многочисленных пожаров был полностью уничтожен город на Гавайях, погибли более 110 чел., 4,5 тыс. чел. были эвакуированы, сгорело 2 тыс. зданий, общий ущерб составил около 5,5 млрд долл. США (рис. 1) [1]. Крупные пожары также наблюдались в Канаде, России, Греции, Португалии, Испании и других странах.

Причины лесных пожаров носят как природный, так и антропогенный характер: к природным относят грозовые разряды, извержения вулканов, падения метеоритов и др.; к антропогенным – деятельность человека (сельскохозяйственные палы, непотушенные костры, окурки и спички, искры при работе транспорта и т.п.). Кроме того, в возникновении возгораний в лесу существенное место отводится сфокусированному солнечному излучению [2–7]. В результате деятельности людей в природных экосистемах скапливаются многочисленные стеклянные осколки и тара в виде банок и бутылок. Утверждается, что в условиях продолжительной засухи и солнечной активности данные предметы могут способствовать воспламенению живого напочвенного покрова и вызвать лесные пожары [2, 3]. Эти утверждения основываются на опытах, связанных с искусственным воспламенением живого напочвенного покрова потоком солнечного излучения, сфокусированного стеклянной линзой. Однако мы не считаем, что такой эксперимент соответствует реальным условиям. В рамках эксперимента линзу держат в руках на расстоянии от растительности, обеспечивающем оптимальную фокусировку, что не отвечает условиям нахождения брошенного стекла в лесу непосредственно на живом напочвенном покрове. Осколки стекла не являются линзой, поскольку их толщина в любом месте практически одинакова. Пустая стеклянная тара в виде банок и бутылок, хотя и имеет цилиндрическую форму, линзой не является потому, что внутри и снаружи находится среда с одинаковым показателем преломления – воздух. Следовательно, осколки стекла и пустая тара не способны фокусировать солнечное излучение, а на основании проведенных экспериментов с линзой делать выводы о возможности воспламенения живого напочвенного покрова от стеклянной тары и ее осколков некорректно. К тому же выводы о причинах лесных пожаров, связанных с брошенным стеклом, зачастую носят сугубо предположительный характер.

Рис. 1. Последствия лесных пожаров на Гавайских островах в августе 2023 г.

Следует отметить, что до настоящего времени нет единого мнения о механизмах воспламенения лесного горючего материала различными источниками зажигания, не связанными с открытым огнем [8–13]. Проведен ряд исследований, демонстрирующих возможность возгорания растительности нагретыми до высокой температуры стальными и углеродистыми частицами, стеклянной линзой, тепловым потоком от факела пламени [14–16]. При этом отсутствуют исследования процессов воспламенения напочвенного покрова в результате воздействия солнечного излучения, сфокусированного стеклянными банками, бутылками и их осколками.

Цель исследования – установить закономерности воспламенения наземного лесного горючего материала потоком солнечного излучения, сфокусированным стеклянной тарой и ее осколками.

Материалыи методы исследования

Для проведения экспериментальных исследований в лесных массивах Республики Беларусь, отнесенных к наиболее опасному первому лесопожарному поясу, были отобраны образцы наземного лесного горючего материала в виде мха, травы, опада листвы, еловой и сосновой хвои, коры, мелких веток. Перед экспериментами исследуемые образцы по влажности разбивали на три группы (10, 20 и 30 %) посредством сушильно-весового метода. Указанные диапазоны влажности отвечают условиям продолжительной засухи с высокой вероятностью возникновения лесных пожаров.

В качестве источника фокусировки солнечного излучения была выбрана тара из прозрачного стекла в виде банок вместимостью 0,5, 1,0, 2,0, 3,0, 5,0 и 10,0 л и бутылок вместимостью 0,33, 0,5, 0,7 и 1,0 л. Тара использовалась как в пустом виде, так и наполненная водой (рис. 2). Также были подготовлены образцы осколков указанной тары в виде донышек, боковых стенок и горлышек разного размера.

При проведении экспериментов образцы лесного горючего материала раскладывали на сухих деревянных брусках, обладающих низкой теплопроводностью, что соответствует наихудшим условиям при пожаре. Погодные условия отвечали V классу пожарной опасности в лесу (чрезвычайная горимость), температура воздуха составляла 25–30 °С, порывы ветра достигали 3–4 м/с, облачность отсутствовала. Время проведения опытов – 11.00–15.00.

При проведении экспериментов фиксировали время начала пиролиза и воспламенения лесного горючего материала вследствие воздействия солнечного излучения, прошедшего через выбранную тару или ее осколки. При отсутствии воспламенения образцов в течение 4 ч эксперимент прекращали. При возникновении устойчивого пламенного горения опыт повторяли с данным источником фокусировки на новых, однотипных по виду и влажности образцах лесного горючего материала до фиксации воспламенения не менее 3-х образцов.

Результаты и обсуждение

В результате проведенных экспериментов установлено, что при воздействии сфокусированного солнечного излучения только мох проявляет способность к воспламенению независимо от плотности слоя образца (рис. 3). Для его возгорания нужны стеклянные банки вместимостью 1,0 л и более, наполненные водой или другой прозрачной жидкостью. Время воспламенения носит случайный характер и может колебаться в широком диапазоне – от нескольких минут до 1 ч. Существенное влияние на возникновение горения оказывают кратковременные порывы ветра, раздувающие обугленные участки образца, что способствует возникновению пламени. Воспламенение образцов мха наблюдалось для всех исследуемых групп его влажности с незначительным увеличением времени зажигания с повышением влагосодержания (рис. 4).

а

б

Рис. 2. Процесс фокусировки солнечного излучения наполненной водой ( а ) и пустой ( б ) стеклянной тарой

б

Рис. 3. Воспламенение мха при воздействии сфокусированного солнечного излучения

( а – процесс активного выделения продуктов пиролиза, б – процесс воспламенения)

Время воспламенения, мин

y = 12,418x-0,381

y = 8,4827x-0,451

y = 7,1689x-0,546

0  246810  12

Вместимость стеклянных банок, л

10 %   20 %   30 %

Рис. 4. Зависимость времени воспламенения мха влажностью 10, 20 и 30 % от вместимости стеклянных банок, фокусирующих солнечное излучение

(точки – эксперимент, кривые – аппроксимация)

Время воспламенения мха влажностью 10 % при фокусировке солнечного излучения стеклянной банкой вместимостью 1 л составляет около на возникновение горения, является плотность слоя образца. При низкой плотности образца в виде разрозненных стеблей травы или слоя из нескольких листьев происходило точечное прогорание травинок или верхних листьев без возникновения горения (рис. 5а). В случае плотного травяного покрова или толщины слоя листьев 1 см и более наблюдался процесс обугливания рассматриваемого материала с возможным воспламенением при порывах ветра около 3–4 м/с (рис. 5б). При этом возгорание происходило при влажности травы и листвы 10–30 % и использовании для фокусировки солнечного излучения тары в виде стеклянных банок вместимостью 1,0 л и более, наполненных водой или другой прозрачной жидкостью.

Другие образцы лесного горючего материала при проведении экспериментов не поддерживали устойчивое пламенное горение по своей поверхности. Так, при воздействии потока солнечного излучения, сфокусированного бутылками вместимостью до 1,0 л и банками до 2,0 л, на опад еловой и сосновой хвои наблюдалось обугливание отдельных хвоинок без активного выделения продуктов пиролиза. Данное обстоятельство для сосновой хвои объясняется рыхлой структурой образца с наличием воздушных пустот, что не обеспечивает требуемого уровня нагрева в области фокусировки излучения (рис. 6). Для еловой хвои характерна более плотная структура слоя, однако из-за меньшего размера хвоинок происходило их быстрое обугливание без активного выделения продуктов пиролиза. При тепловом воздействии потоком солнечного излучения, сфокусированного стеклянными банками вместимостью от 3,0 л, наблюдалось более интенсивное дымообразова-ние, и при порывах ветра могли возникать языки пламени с быстрым его затуханием без формирования устойчивого горения. Для воспламенения указанных образцов требуются большие тепловые потоки, что недостижимо в условиях фокусировки солнечного излучения стеклянной тарой.

Опад коры и мелких веток также не воспламенялся при воздействии сфокусированного солнечного излучения независимо от вместимости тары. В процессе теплового воздействия

а

б

Рис. 5. Воздействие сфокусированного солнечного излучения на образцы опада листвы ( а ) и сухой травы ( б )

а

Рис. 6. Воздействие сфокусированного солнечного излучения на образцы опада еловой хвои ( а – процесс теплового воздействия, б – процесс обугливания)

б

наблюдалось точечное обугливание без активного дымообразования (рис. 7). Данные материалы обладают достаточно плотной структурой и для их воспламенения требуется более интенсивное тепловое воздействие.

В лесу живой напочвенный покров представляет собой смесь исследуемых образцов. Следовательно, его воспламенение возможно при попадании сфокусированного солнечного излучения на компонент в виде мха, травы или опада листвы.

а

б

Рис. 7. Воздействие сфокусированного солнечного излучения на образцы опада коры ( а ) и мелких веток ( б )

Важно отметить, что поток солнечного излучения, прошедший через пустую стеклянную тару или ее осколки независимо от их размера и формы, не приводил к пиролизу и, как следствие, к воспламенению лесного горючего материала.

Заключение

В результате проведенных исследований установлены закономерности воспламенения наземного лесного горючего материала сфокусированным солнечным излучением, на основании чего могут быть усовершенствованы пожарно-профилактические мероприятия и методики установления причин лесных пожаров.

В качестве основных выводов работы можно выделить следующее:

• 1.    В условиях глобального потепления климата с образованием продолжительных пожароопасных периодов существует вероятность

• 2.    Для воспламенения наземного лесного горючего материала потоком солнечного излучения требуется стеклянная тара в виде банок вместимостью 1,0 л и более, наполненная водой или другой прозрачной жидкостью. Брошенные на живой напочвенный покров стеклянные бутылки и осколки не формируют потоки излучения, достаточные для воспламенения растительности.

• 3.    Время воспламенения живого напочвенного покрова может варьировать в широких пределах и определяется влажностью и плотностью горючего материала. Важным условием возникновения и поддержания процесса горения является наличие кратковременных порывов ветра, способствующих раздуванию обугленной растительности и образованию пламени.

возникновения лесных пожаров от сфокусированного солнечного излучения на участках леса с преобладанием в напочвенном покрове мха, травы и опада листвы.