Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние вопроса 7
Глава 2. Программа и методика исследований. Объекты исследований .
2.1. Программа исследований. 30
2.2. Методика исследований. 30
2.3. Характеристика объектов исследования . 45
Глава 3. Элементный состав различных видов лесных горючих материалов и концентрация аэрозолей, образующихся при их сгорании
3.1. Элементный состав лесных горючих материалов 66
3.2. Скорость и полнота сгорания некоторых видов ЛГМ 71
3.3. Элементный состав аэрозолей . 73
Глава 4. Элементный состав аэрозолей при пожарах разной интенсивности в сосняке лишайниково-зеленомошном .
4.1 Оценка запасов ЛГМ на экспериментальных участках. 79
4.2. Условия проведения эксперимента и характеристики поведения пожаров.
4.3. Эмиссии при лесных пожарах разной интенсивности . 86
Глава 5. Содержание органического и неорганического углерода в аэрозолях при лесных пожарах разной интенсивности 102
5.1. Содержание органического и неорганического углерода в аэрозолях, образующихся при горении отдельных видов ЛГМ-
5.2. Содержание органического и неорганического углерода в аэрозолях при пожарах разной интенсивности .
Глава 6 Оценка объема эмиссий при сгорании некоторых видов лесных горючих материалов .
6.1. Расчет объема эмиссий при сгорании некоторых видов ЛГМ. 102
6.2. Расчет объема эмиссий при лесных пожарах разной интенсивности.
Выводы 109
Заключение 111
Список использованных источников 112
Приложения 125
- Характеристика объектов исследования
- Элементный состав аэрозолей
- Эмиссии при лесных пожарах разной интенсивности
- Содержание органического и неорганического углерода в аэрозолях при пожарах разной интенсивности
Введение к работе
Актуальность работы
Состояние окружающей среды во многих регионах нашей планеты свидетельствует о все более возрастающем влиянии человека. Человеческая деятельность является главной причиной таких изменений, как уничтожение лесов вследствие пожаров и вырубки, вымирание некоторых видов животных и растений, выпадение кислотных осадков, истощение стратосферного озона и угроза глобального потепления.
В мире насчитывается примерно 1,2 млрд. га бореальных лесов и лесных земель и примерно 900 млн. га из них приходится на сомкнутые бореальные леса (FIRESCAN, 1994). Это составляет около 30% мировых запасов леса. По различным оценкам углерод, накопленный в бореальных лесах, составляет 10-17% глобальных наземных запасов углерода в почвах и в растительном материале (Apps et. al. 1993, Bolin 1986). Около 2/3 бореальных лесов находится в России; это примерно 774 млн га, из которых спелые и перестойные насаждения составляют около 330 млн. га (Лесной фонд России, 1999). В связи с такой огромной площадью, большим запасом углерода и благодаря своей чувствительности к изменениям климата, бореальные леса давно признаются важнейшим фактором в мировом балансе углерода (Crutzen et. al., 1979). Пожары ежегодно охватывают 12-15 млн. га сомкнутых бореальных лесов, большая часть которых находится в Евразии (Conard, Ivanova, 1997). Это больше, чем площадь ежегодных рубок или территория, подвергающаяся действию других стрессовых воздействий, например, насекомых. Пожары являются основным экологическим фактором, вносящим коренные изменений в лесные экосистемы. Эти изменения значительно усугубляются в процессе горения биомассы при лесных пожарах. Выделяющиеся при этом эмиссии оказывают влияние на химический состав атмосферы, являются одной из составляющих глобального цикла углерода.
4 Целью настоящей работы является количественная и качественная оценка состава эмиссий при лесных низовых пожарах различной интенсивности в среднетаежных сосняках Средней Сибири. В соответствии с этим в задачи исследования входило:
Изучение состава и концентрации эмиссии аэрозолей при горении различных видов лесных горючих материалов (ЛГМ);
Определение состава и концентрации эмиссий аэрозолей при пожарах разной интенсивности на примере сосняков лишаиниково-зеленомошных;
Оценка количественного выхода углерода при пожарах разной интенсивности;
4. Расчет объема эмиссий при лесных пожарах.
Защищаемые положения
Состав и концентрация эмиссий аэрозолей при лесных пожарах определяется комплексом горючих материалов и интенсивностью горения. Доля аэрозолей в общей газо-аэрозольной эмиссии не превышает 1-3%.
Количество освобожденного углерода при лесных пожарах тесно связано с интенсивностью горения на кромке пожара.
При лесных пожарах органического углерода выделяется в 3 раза больше, чем неорганического и это соотношение не зависит от интенсивности пожара.
Научная новизна
Впервые показаны элементный состав и концентрация аэрозолей при низовых пожарах разной интенсивности на примере среднетаежных сосняков лишаиниково-зеленомошных. Определена концентрация химических элементов в некоторых видах лесных горючих материалов и аэрозолях, образующихся при их сгорании. Установлена концентрация органического и неорганического углерода в аэрозолях при лесных пожарах разной интенсивности, а так же при сгорании отдельных видов ЛГМ. Проведена оценка объема газовой и аэрозольной компоненты эмиссий при лесных
5 пожарах разной интенсивности. Установлено, что доля аэрозолей в общей
газо-аэрозольной эмиссии не превышает, как правило, 1-3% (по массе).
Наибольшая доля в углеродосодержащих газо-аэрозольных эмиссиях
приходится на СО и СОг, а остальные газы составляют менее 5%.
Максимальные объемы эмиссии СО и С02 в атмосферу наблюдаются при
высокоинтенсивных лесных пожарах.
Практическая значимость
Полученные данные расширяют представление об элементном составе аэрозолей и газовом составе эмиссий, образующихся при лесном пожаре. Результаты исследований могут быть использованы для понимания природы и механизма парникового эффекта, оценки эмиссии С02 в атмосферу при лесных пожарах в бореальных лесах, а так же при разработке индивидуальных средств защиты органов дыхания для людей, работающих на тушении лесных пожаров.
Личный вклад автора
Диссертационная работа выполнена в Институте леса им. В.Н. Сукачева СО РАН и является частью исследований, выполненных в рамках интеграционного проекта СО РАН 064 "Аэрозоли Сибири" и российско-американского проекта 076 "Оценка и мониторинг воздействия гарей и интенсивности пожаров на эмиссии, баланс углерода, состояние и устойчивость лесов Средней Сибири" (Estimating and Monitoring Effects of Area Burned and Fire Severity on Carbon Cycling, Emissions, and Forest Health and Sustainability in Central Siberia). Все исследования по теме диссертации выполнены непосредственно автором, либо при его непосредственном участии.
Апробация работы.
Основные результаты диссертации доложены на научно-практических конференциях "Аэрозоли Сибири" (Томск, 2000-2002), научно-практических
конференциях СибГТУ (Красноярск, 2001), на международных научно-практических конференциях (Иркутск, 2001; Хабаровск, 2002; Красноярск, 2002).
Публикации
По результатам исследований опубликовано 15 печатных работ, в т.ч. 2 в рецензируемых журналах.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. Работа изложена на 154 странице, включает 21 рисунок, 35 таблиц и список использованной литературы содержащей 143 источника.
Считаю своим приятным долгом выразить благодарность научным руководителям д.б.н., проф. А.П. Абаимову и д.ф.-м.н., проф. К.П. Куценогому, оказавшим влияние на формирование научных интересов автора, а также консультативную помощь в процессе работы над рукописью диссертации. Автор выражает благодарность Дугласу МакРею (Канадская Лесная Служба), Стиву Бейкеру (Федеральная Лесная Служба США), П.А. Цветкову и В.Д. Перевозниковои за всестороннюю помощь и поддержку в процессе выполнения комплексных исследований, полевых экспериментов, обработке и анализе материалов. Особая благодарность заведующему В.И. Макарову и сотрудникам лаборатории дисперсных систем Института химической кинетики и горения СО РАН за помощь в проведении анализов аэрозольных проб. На разных этапах работы существенное содействие советами и замечаниями оказали Ю.Н. Самсонов, В.А. Иванов и Г.А. Иванова, за что всем им автор выражает свою искреннюю благодарность. Автор глубоко признателен Сюзан Г. Конард (Федеральная Лесная Служба США) за организацию комплексных экспериментов, без которых данная работа не была бы осуществлена.
Характеристика объектов исследования
Территория района исследований расположена на Сымской равнине, которая является дренированным участком восточной окраины Западно-Сибирской равнины, связанным с отрогами Енисейского кряжа, переходящими здесь на левый берег Енисея. От Урала до Енисея идет цепочка повышений до 150- 290 м, так называемые Сибирские Увалы. Под всей Западно-Сибирской низменностью залегает жесткая плита, состоящая из сильно метаморфизованных палеозойских пород, смятых во время герцинской складчатости. Во время серии разломов, неоднократно происходивших в последующие эпохи, Западно-Сибирская плита имела преимущественную тенденцию к опусканию. В результате она заполнилась относительно спокойно залегающими слоями, начиная от верхнеюрских песчаников, конгломератов, морских глин и кончая палеогеновыми, частично неогеновыми и четвертичными, преимущественно песчано-глинистыми слоями (Средняя Сибирь, 1964).
Территория представляет относительно приподнятую равнину, на которой выделяются несколько геоморфологических уровней: речные долины с заболоченными поймами, обширные заболоченные поверхности водоразделов, выше которых располагаются не размытые останцовые участки материков. Кровля фундамента поднимается местами до 200 м над уровнем моря (Средняя Сибирь, 1964).
Сымская равнина также сложена зандровыми песками и песчаными аллювиальными отложениями. Здесь расположены бассейны притоков Енисея - Каса, Сыма, Дубчеса и Елогуя. Равнинный рельеф обусловливает сильную извилистость русел рек с медленным течением. Избыточная атмосферная влажность и высокое стояние зеркала грунтовых вод способствовали образованию огромного количества малых озер и болот. Болота, превышающие по площади лесные суходолы, изобилуют мочажинами. Большие пространства плакоров низменности заняты болотами, а леса приурочены к дренированным склонам междуречий и к долинам рек. Среди почвообразующих пород преобладают различные суглинки водного генезиса. В речных долинах и древних ложбинах стока широко распространены аллювиальные пески и супеси (Жуков и др., 1969; Горожанкина, Константинов, 1978; Пармузин, 1985).
На территории Западно-Сибирской низменности завершается трансформация атлантического воздуха в континентальный и наблюдается закономерное нарастание континентальности климата с севера на юг. Следствием этого является четкая зональность ландшафтов и более определенное деление на подзоны.
Выражена смена широтных зон: от зональной тундры на севере до лесостепей на юге. Разнообразие комплекса природных условий обусловлено многими факторами: климатическими, геологическими, рельефом. Леса района, где был проведен пожарный эксперимент относятся к среднетаежным соснякам Сымской равнины (Пармузин, 1985).
Район исследований относится к подзоне средней тайги. Климат этой зоны прохладный и влажный. Среднегодовая температура колеблется от - 3,2 до - 5,7С. Годовая сумма осадков составляет 450-500 мм, но значительно варьирует по годам. Безморозный период продолжается 86-107 дней. Зимой рассматриваемая территория находится под влиянием отрога устойчивого сибирского антициклона. Морозы могут достигать - 50С. Весной, усилившаяся инсоляция способствует понижению общей влажности воздуха, что нередко вызывает засухи.
Летом развивается циклоническая деятельность, способствующая проникновению нагретого воздуха с юга. И хотя наибольшее количество осадков приходится на летние месяцы, тем не менее, засушливые периоды здесь наблюдаются часто. Они образуются под влиянием выноса сухого и теплого воздуха из Средней Азии, Монголии, а также центральной части Восточной Сибири. Засухи могут охватывать или всю территорию региона или лишь его часть. Горимость лесов в летний период обуславливается длительными засушливыми периодами, в течение которых лесные участки достигают состояния пожарной зрелости. Крупные пожары в это время года многочисленны. Наибольшая горимость наблюдается в июне. В целом горимость лесов территории высокая (Валендик, 1990).
Общая лесистость территории - 73%, заболоченность - 27%. Достаточно широко представлены площади заболоченных лесов. Распределение лесопокрытой площади по породам следующее: сосновые леса - 42,5%, еловые - 34%, кедровые - 5,5%, лиственничные - 7%, березовые - 7%, осиновые - 4% (Жуков и др., 1969). Наиболее ценными являются сосновые боры зеленомошной группы (брусничные, черничные, багульниковые), произрастающие на песчаных гривах (зандровые пески) с подзолистыми почвами. Лишайниковые сосняки занимают наиболее высокие участки грив с сильноподзолистыми почвами. Сосняки долгомошной и сфагновой групп типов леса занимают значительные площади. Среди еловых лесов широко распространены зеленомошные, долгомошные, и особенно травяно-болотные ельники. Они тесно связаны с кедровыми лесами. Лиственничные леса довольно редки и встречаются лишь в долинах крупных рек. Они представлены в основном зеленомошной группой типов леса. Березовые леса производные, возникли на месте сгоревших травяно-болотных темнохвойных лесов.
Экспериментальный полигон расположен в бассейне рек Дубчес и Сым на северо-западе от п. Ярцево на удалении 90 км в среднем течении реки Тугулан левого притока р Енисей. Географические координаты 6038 с.ш. и 8944 в.д. Насаждения представлены сосняками лишайниково-зеленомошными. Они сформировались под воздействием пожаров на плоской песчаной гриве, окруженной травяно-сфагновыми и крупноосоковыми болотами.
Элементный состав аэрозолей
В результате проведенного анализа был выявлен элементный состав аэрозолей, образующихся при горении различных видов напочвенных лесных горючих материалов, и их значения массовой концентрации в мкг/см2 (табл.3.6).
Всего при горении лесных горючих материалов в образующихся эмиссиях было достоверно определено 22 химических элемента. Элементный состав аэрозолей сохраняет элементы, которые входили в состав ЛГМ, но при этом их концентрация значительно ниже. Наибольшее их количество определено в аэрозолях, образующихся при горении подстилки (22 химических элемента), наименьшее - при горении веточек сосны (13 химических элементов).
Из сравнения данных таблиц 3.1. и 3.6. следует, что в аэрозолях отсутствуют (или находятся в очень незначительной концентрации) тяжелые химические элементы такие как: Bi, U, Hg, Th, Се, W, Zr, Nb, Mo, которые выявлены в составе некоторых видов ЛГМ.
Выявлена довольно тесная связь между элементным составом некоторых видов ЛГМ и составом аэрозолей, образующихся при их сгорании при лабораторных экспериментах. Коэффициент корреляция составил: для хвои сосны - 0,77; веточек сосны - 0,69. Для таких видов ЛГМ как мох Шребера и подстилка тесной связи не установлено (коэффициент корреляция составил, соответственно 0,37 и 0,21).
Кроме лабораторных экспериментов были проведены стендовые. На стенде размером 140x65 см распространялось горение по слою из хвои сосны, веточек сосны с сухого упавшего дерева и веточек с живого дерева, лишайнику. Экспериментальные выжигания также проводились на площадках в природных условиях с однородным покровом из лишайника с примесью брусники, мха и багульника. Весовое количество аэрозолей на фильтре, характеристика места отбора проб и фазы горения приведены в приложении 2. В таблице 3.7. приведен элементный состав аэрозолей, образовавшихся при горении слоев ЛГМ.
Мы сопоставили полученные данные по элементному составу аэрозолей при лабораторных (табл.3.6) и стендовых (табл. 3.7) экспериментах. В результате установлено, что концентрация химических элементов в аэрозолях, образующихся при сгорании одного и того же вида ЛГМ, различны. Это объясняется скорее всего тем, что при лабораторных опытах аэрозоли находились в ограниченном пространстве, а при стендовых опыты проводились в естественных условиях и в значительной степени размывались в окружающей воздушной среде. Поверхностная концентрация элементов в аэрозолях обратно пропорциональна их содержанию в горючем материале. Например, в аэрозолях концентрация Са ниже по сравнению с К, хотя его содержание в ЛГМ больше в 2 раза. Это объясняется по-видимому тем, что большая часть Са при сгорании ГМ остается в золе (10-30%) в то время как доля К в золе составляет всего 1-2 %. Это подтверждается составом конденсированных продуктов горения (табл. 3.3). Так содержание Са в них больше на порядок по сравнению с ГМ.
Известно, что каждый год на поверхность земли оседает большое количество пыли. И вполне вероятно что, наличие большого количества химических элементов в аэрозолях, образующихся при сгорании различных видов ЛГМ, объясняется этим обстоятельством. Для проверки гипотезы были проведены эксперименты в полевых условиях по оценке элементного состава аэрозолей образующихся при горении лишайника в естественном состоянии и чистого (промытого). Лишайник, отобранный с одного и того же места, был промыт и высушен. Были взяты пробы аэрозолей при сгорании лишайника в естественном состоянии и промытого.
Так, в элементном составе аэрозолей, образовавшихся при сгорании лишайника в естественном состоянии, было определено на 2 химических элемента больше, чем в промытом лишайнике. Концентрация элементов в промытом лишайнике была также ниже, чем в лишайнике в естественном состоянии. Следовательно, пыль, осаждающаяся на поверхности ЛГМ, оказывает определенное влияние на химический состав аэрозолей, образующихся при их сгорании.
Некоторые из химических элементов могут в заметных количествах входить в природный химический состав самого растительного материала. Например, калий является жизненно важным элементом для функционирования мембран растительных клеток (т.н. «калиевый насос»). При сгорании растительной массы эти элементы частично остаются в зольном остатке, но частично проявляются в виде аэрозольной эмиссии. Наличие таких элементов в аэрозолях как хром Сг, цинк Zn, селен Se, бром Вг, молибден Мо и, вероятно, марганец Мп обусловлено сгоранием растительных (древесных) тканей. В тоже время такие элементы как титан Ті, стронций Sr, цирконий Zr, (возможно) кальций Са и некоторые другие имеют, вероятнее всего, почвенное происхождение
В результате проведенных исследований элементного состава ЛГМ, скорости и полноты их сгорания а также элементного состава аэрозолей, можно сделать следующие выводы:
1. В элементном составе изученных ЛГМ определено 30 химических элемента. Для каждого вида горючих материалов характерна своя концентрация того или иного химического элемента.
2. Элементный состав аэрозолей, образующихся при сгорании отдельных видов ЛГМ, сохраняет элементный состав ЛГМ, но в значительно меньшей концентрации. При этом концентрация элементов в аэрозолях обратно пропорциональна их содержанию в горючих материалах.
3. Скорость сгорания ЛГМ зависит от их вида и влагосодержания, наибольшая скорость сгорания наблюдается у подстилки. Доля несгоревшего ЛГМ зависит от его вида и влагосодержания.
4. При увеличении в подстилке влагосодержания от 6,2 до 58% величина недожога увеличивается в 1,5 раза, а у веточек сосны при увеличении влагосодержания от 8,6 до 16% этот показатель также увеличивается в 1,2 раза..
Эмиссии при лесных пожарах разной интенсивности
Как отмечалось ранее, одной из основных задач исследований являлась качественная оценка или определение элементного состава аэрозолей, образующихся при лесном пожаре.
При экспериментальных выжиганиях предусматривалось не только оценка величины газо-аэрозольной эмиссии, но и выяснение изменений, происходящих в различных компонентах лесного биоценоза. Это, прежде всего, относится к ЛГМ, которые являются основным горючим материалом при процессе горения.
Ранее при анализе данных об элементном составе ЛГМ и аэрозолей., образующихся в процессе горения отдельных видов ЛГМ, было установлено что аэрозоли содержат в своем составе те же элементы „что и в ЛГМ, но в меньшей концентрации.
Описание условий отбора аэрозольных проб во время экспериментов в 2000-2002гг. представлено в приложении 2-9. В нем же приведены сведения о привесе фильтров после аэрозольной прокачки (т.е. о весовом количестве аэрозолей на фильтре), о времени прокачки дыма через фильтр, о характере горения участка вблизи места отбора проб и т.п.
Аэрозоли были отобраны во время высокоинтенсивных пожаров (17-18 июля 2000 г) на участке 14 и во время слабоинтенсивного пожара (26 июля 2000 г.) на участке 13. В 2001 - 2002 году эксперименты были продолжены. Сведения о содержании химических элементов в аэрозольных пробах представлены в таблице 4.8.
Мы рассчитали средние значения по каждому элементу для каждого выжигания (таблица 4.8). Было выявлено, что содержание многих элементов в аэрозолях выше при слабоинтенсивном горении по сравнению с высокоинтенсивным.
Из данных таблицы 4.8. и приложения 2 можно оценить суммарную массовую долю, которую составляют элементы, определяемые в аэрозолях методом РФА СИ. Полученные значения не превышают 1%. Это означает, что заметную долю массы аэрозолей должны составлять более легкие элементы, которые имеют более низкие, чем К, значения атомных весов.
Возможно, среди них могут быть такие элементы, как CI, S, N, Na. Они могут входить в водо-растворимую компоненту аэрозольных частиц и, по-видимому, их содержание можно определить лишь методом ионной хроматографии. Поэтому одной из задач дальнейших исследований является получение массового баланса в составе аэрозольных частиц, образующихся при лесных пожарах.
«Вертолетные» аэрозольные пробы с использованием стекловолокнистых фильтров были проанализированы в Институте химической кинетики и горения СО РАН. При сопоставлении полученных данных было установлено, что количество аэрозолей, собираемых на фильтры в «вертолетных» условиях, в несколько раз ниже чем в наземных опытах. Это наглядно иллюстрирует данные таблицы 4.9, где представлены результаты анализа «вертолетных» фильтров АФА-ХА. Материалы свидетельствуют, что более-менее надежно регистрируются лишь наиболее «интенсивные» элементы типа К, Са или Fe. При этом было обнаружено, что количество аэрозолей, набираемых на «вертолетных» фильтрах в 30-40 раз меньше, чем это наблюдается в наземных условиях (здесь были учтены разные объемы дыма, прокаченного через стеклофильтры в наземных или вертолетных условиях). Это означает, что концентрация дыма в дымовом шлейфе, на высотах 100-200 м над пожаром, в 5-10 раз ниже, чем непосредственно над кромкой пожара.
Исходя из полученных данных (табл. 4.8; приложение 2-6), можно оценить, что суммарная доля всех зарегистрированных таким методом элементов в среднем составляет 0.3 -1% от полного веса аэрозольной пробы.
Анализ данных по концентрациям элементов в аэрозолях при пожарах различной интенсивности на разных участках, показал, что качественный состав аэрозолей в основном идентичен. Коэффициенты корреляции между концентрациями химических элементов в аэрозолях, образовавшихся при различных пожарах составляют 0,8 - 0,9. И хотя во всех случаях концентрации элементов различаются и в значительной степени определяются параметрами лесного пожара, тем не менее состав во всех случаях сохраняется. Это свидетельствует о том, что он контролируется комплексом горючих материалов.
Значения полных массовых концентраций аэрозольной эмиссии при экспериментальных пожарах 2000 года варьируют в диапазоне от 8 до 80 мг/м при среднем значении около 30 мг/м . В опытах 2001 года вариация концентраций наблюдалась в диапазоне от 15 до 240 мг/м при средней величине 50 мг/м3. Это можно объяснить тем, что пожары 2000 года были более интенсивны, чем 2001 года.
Отбор каждой аэрозольной пробы при контролируемом выжигании заключался в том, что в нескольких местах вдоль одной из сторон экспериментального участка у края фронтальной кромки производится прокачка через фильтр дыма в течение нескольких минут. Очевидно (и это можно наблюдать визуально), что концентрация дыма в точке отбора сильно флуктуирует: от очень мощного задымления до весьма слабого. Эти вариации определяются варьированием скорости распространения пожара, изменениями состава, запасов и влажности комплекса ЛГМ, и носят, в значительной степени, случайный характер. Следовательно, измеренная таким образом концентрация дыма в данной точке и в данный период времени является случайной величиной. Однако средняя концентрации, т.е. усредненная по всем позициям и по всем моментам времени отбора проб, представляет собой весьма информативную величину, характеризующую общую дымообразующую способность лесного пожара. Поэтому вполне правомерно проводить усреднение не только по каждому из отдельных пожарных экспериментов или по каждому отдельному году, но также и по всей совокупности трехлетних опытов.
Если принять во внимание упомянутые средние концентрации за 2001 и 2002 годы (50 и 30 мг/м соответственно), а также учесть, что в 2000 году средние концентрации варьировали в пределах 70 - 100 мг/м3, то можно сделать вывод, что типичные средние концентрации аэрозольной эмиссии над горящей лесной территорией в бореальных лесах Средней Сибири варьируют от 30 до 100 мг/м .
Как видим, средняя концентрация "пожарной" эмиссии, « 50 мг/м3, примерно в тысячу раз превышает известные средние концентрации аэрозолей в свободной атмосфере (20-60 мкг/куб. м). В силу этого, даже при пятидесяти процентной доле минеральных компонентов, полные количества минеральной эмиссии в атмосферу вследствие лесных пожаров являются существенным фактором.
Содержание органического и неорганического углерода в аэрозолях при пожарах разной интенсивности
При проведении экспериментов по моделированию пожаров разной интенсивности была выполнена оценка сгоревшего количества ЛГМ (глава 4).
Мы сопоставили количество всего выделившегося углерода с интенсивностью горения на кромке пожара (рис 5.3).
. Зависимость выхода углерода от интенсивности горения на кромке лесного пожара. Связь между этими величинами тесная и характеризуется коэффициентом 98 корреляции 0,83. Эта связь может быть описана уравнением прямой (у = 0,0015х + 5,3). Следовательно, чем выше интенсивность лесного пожара, тем значительнее количество выделившегося углерода. При лесных пожарах разной интенсивности в сосняках лишайниково-зеленомошных эмиссия углерода при сгорании ЛГМ может изменятся от 4,8 т/га до 15,4 т/га. Результаты анализов по определению органического и неорганического углерода, полученные при горении комплекса лесных горючих материалов во время экспериментов по моделированию поведения пожаров разной интенсивности в 2000-2002 гг., приведены в таблице 5.3. При отборе образцов на фильтры мы регистрировали места отбора образцов, напочвенный покров, по которому распространялось горение, тип горения. Эти сведения приведены в приложениях 3, 4, 5. При лесных пожарах органического углерода выделяется в 3 раза больше чем неорганического и это соотношение не зависит от интенсивности пожара Коэффициент варьирования для соотношения органического и неорганического углерода составил 22,9%. Коэффициент корреляции между содержанием органического и неорганического углерода при пожарах составляет 0,94. В среднем концентрация углерода в аэрозолях составила: суммарного - 17531,9; органического - 12811,6; неорганического - 4720,3 мкг/м3. Рост концентрации суммарного углерода с увеличением интенсивности пожара незначителен (рис.5.4). Это связано с тем что, увеличение интенсивности горения на кромке пожара ведет к усилению подтока воздуха, что в свою очередь приводит к разбавлению концентрации аэрозолей. Анализ содержания углерода в аэрозолях в зависимости от погодных условий показал, что тесная связь наблюдается между выходом органического углерода в виде аэрозоля и показателем Нестерова - 0,67, а коэффициент корреляции между концентрацией неорганического углерода и показателем Нестерова- 0,44. Таким образом, концентрация содержания как органического, так и неорганического углерода определяется такими факторами погоды, как осадки, температура и влажность воздуха. То есть, условия высыхания ЛГМ 100 или их влагосодержание в данный момент пожара, в свою очередь, определяют глубину прогорания слоя ЛГМ во время пожара. При сопоставлении всех аэрозольных проб получилось следующее соотношение. По массе превалируют соединения углерода, около 50-85%, из них на органические соединения приходиться 45-70% и на неорганический углерод в виде графита и сажи 15-20%. Минеральная фракция, т.е. микроэлементы в аэрозольных частицах составляют 5-10%. Доля элементов неопределяемых РФА СИ составляет 10-30%. Таким образом, анализ содержания различных форм углерода в аэрозолях позволяет заключить, что даже в пределах одного типа леса мозаичная структура пространственного распределения ЛГМ определяет значительное варьирование, как суммарной концентрации, так и концентрации органического и неорганического углерода. Наиболее высокое содержание органического и неорганического углерода в аэрозолях отмечено при сгорании мха Шребера и подстилки. Чем меньший поперечный размер имеют частицы ЛГМ и ниже влагосодержание, тем быстрее происходит их сгорание. При быстром сгорании не происходит полной деструкции горючего материала до С02 и Н20, а образуются углеводородные частицы (органический углерод). Это и объясняет разные количества органического и неорганического углерода в эмиссиях при сгорании различных ЛГМ.
При лесных пожарах органического углерода выделяется в среднем в 3 раза больше чем неорганического и это соотношение не зависит от интенсивности пожара. Значительное влияние на содержание углерода в аэрозолях (органического, неорганического) оказывают условия погоды (осадки, температура и влажность воздуха) изменяющие влагосодержание ЛГМ и определяющие глубину прогорания их слоя во время пожара. В целом, при лесных пожарах разной интенсивности в сосняках лишайниково-зеленомошных эмиссия углерода при сгорании ЛГМ может изменятся от 4,8 т/га до 15,4 т/га. Величина эмиссии углерода тесно связана с интенсивностью горения на кромке пожара.
