Лесных пожаров

Закономерности горения и рассеивания тепла. Условия развития

Горение есть реакция соединения углерода и водорода с кислородом, с образованием водяного пара, углекислого газа, и выделением энергии. К началу 20-го века было проделано много экспериментов по сжиганию различных веществ и определению их теплотворной способности.

Из табл. 2 видно, что лесные горючие материалы имеют теплотворную способность в 2-3 раза ниже, чем углеводороды (бензин). Это объясняется тем, что ЛГМ содержат много кислорода, т.е. уже значительно окислены. Смола сосны содержит мало кислорода, поэтому ее потеки на стволах деревьев повышают теплотворную способность древесины.

Древесина теряет свой цвет и обугливается при температуре свыше 200-250^оС. Тот же результат получится и при длительном нагреве при более низкой температуре (более 120^оС). При температуре свыше 300^оС начинается быстрое физическое разрушение древесины.

Таблица 2

Элементный химический состав и теплотворная способность (Q) различных видов горючего вещества (в абсолютно сухом состоянии)

Наименование	Содержание, %	Q, кДж/кг
С	Н	О	N	зола
Древесина сосны	50,8	6,3	42,5	0,1	0,3
Древесина березы	50,2	6,2	43,0	0,2	0,4
Лесные травы	45,0	6,5	42,0	1,5	5,0
Лесная подстилка (Е-кисличник)	46,7	6,4	38,6	1,3	7,0
Вереск	52,4	6,1	37,2	1,0	3,3
Хвоя сосны	53,1	6,2	36,3	1,3	3,1
Смола сосны	79,5	9,9	10,6	-	-
Торф	51,4	5,4	31,0	2,2	10,0
Древесный уголь	93,8	2,1	2,6	-	1,5
Бензин	85,0	15,0	-	-	-

При горении реальных ЛГМ, а не абсолютно сухих, тепла выделяется меньше, поскольку часть тепла расходуется на испарение воды, часть уносится с дымом (недожог). С увеличением влажности ЛГМ сокращается выход азота и углекислого газа и возрастает выход водяного пара. Недожог означает неполное сгорание углерода, часть его уносится горячим воздухом в виде твердых мелких частиц – сажи. Недожог уменьшает тепловую энергию, выделяемую топливом. Обычно не сгорает 10-20% углерода ЛГМ. На эту же величину уменьшается практическая теплотворная способность. Недожог зависит от влажности ЛГМ, их крупности, рыхлости, ветра, скорости горения. Влажный хворост, хвоя, лесная подстилка дают много дыма, выделяют мало тепла. Сухие мелкие сучья горят почти без дыма.

Дым пожаров – это совокупность газообразных продуктов горения, в которых рассеяны мельчайшие твердые и жидкие частицы. Дым образуется как при беспламенном, так и при пламенном горении, хотя характер частиц и формы их образования различны. Дым, образующийся при тлении (горящие торфяники), содержит много фракций смол и высококипящих жидкостей с большим молекулярным весом. Они при соприкосновении с относительно холодным воздухом конденсируются и образуют дым в виде тумана (аэрозольный дым). Дым при пламенном горении состоит почти целиком из твердых органических частиц (сажа), которые образуются внутри пламени при неполном сгорании в условиях высоких температур и низких концентраций кислорода, а также минеральных частиц (зола), содержащихся в топливе и уносимых в атмосферу дымовыми газами.

Мельчайшие (0,1-10 мкм) раскаленные частицы сажи внутри пламени являются основным источником его теплового излучения и придают пламени характерное желтое свечение. Известно, что суммарная энергия, излучаемая телом, пропорциональна Т ⁴, где Т – абсолютная температура тела (закон Стефана-Больцмана). Поэтому с повышением температуры пламени излучаемая им энергия нарастает “лавинообразно”. При температуре около 550^оС тело излучает достаточно большую энергию в видимой части спектра, оно начинает светиться тускло-красным цветом. При дальнейшем росте температуры происходит изменение цвета свечения к красному (700-800^оС), оранжевому (800-1000^оС), желтому (1000-1100^оС) и белому (около 1400^оС), что может быть использовано для приближенной оценки температуры пламени.

На частицах сажи и золы при поступлении их в атмосферу также конденсируется вода, образуется туман от почти белого до грязно-серого цвета, который и называют дымом.

Существенное отличие горения ЛГМ от других видов топлива – горение в открытой атмосфере, а не в замкнутом объеме. Поэтому как только создается очаг огня, сразу происходит рассеивание тепла. Устойчивость горения ЛГМ определяется балансом тепла между его выделением при горении и рассеиванием. Если тепло горения превышает тепло, расходуемое на рассеивание, горение устойчиво. Если тепла рассеивается больше, чем выделяется при горении, оно прекращается.

Температура горения ЛГМ при установившемся режиме составляет 700-1100^оС. Выше температура не поднимается, так как происходит неизбежное рассеивание тепла в открытой атмосфере. Для сравнения: в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания температура составляет около 2000^оС, в каморе артиллерийского орудия при выстреле – 2700^оС.

Основная часть тепла, выделяемого при горении ЛГМ, уносится нагретыми газами вверх. Это конвективный путь рассеивания тепла, на его долю приходится 70-75% выделяемой энергии. К этому надо добавить тепловое излучение пламени и углей – то, что направлено также вверх – это еще около 5% энергии. Излучение в стороны составляет 16-18%. Наименьшая часть приходится на рассеивание путем молекулярной теплопроводности – в почву 2-5%, в воздух – 2-3% энергии горения. Эта закономерность знакома тем, кто имел дело с костром в лесу.

Рассеивание тепла пожара в основном за счет конвекции приводит к интенсивному подогреву ЛГМ, находящихся выше пламени. При горении достаточно мощного слоя сухого опада и кустарничков огонь перебрасывается на хвойный подрост, а при горении густых групп подроста пламя подогревает хвою и нижние ветви деревьев, и низовой пожар может перейти в верховой.

За счет теплового излучения пламени при движении его вверх по склону быстрее нагреваются соседние части ЛГМ и увеличивается скорость движения огня. Наибольшая скорость распространения пламени достигается, если пламя распространяется вверх (табл. 3).

При повышенном атмосферном давлении (что характерно для устойчивых летних антициклонов) пламя лесных пожаров при прочих равных условиях распространяется с большей скоростью из-за большего количества кислорода в воздухе.

Почва при движении огня в лесу прогревается относительно слабо, особенно при беглом пожаре. Но даже при малой скорости огня и большом количестве горючего материала почва не раскаляется сильно. Экспериментальное сжигание на 1 м² 200 кг сухих дров в течение часа не подняло температуру верхнего слоя песчаной почвы выше 500^оС. Поэтому встречаемый иногда в литературе термин “остекление почвы” не имеет основания. Для остекления почвы, т.е. спекания частиц кварца, необходима температура не менее 1200^оС.

Таблица 3

Скорость распространения пламени при отсутствии ветра

Уклон поверхности, град	Относительная скорость распространения пламени
0 (горизонтально)
+23	1,8
+45	3,1
+75	8,1
+90 (вертикально вверх)	13-21 (неустойчивый режим)

Скорость распространения огня по лесной территории обусловлена многими факторами. Солнечная радиация, прогревая подстилающую поверхность, усиливает суммарное испарение. Прямая радиация и прогретый в результате теплообмена приземный воздух подсушивают аккумулированный в лесу горючий материал – лесную подстилку, валежник, кустарнички, мхи, сухую траву. Усиленная транспирация влаги растениями, особенно древостоем, ускоряет процесс обезвоживания верхних почвенных горизонтов. При достижении определенной влажности органического вещества (горючего материала) опасность его воспламенения резко возрастает. Для разных видов лесных горючих материалов такая влажность варьирует в пределах 25-50%.

Лесные наземные горючие материалы высыхают неравномерно по площади в соответствии с неодинаковым поступлением прямой радиации под полог леса и колебаниями скорости ветра. Для примера приводим данные о темпе высыхания смоченных дождем до полной влагоемкости лишайников и зеленых мхов, освещаемых солнцем под пологом леса (табл. 4):

Таблица 4

Скорость высыхания некоторых видов наземных ЛГМ

Наименование ЛГМ	Влажность абсолютная, %
дождь	после дождя	через 12 ч	через 24 ч	через 48 ч
Лишайники (Cladonia)
Зеленые мхи (Hylocomium и др.)	1500-2000	900-1600	25-300	20-35	20-30

Те участки зеленых мхов, лишайников и подстилки, которые освещаются солнцем в просветы полога, нагреваются в несколько раз сильнее и быстрее, чем участки в тени. Особенно сильно нагреваются мертвые материалы, лишайники и зеленые мхи. Трава и хвоя нагреваются мало (табл. 5).

С увеличением температуры ЛГМ они быстрее загораются (при наличии источника огня).

С уменьшением влажности горючего материала возрастает не только опасность его воспламенения, но и скорость горения, поскольку уменьшаются затраты тепла на испарение влаги. При одинаковой температуре воздуха испарение влаги и высыхание горючего материала заметно усиливаются, если уменьшается относительная влажность воздуха. Чем суше воздух, тем быстрее воспламеняется органическое вещество и тем быстрее распространяется пламя. В условиях одинакового температурного режима при относительной влажности воздуха около 40% пламя распространяется в 4-5 раз быстрее, чем при влажности 80%.

Таблица 5

Температура наземных ЛГМ под пологом соснового древостоя

в тени и на солнце в июльский полдень

Вид ЛГМ	Температура поверхности ЛГМ, ^оС
на солнце	в тени
Лесная подстилка	47-52	13-16
Лишайники	37-49	18-24
Зеленые мхи	42-56	18-26
Брусника	29-34	14-18
Хвоя елового подроста	28-32	22-26
Травы	25-28	не определено
Стволы сосны	28-36	19-23
Стволы ели	32-40	18-23

На распространение лесных пожаров большое влияние оказывает ветер. По сравнению с безветрием даже слабый ветер порядка 1 м/с увеличивает скорость распространения огня почти в 3 раза, при ветре 2 м/с его скорость возрастает в 5 раз.

Выпадающие осадки снижают пожарную опасность, при обильном же выпадении дождей она ликвидируется полностью. Исследования показали, что пороговым уровнем здесь можно считать величину около 30 мм осадков в месяц при их относительно равномерном выпадении. В этом случае опасность распространения огня невелика, но она резко, в несколько раз, возрастает, если осадков выпадает меньше.

Скорость распространения огня в лесу пропорционально связана с количеством (запасом) горючего материала на участке. Чем толще слой сухой неразложившейся подстилки, чем больше здесь валежника и сухостоя (чем выше захламленность), тем быстрее распространяется огонь. Вместе с тем, интенсивность огня во многом зависит от вида и характеристик горящего органического вещества.

Дата добавления: 2014-12-29