Фізика поширення лісових пожеж

Вогневий трикутник та як горіння деревини

Пожежа потребує трьох речей одночасно — паливо, кисень і тепло, і видалення будь-якого з них гасить її, що є основою для тактики пожежогасіння: вода вилучає тепло та вологу, протипожежні смуги – паливо, а засоби вологозахисту – перешкоджають контакту з киснем. Деревина сама по собі не гоїться безпосередньо; спочатку вона проходить піроліз – термічний розклад з виділенням легкозаймистих газів (CO, гідрокарбони, H₂) при 200–300°C і залишає вугіль. Саме ці гази горять. Вологість деревини є найважливішим фактором, що визначає поведінку пожежі: паливо з вмістом вологи 30% майже не запалюється, а паливо з вмістом вологи 4% займається вибухово, оскільки кожен відсоток води потрібно випаруватися перед тим, як почнеться горіння.

Як тепло досягає наступного дерева

Вогонь поширюється тому, що тепло досягає незгорілого палива попереду вогняного фронту двома домінуючими механізмами. Випромінювання — інфрачервоне випромінювання від полум’я, яке нагріває та висушує сусіднє паливо – залежить від температури четвертої степені, тому навіть невелике збільшення температури полум’я значно підвищує радіальний потік; це домінує в щільних лісах із тихим вітром. Конвекція — підйомна гаряча колона повітря, що згинається вперед під вітер для попереднього нагрівання палива попереду – зазвичай відповідає 50–70% швидкості поширення у більшості пожеж. Проведення, навпаки, повільне та в основному не має значення для поведінки лісових пожеж.

Rothermel rate of spread (1972):
R = I_R · ξ · (1 + φ_W + φ_S) / (ρ_b · ε · Q_ig)
  I_R  = reaction intensity     φ_W, φ_S = wind & slope multipliers
  ξ    = propagating flux ratio  ρ_b·ε·Q_ig = heat of ignition per volume

Схил, вітер, пожежі верху та виявлення

Вітер згинає полум’я до незгорілого палива, поповнюючи кисень біля основи полуміння, висушуючи паливо на західному боці та переносячи палаючі тлінні частинки на кілометри вперед — виявлення. Схил створює ту ж геометрію без вітру: вогонь, що йде вгору, має природний нахил полуміння над паливом зверху, тому схил 20° приблизно подвоює швидкість розповсюдження, а схили 45° можуть помножити її у десять разів; схил, що співпадає з вітром, є найнебезпечнішим комбінацією. Пожежі на поверхні, які досягають «лазірки» молодого дерева або щільного чагарника, можуть піднятися в верхівку як пожежа верху, розповсюджуючись у 2–10 разів швидше, ніж пожежа на поверхні, і стаючи майже неможливими для безпосереднього придушення. Під час австралійської пожери Black Saturday 2009 року тлінні частинки були виявлені на відстань до 35 км попереду головної лінії, яка рухалася зі швидкістю до 25 км/год.

Погодні умови та вплив зміни клімату

Індекс небезпеки пожеж об'єднує температуру, вологість, вітер і посуху; найнебезпечніші умови у світі мають характерні ознаки — спека (>35°C), сухість (40 км/год), чи то каліфорнійські вітри Diablo/Santa Ana, чи спекотний північний вітер перед холодним фронтом у південно-східній Австралії.

Зміна клімату розширює ці умови трьома способами: підвищення температури збільшує від’ємне диференціальне тиск вологості, що висушує рослинність (кожен 1°C зростання нагрівання приблизно подвоює площу займання пожежами в схильних до пожеж регіонах), раніше танення снігу та пізній осінній дощ подовжують сезон пожеж на кілька тижнів на десятиліття, а накопичення багаторічних посухів висушують глибокі паливові запаси, які зазвичай стійкі до займання.

У 2019-2020 роках в Австралії «Чорне літо» спалило 24 мільйони гектарів — площу, порівняну з усією Великою Британією — і дослідження приписання показали, що це було на 30% ймовірніше через антропогенне потепління.

Часті запитання

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте the simulation і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.