PROBLEMS OF SMOLDERING PEAT FIRES IN FORESTS AND THE ARCTIC

ПРОБЛЕМЫ ТЛЕЮЩИХ ТОРФЯНЫХ ПОЖАРОВ В ЛЕСАХ И АРКТИКЕ

Научная статья

Мокряк А.В.^1, *, Парийская А.Ю.²

^{1, 2} Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России, Санкт-Петербург, Россия

* Корреспондирующий автор (mokryakanna[at]mail.ru)

Аннотация

Лесные пожары можно разделить на два типа: пламенные или тлеющие, в зависимости от преобладающих процессов горения. Оба типа присутствуют в большинстве лесных пожаров, и, несмотря на то, что они принципиально различаются в химическом и физическом плане, один переходит в другой. Тлеющие лесные пожары становятся глобальной проблемой, поскольку они вызывают значительное загрязнение воздуха, выделяют очень большое количество углерода, их трудно обнаружить и потушить. Центральное место в этой теме занимают тлеющие торфяные пожары, которые приводят к одним из крупнейших пожаров на Земле. Тление также преобладает над остаточным горением после того, как пламя погасло. Наконец, тление является важной частью лесных пожаров в Арктике, которые становятся все более частыми. Значительная часть лесных пожаров в Арктике происходит в форме беспламенного горения или тления органических почв и вечной мерзлоты на торфяниках. В данной статье представлен обзор тлеющих лесных пожаров, связанных с ними проблемами окружающей среды, включая изменение климата, а также проблем в области предотвращения и смягчения последствий.

Ключевые слова: лес, пожар, торф, загрязнение, безопасность, выбросы, тушение.

PROBLEMS OF SMOLDERING PEAT FIRES IN FORESTS AND THE ARCTIC

Research article

Mokryak A.V.^1, *, Pariyskaya A.Yu.²

^{1, 2} Saint-Petersburg University of the State Fire Service of the EMERCOM of Russia, Saint Petersburg, Russia

* Corresponding author (mokryakanna[at]mail.ru)

Abstract

Forest fires can be divided into two types: flaming or smoldering, depending on the prevailing combustion processes. Both types are present in most forest fires, and despite the fact that they are fundamentally different chemically and physically, one can pass into the other. Smoldering forest fires are becoming a global problem because they cause significant air pollution, emit very large amounts of carbon, and are difficult to detect and extinguish.  The central place in this topic is occupied by smoldering peat fires, which lead to one of the largest fires on Earth. Smouldering also prevails over residual burning after the flame has gone out. Finally, smoldering is an important part of forest fires in the Arctic, which are becoming more frequent. A significant part of forest fires in the Arctic occurs in the form of flameless combustion or smoldering of organic soils and permafrost on peatlands. This article provides an overview of smoldering forest fires, related environmental problems, including climate change, as well as problems in the field of prevention and mitigation of consequences.

Keywords: forest, fire, peat, pollution, safety, emissions, extinguishing.

Лесной пожар - это природное явление, которое взаимодействует с климатом и формирует экосистемы во всем мире. Тлеющее горение - это медленное, низкотемпературное и беспламенное горение твердого топлива с использованием гетерогенной химической кинетики. Огонь, распространяющийся по слою торфа, поддерживается выделением тепла, когда кислород непосредственно взаимодействует с поверхностью частиц почвы. В то время как пламенное горение - это быстрое и высокотемпературное горение газообразного топлива с использованием однородной химической кинетики. Типичная температура тления относительно низкая, около 500 °C. Тлеющий лесной пожар распространяется ползучим способом, обычно около 1 см/ч, что медленнее, чем скорость распространения пламенных пожаров [1].

Тление является наиболее стойким видом горения, потому что его легче воспламенить, но труднее потушить, чем пламенное горение. Лесные пожары в основном разделяются на три формы (рис. 1): (а) подземный (торфяной) пожар, при котором почва горит глубокими слоями в течение длительного периода времени и способствует образованию дымки, (б) низовой горение, при котором горит более густая растительность, и (в) верховой, возгорание охватывает ветви, листья, крону.

Рис. 1 – Формы лесных пожаров: а – подземный (торфяной) пожар; б – низовой пожар; в – верховой пожар

 

В результате антропогенных воздействий и изменения климата торфяные пожары возникают с возрастающей частотой во всех регионах, где встречаются гистосоли, от тропических водно-болотных угодий до Арктики [2]. Наиболее пострадавшими экосистемами Европы являются умеренные и бореальные леса России, Британских островов и Скандинавии. Основными причинами пожара являются засухи, осушение, изменения в землепользовании и плотности населения. Другие возможные причины возгорания торфяного пожара могут быть естественными, такими как молния и самовозгорание. Тление является наиболее стойким видом горения, потому что его легче воспламенить, но труднее потушить, чем пламенное горение.

В целом, тлеющие лесные пожары становятся глобальной научной и общественной проблемой из-за их обширного загрязнения воздуха, огромных выбросов углерода и трудностей в тушении.

Торфяники часто содержат высокие уровни грунтовых вод, поэтому торф обычно слишком влажный, чтобы поддерживать горение. Однако уровень грунтовых вод на торфяниках может снижаться, а содержание влаги в органических почвах является единственным наиболее важным свойством, определяющим возгорание и распространение торфяных лесных пожаров. Например, критическое содержание влаги для воспламенения типичных образцов бореального торфа было измерено на уровне около 125% в сухом основании, где содержание минеральных веществ в почве меньше, чем 10%. Тлеющие пожары распространяются горизонтально и вертикально через органические слои почвы и могут проникать глубоко в почву, где существуют большие трещины или естественные системы трубопроводов [4].

Обнаружение торфяных пожаров со спутника является сложной задачей, поскольку пожар может быть частично подземным, а излучающая сигнатура отличается и слабее, чем от пламени. Глубокие торфяные лесные пожары могут происходить даже на глубине нескольких метров. После воспламенения они особенно трудно гаснут и могут сохраняться в течение длительных периодов времени (месяцы, годы), распространяясь глубоко под землей и на обширных территориях. Для большинства мега-пожаров на торфяниках тушение пожаров водой является очень сложной задачей из-за большого количества необходимой воды. Строительство траншеи в качестве противопожарной защиты является эффективным способом остановить их распространение, особенно там, где водные ресурсы ограничены.

Арктические лесные пожары увеличились в 2020 году на 35% по сравнению с предыдущим годом и вызвали рекордные выбросы углерода с 66 млн до 143 млн т углерода, выброшенного в атмосферу [3], [4] (рис. 2).

Рис. 2 – Лесные пожары в Арктике и вокруг нее, включая Сибирь, Аляску, Гренландию и Канаду

 

Зимой в холодных регионах, таких как Арктика и бореал, тлеющие пожары все еще могут распространяться в слоях почвы и оставаться незамеченными в качестве горячих точек, покрытых снегом, и лабораторные эксперименты показали, что тлеющий торфяной пожар может даже выжить при температуре ниже -35 °C [5]. Эти зимующие лесные пожары проходят четыре стадии. В теплое лето и пламя, и тление являются частью лесного пожара. Пламя лесных пожаров будет потушено дождем, холодной погодой или пожарами. Тем не менее, очаги тления могут сохраняться глубоко в гистосоле и не гаситься водой или зимой из-за эффекта изоляции верхнего слоя почвы и снежного покрова. Весной зимующие костры могут увеличиваться в размерах и быстро распространяться, чему способствуют сухие условия и более теплые температуры. Они могут даже снова вспыхнуть на поверхности вблизи места, где были потушены прошлогодние лесные пожары [6], [7].

Арктика уже прогревается быстрее, чем в среднем по миру [4], [8]. Средние температура почвы повышаются, а таяние вечной мерзлоты ускоряется. Это делает органическое вещество в почве уязвимым для лесных пожаров впервые за очень долгое время, даже за тысячелетия. Сжигание этого гистосоля в тлеющем лесном пожаре высвобождает углерод, способствуя изменению климата и ухудшая экосистему.

После возгорания торфяные пожары особенно трудно потушить, и они могут сохраняться в течение длительного периода времени (от недель до месяцев), распространяясь на обширные территории. Однако лучшим способом смягчения последствий пожаров является предотвращение, в том числе и тления. Например, поддерживать влажность органических почв, избегать дренажа и избегать источников возгорания вблизи сухой земли. Когда предотвращение не удается, обнаружение, мониторинг и тушение становятся приоритетными. Важным фактором, способствующим внедрению новых технологий, было бы расширение масштабов лабораторных исследований до полевых масштабов и нацеливание на реальное явление.

Тлеющее горение является важной частью лесных пожаров, особенно при пожарах на торфяниках, остаточном горении. Тлеющие лесные пожары увеличивают экономические потери, наносят ущерб экосистемам и выделяют много углерода. 

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Бондур В.Г. Мониторинг и прогнозирование природных катастроф / В.Г. Бондур, В.Ф. Крапивин, В.П. Савиных. - М.: Научный мир, 2009. - 692 с.
2. Turetsky M.R. Global vulnerability of peatlands to fire and carbon loss / M.R. Turetsky, B. Benscoter, S. Page et al. // Nature Geoscience, 8 (2015), pp. 11-14 9.
3. McCarty J.L. Arctic fires re-emerging / J.L. McCarty, T.E.L. Smith, M.R. Turetsky // Nature Geoscience, 13 (2020), pp. 658-660
4. Stracher G.B. Coal fires burning out of control around the world: thermodynamic recipe for environmental catastrophe / G.B. Stracher, T.P. Taylor // International Journal of Coal Geology, 59 (2004), pp. 7-17
5. Lin S. Climate-induced Arctic-boreal peatland fire and carbon loss in the 21st century / S. Lin, Y. Liu, X. Huang // Science of The Total Environment (2021)
6. Witze A. The Arctic is burning like never before — and that’s bad news for climate change / A. Witze // Nature, 585 (2020), pp. 336-337
7. Кудрин А. Ю. Современные методы обнаружения и мониторинга лесных пожаров / А. Ю. Кудрин, А. И. Запорожец, Ю. В. Подрезов // Технологии гражданской безопасности. Выпуск № 4 / том 3 / 2006/.
8. Ершов Д.В. Российская система спутникового мониторинга лесных пожаров / Д.В. Ершов, Г.Н. Коровин, Е.А. Лупян и др. // 34 Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса, 2004. Выпуск 1. Т.1. С.47-57.
9. Замолодчиков Д.Г. Влияние пожаров и заготовок древесины на углеродный баланс лесов России / Д.Г. Замолодчиков,В.И. Грабовский,П.П. Шуляк и др. // Лесоведение. - 2013. - № 5. - С. 36-49.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Bondur V. G. Monitoring i prognozirovanie prirodnykh katastrof [Monitoring and forecasting of natural disasters] / G. Bondur, V. F. Krapivin, V. P. Savinykh. - Moscow: Scientific World, 2009. - 692 p. [in Russian]
2. Turetsky M.R. Global vulnerability of peatlands to fire and carbon loss / M.R. Turetsky, B. Benscoter, S. Page et al. // Nature Geoscience, 8 (2015), pp. 11-14 9.
3. McCarty J.L. Arctic fires re-emerging / J.L. McCarty, T.E.L. Smith, M.R. Turetsky // Nature Geoscience, 13 (2020), pp. 658-660
4. Stracher G.B. Coal fires burning out of control around the world: thermodynamic recipe for environmental catastrophe / G.B. Stracher, T.P. Taylor // International Journal of Coal Geology, 59 (2004), pp. 7-17
5. Lin S. Climate-induced Arctic-boreal peatland fire and carbon loss in the 21st century / S. Lin, Y. Liu, X. Huang // Science of The Total Environment (2021)
6. Witze A. The Arctic is burning like never before — and that’s bad news for climate change / A. Witze // Nature, 585 (2020), pp. 336-337
7. Kudrin A. Yu. Sovremennye metody obnaruzhenija i monitoringa lesnykh pozharov [Modern methods of detection and monitoring of forest fires] / A. Yu. Kudrin, A. I. Zaporozhets, Yu. V. Podrezov // Tekhnologii grazhdanskojj bezopasnosti [Technologies of civil safety]. Issue No. 4 / volume 3 / 2006/ [Electronic resource] [in Russian]
8. Ershov D. V. Rossijjskaja sistema sputnikovogo monitoringa lesnykh pozharov [The Russian system of satellite monitoring of forest fires] / D. V. Ershov, G. N. Korovin, E. A. Lupyan, et al. // 34 Sovremennye problemy distancionnogo zondirovanija Zemli iz kosmosa [34 Modern problems of remote sensing of the Earth from space], 2004. Issue 1. Vol. 1, 47-57 [in Russian]
9. Zamolodchikov D. G. Vlijanie pozharov i zagotovok drevesiny na uglerodnyjj balans lesov Rossii [The influence of fires and wood harvesting on the carbon balance of Russian forests] / G. Zamolodchikov, V. I. Grabovsky, P. P. Shulyak et al. // Lesovedenie [Russian Journal of Forest Science]. - 2013. - No. 5. - pp. 36-49 [in Russian]