Лесные пожары как компонент природной экодинамики

В зависимости от толщины остающегося органического слоя сильно изменяются процессы деградации и восстановления слоя вечной мерзлоты. Если в течение пожара уменьшения толщины органического слоя не произошло, то в этом случае не возникает и изменений активного слоя (того слоя над вечной мерзлотой, где ежегодно происходят процессы таяния и замерзания), несмотря на спад альбедо. Любое значительное воздействие на поверхностный органический слой порождает возрастание потока тепла через активный слой к слою вечной мерзлоты. Примерно через 3-5 лет после того, как активный слой подвергался сильному возмущающему воздействию, происходит такое увеличение его толщины, при котором в течение последующей зимы не возникает полного замерзания слоя. В результате образуется толик - незамерзающий слой под сезонно замерзающей почвой и над слоем вечной мерзлоты. Растаявший слой толщиной 4,15 м наблюдался, например, на участке выгоревшего леса в 1983 г. Расчеты показали, что, если после лесного пожара сохраняется органический слой толщиной более 7-12 см, то термическое воздействие на вечную мерзлоту оказывается минимальным.

Лесные пожары очень существенно влияют на экологию лесов, включая формирование круговорота углерода. Пожары инициируют новую сукцессию полога леса и, таким образом, регулируют аккумуляцию углерода, определяемую первичной продукцией. Пожары воздействуют, помимо этого, на тепловой режим почвы, что, в свою очередь, оказывает влияние на процессы дыхания почвы. Наконец, следствием лесных пожаров оказывается их влияние на круговорот углерода в региональных и глобальных масштабах, обусловленное выбросами углерода в атмосферу и последующим дальним переносом. French и др. [20] разработали модель, позволяющую рассчитать выбросы малых газовых компонентов в атмосферу при лесных пожарах и их влияние на формирование круговорота углерода. Эта модель применена для вычислений выбросов трех углеродсодержащих МГК (СО₂, СО, СН₄) за счет пожаров в бореальных лесах Аляски (на площади 223220 га) в период 1950-1999 гг. Проанализировано влияние на развитие пожаров двух факторов: доли израсходованного при пожарах углерода, а также относительной роли процессов горения и тления. Расчеты показали, что за последние 50 лет в атмосферу ежегодно выбрасывалось, в среднем, 4,5 тераграмм углерода (ТгС). В годы с интенсивными лесными пожарами уровень выбросов возрастал до 38 ТгС, а минимальный уровень понижался до 0,36 ТгС в 1989 г. Таким образом, имела место сильная межгодовая изменчивость выбросов общего углерода и различных углеродсодержащих соединений. При этом годовые выбросы общего углерода практически полностью зависели от площади выгоревшего леса. Соотношение между горением и тлением оказывало существенное влияние на уровни выбросов СО и СН₄. Полученные оценки свидетельствуют о важном вкладе пожаров в бореальных лесах Аляски, происходивших в течение второй половины 20-го века, на выбросы углеродсодержащих газов в атмосферу.

В июне 1999 г. в регионе центральной гористой части Аляски (поблизости от г. Фербенкса) был осуществлен экспериментальный лесной пожар на площади 11 км² (по проекту FROSTFIRE), главная цель которого состояла в изучении воздействий пожаров на экосистемы бореальных лесов и в анализе возможностей экстраполяции полученных результатов в региональных масштабах. Формирование после пожара вторичной сукцессии является главным процессом, ответственным за изменение структуры и видового состава лесов. Значительную часть наблюдаемых изменений густоты (плотности) лесов, живой биомассы, термических свойств почвы, резервуаров и потоков углерода и биогенов в экосистемах можно объяснить, как результат длительной послепожарной эволюции.

В этой связи Fastie и др. [19] предприняли восстановление истории лесных пожаров (их пространственно-временнуй изменчивости) в регионе осуществления проекта FROSTFIRE с использованием разнообразной наземной информации о состоянии лесов и данных аэрофотосъемки. Полученные результаты показали, что за период 1896-1925 гг. в регионе водосбора FROSTFIRE влиянию пожаров подверглось 93 % лесов, а в избранном контрольном районе водосбора - 47 %. За весь период 19 века и позднее в 20 столетии не было обнаружено необычно мощных пожаров. Возникновение пожаров в начале 20 столетия могло быть связано с горными разработками. За последние 200-250 лет ни в одной части исследованного региона сильные лесные пожары не возникали более одного раза, что свидетельствует о завышенности полученных ранее данных о частоте пожаров. В березовых и черно-еловых лесах восстановление их видового состава после пожаров происходило за несколько десятилетий после пожара. Однако березовые леса на южных склонах не обнаружили признаков восстановления на протяжении 200 лет после пожара.

Применение газовохроматографической методики анализа состава проб воздуха на содержание различных малых газовых компонентов открыло новые возможности. Эти возможности были использованы, в частности, для измерений концентрации десятков различных органических соединений (алканов, алкенов, алкинов и ароматических МГК), результаты которых привели к обнаружению устойчивого возрастания концентрации многих МГК на протяжении двух последних десятилетий. В настоящее время группа сотрудников Калифорнийского университета в г. Ирвине (USI) регулярно осуществляет мониторинг содержания около 100 летучих органических соединений с использованием как наземных, так и самолетных проб. Choi и др. [13] обсудили результаты анализа взятых с реактивного самолета Gulfstream в период 28 августа - 14 сентября 1999 г. проб воздуха на содержание углеводородных и галогенуглеродных соединений в рамках второго самолетного Эксперимента по изучению продуктов сжигания биомассы и разрядов молний (ВIBLE-В).

С целью определения концентрации не связанных между собой соединений выполнены обработка данных наблюдений г использованием методики главных компонентов (РСА). Задачи, поставленные перед полевыми наблюдательными экспериментами по программе ВIВLЕ-В, состояли в изучении МГК как продуктов сжигания биомассы и молниевых разрядов с учетом их химической трансформации, происходящей в атмосфере в регионе западной периферии Тихого океана. При этом маршруты полетов пересекали районы континентального муссона, а также области атмосферы с преобладанием МГК городского и промышленного происхождения (продукты сгорания, хлорированные компоненты (СНСl₃, СН₂Сl₂ и др.) и этаны, ксилены и алканы с длинными цепями - до С7). Случаи с повышенной концентрацией пентана отображали существование продуктов выбросов, обусловленных двигателями.

Как правило, наличие групп этил- и пропилнитратов указывало на важность процессов окисления в среде с высокой концентрацией окислов азота NО_x, т.е. на существенное воздействие городов или молний. В условиях атмосферы над тропическим океаном наиболее заметными были метилнитраты и соединения брома, а иногда - диметилсульфид и метилиодид. При полетах над австралийским континентом зарегистрированы сигнатуры сжигания биомассы. Бросалось в глаза отсутствие отчетливых сигнатур выбросов метана ветландами и утечек пропана. Наиболее характерной особенностью всех рассматриваемых результатов наблюдений было обнаружение антропогенных источников МГК.

Пожары в саваннах и их замещение сельскохозяйственными культурами или растительностью пастбищ приводят к кратко- и(или) долговременным изменениям круговоротов биогенов и углерода. В связи с этим в период г сентября 1999 г. по ноябрь 2000 г. Kisselle и др. [28] выполнили измерения потоков окиси углерода между почвой и атмосферой в центральной части Бразилии при различной степени повреждения саванн пожарами. Главное внимание было сконцентрировано на двух участках, покрытых сеrrado stricto sensu(s) при доле поверхности, занятой растительностью, в пределах 20-50 %, и (кустарники).

В работе [28] рассмотрена растительность, которая либо подвергалась пожарам через каждые два года, либо в течение 26 лет была защищена от пожаров. Анализ результатов измерений выбросов СО в атмосферу в условиях прозрачных камер выявил наличие годового хода выбросов с максимумом в период конца сухого сезона и перехода к влажному сезону (август-октябрь) и минимумом в конце влажного сезона (февраль -апрель). Дневные значения потока СО в условиях прозрачных камер были всегда больше величин, наблюдавшихся в непрозрачных камерах. Суточный ход характеризовался отрицательными потоками (из атмосферы в почву) во всех случаях ночью и положительными - днем (в условиях прозрачных камер). Скорость осаждения СО, наблюдавшаяся в непрозрачных камерах, опускалась ночью до 0,002-0,014 см/с, что соответствует нижнему пределу для тропических, умеренных и высоких широт. Не было обнаружено существенных различий между среднегодовыми величинами дневных потоков СО на не подвергшихся пожарам участках сеrrado и саmро sujo (16010⁹ и 19010⁹ молекул/см²с, соответственно).

Пожары порождали значительное возрастание выбросов СО поверхностью почвы на участках cerrado. Данные измерений, полученные через 30 суток после пожара, показали, что образование СО дном оказалось более, чем в 10 раз, превышающим значение для не подвергшегося пожару сеrrado ss (812,8 10⁹ и 76,8 10⁹ молекул/см² с, соответственно). Послепожарные выбросы СО превосходили наблюдавшиеся до пожара в условиях как непрозрачных, так и прозрачных камер. Это свидетельствует о том, что следствием пожаров было образование фотохимически и термически активных предшественников СО. Сильный спад выбросов СО обусловливало удаление подстилки и остатков растительности с не подвергшихся пожарам участков campo sujo и с пастбища. Наблюденные значения потоков СО на пострадавших от пожаров участках (по данным для непрозрачных камер) оказались, в целом, близкими к полученным ранее в результате аналогичных измерений в саваннах Венесуэлы и Африки.

Обычно тропопауза рассматривается как барьер для перемешивания между тропосферой и стратосферой. Хотя иногда «башни» мощных кучевых облаков проникают в стратосферу, наиболее эффективным механизмом поступления вещества из тропосферы с стратосферу служат, вероятно, вулканические извержения. Анализ результатов недавних спутниковых наблюдений выявил, однако, связь между аномальными аэрозольными слоями в стратосфере в 1998 г. и лесными пожарами летом в северном полушарии. В связи с этим Fromm и Servranckx [21] высказали предположение, что подобный тропосферно-стратосферный перенос (ТSТ) мог быть обусловлен воздействием экстремально интенсивной конвекции. Поскольку аналогичная ситуация возникла летом 2001 г. в Канаде, предпринят детальный анализ этой ситуации, который привел к однозначному выводу о формировании плотного дымового облака в верхней тропосфере и в нижней тропосфере (UТ/LS) в результате возникших в Канаде в мае 2001 г. лесных пожаров и воздействия «взрывной» конвекции на распространение дымов от пожаров. Таким образом, при определенных метеорологических условиях может возникать значительный перенос вещества из планетарного пограничного слоя в UT/LS, обусловленный как непосредственно вертикальной адвекцией, так и процессом разрушения гравитационных волн. По-видимому, такого рода явление возникает в средних и высоких широтах северного полушария достаточно регулярно. Остается, однако, неясным, каких высот может достигать дымовое облако и каков его химический состав.

В связи с обнаружением поступления продуктов сгорания органики в верхнюю тропосферу и даже в стратосферу Андрианов и др. [1] предприняли численное моделирование «огненного смерча», возникающего иногда в атмосфере в благоприятных для этого метеорологических условиях.

Анализ информации о лесных пожарах демонстрирует разнообразную и противоречивую природу этого явления. С одной стороны, - лесные пожары - это стихия природного (а иногда и антропогенного) происхождения, причиняющая серьезный материальный ущерб. С другой стороны, - пожары - необходимый компонент эволюции лесов, обеспечивающий их обновление. Еще один не менее важный аспект связан с выбросами в атмосферу во время лесных пожаров разнообразных малых газовых и аэрозольных компонентов, оказывающих существенное влияние на протекающие в атмосфере химические и другие процессы (стоит напомнить в этом контексте о влиянии на климат пожаров, обусловленных ядерными взрывами в атмосфере [30], а также о динамике тропосферного озона [31]). Особого внимания заслуживает проблема гетерогенных химических реакций на частицах водного (облака) и твердого аэрозоля. Критически важная роль динамики облачного покрова в формировании климата диктует потребность в детальном изучении сложных взаимодействий между атмосферным (в том числе дымовым) аэрозолем и облаками. С точки зрения проблемы климата существенно учитывать не только влияние последствий лесных пожаров на климат, но и обратное воздействие изменений климата на условия возникновения лесных пожаров. Мы имеем дело, таким образом, с исключительной сложности проблемой понимания интерактивной совокупности разнообразных физических, химических и биологических процессов. Магистральный путь решения этой задачи - получение необходимых данных наблюдений и применение методологии численного моделирования системы «природа - общество». Пока-что мы находимся еще в начале этого пути. Важным шагом в этом направлении является программа EFEU изучение воздействий горения растительности (лесные пожары, сжигание биомассы и др.) на состав и циркуляцию атмосферы. Эта программа была кратко описана в работе Wurzler и Simmel [50].

Размещено на Allbest.ru