Фізика поширення лісових пожеж
Лісова пожежа — це не просто палаючі дерева, а пов'язана термохімічна система, що охоплює турбулентну конвекцію, радіаційне перенесення тепла, хімію піролізу та взаємодію з атмосферою. Розуміння того, як вона поширюється, є ключовим для її прогнозування.
1. Трикутник вогню
Для вогню одночасно потрібні три елементи. Заберіть будь-який — і вогонь згасне:
Суха органічна речовина: трава, кущі, дерева. Кількість, вологість, розташування.
Атмосферний кисень (21%) підтримує горіння. Вітер постійно його поповнює.
Температура вище порогу займання (~250–300 °C для целюлози).
Пожежогасіння спрямоване на один із цих елементів: вода усуває тепло й вологу, протипожежні розриви перешкоджають надходженню палива, мінералізовані смуги прибирають паливо, а авіаційні вогнегасні склади вкривають паливо, перекриваючи кисень.
2. Горіння та піроліз
Деревина не горить безпосередньо — спочатку вона зазнає піролізу: термічного розкладу за 200–300 °C, який вивільняє горючі гази (CO, вуглеводні, H₂) і залишає деревне вугілля. Горять гази, а не тверда деревина.
Повне: C₆H₁₀O₅ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 5 H₂O (ΔH ≈ −2800 kJ/mol)
Типова теплота згоряння деревини: 18–22 MJ/kg (суха маса)
Вологість — найважливіший показник для прогнозу поведінки вогню. Паливо з вологістю 30% ледве займається; паливо з вологістю 4% займається вибухоподібно. Кожен 1% вологи потребує енергії на випаровування, перш ніж може початися горіння.
3. Механізми перенесення тепла
Вогонь поширюється, бо тепло передається незгорілому паливу попереду фронту полум'я:
- Випромінювання: полум'я випромінює інфрачервоне випромінювання, що нагріває й висушує паливо поблизу. Домінує в густих лісах і за безвітряних умов. Залежить від T⁴ — навіть невелике зростання температури полум'я різко збільшує радіаційний потік.
- Конвекція: гарячі гази, що піднімаються, утворюють конвективну колону, яка під дією вітру нахиляється вперед, попередньо нагріваючи й висушуючи паливо попереду пожежі. Забезпечує ~50–70% швидкості поширення в більшості пожеж.
- Теплопровідність: повільна й незначна в лісовій пожежі — несуттєва порівняно з випромінюванням і конвекцією.
4. Модель поширення пожежі Ротермеля
Модель Ротермеля (1972) — це стандарт, що використовується пожежними службами в усьому світі (зокрема в інструменті FARSITE Лісової служби США). Вона прогнозує швидкість поширення (ROS) як функцію палива й погоди:
I_R — інтенсивність реакції (kW/m²)
ξ — коефіцієнт поширюваного потоку
φ_W, φ_S — множники вітру та схилу
ρ_b · ε · Q_ig — об'ємна теплота займання
Модель є емпіричною — підібраною за лабораторними експериментами на пожежних столах. Вона відображає основні тенденції, але дає збій за екстремальних умов (дуже сильний вітер, крутий рельєф).
5. Схил, вітер і рельєф
Вітер — головний чинник швидкого поширення. Він:
- Нахиляє полум'я до незгорілого палива, посилюючи конвективне попереднє нагрівання.
- Поповнює кисень біля основи полум'я.
- Висушує паливо з навітряного боку.
- Переносить палаючі жарини (головешки) на кілометри вперед — «перекидання вогню».
Схил створює точно таку саму геометрію, як і вітер, фактично не дмучи: під час руху вгору схилом полум'я природно нахиляється над незгорілим паливом вище. Схил 20° подвоює швидкість поширення порівняно з рівним рельєфом; схили 45° можуть збільшити її в 10 разів.
6. Верхові пожежі та перекидання вогню
Низові пожежі спалюють підстилку й кущі. Небезпечнішими є верхові пожежі, що поширюються кронами дерев — рухаючись у 2–10 разів швидше за низові й майже не піддаючись прямому гасінню.
Для верхових пожеж потрібна «драбина» рослинності, що з'єднує поверхню з кроною (молоді дерева, густі кущі), та стабільний сильний вітер. Щойно крони займаються, пожежа стає самопідтримуваною.
Перекидання вогню відбувається, коли головешки — палаюча кора, гілочки, шишки — підіймаються конвективною колоною й переносяться вітром, приземляючись далеко попереду фронту пожежі. Перекинуті осередки займаються й знову зливаються з основною пожежею, утворюючи хаотичний багатоголовий фронт, який унеможливлює локалізацію.
7. Пожежна погода
Індекси пожежної погоди поєднують температуру, вологість, вітер і посуху, щоб прогнозувати пожежну небезпеку:
- Код вологості тонкого палива (FFMC): волога в поверхневій підстилці — реагує на зміни погоди за лічені години.
- Код вологості гумусу (DMC): волога в глибокій органічній речовині — у масштабі днів-тижнів.
- Індекс пожежної погоди (FWI): поєднує швидкість вітру з кодами вологості, даючи загальну оцінку інтенсивності пожежі.
Найнебезпечніші умови в усьому світі мають спільну ознаку: спекотно (>35 °C), сухо (<20% відносної вологості) та вітряно (>40 км/год). У Каліфорнії це вітровий режим Дьябло/Санта-Ана; на південному сході Австралії — це гарячий північний вітер перед холодним фронтом.
8. Зміна клімату та мегапожежі
Зміна клімату посилює екстремальну пожежну погоду трьома способами:
- Вищі температури: збільшують дефіцит тиску водяної пари (VPD), швидше висушуючи рослинність. Кожен 1 °C потепління приблизно подвоює площу, що вигорає, у пожежонебезпечних регіонах.
- Триваліші пожежні сезони: раніше танення снігу й пізніші осінні дощі подовжують вікно горючої рослинності на тижні щодесятиліття.
- Накопичення посухи: багаторічні посухи (посилені потеплінням) висушують глибокі шари палива, які зазвичай не займаються — створюючи умови для катастрофічних пожеж у масштабі десятиліть.
Австралійське «Чорне літо» 2019–2020 років спалило 24 мільйони гектарів — порівнянно з усією площею Сполученого Королівства — і стало на 30% імовірнішим через антропогенну зміну клімату (за дослідженнями атрибуції).
9. Спробуйте симуляцію
Симуляція вогню та диму на цьому сайті використовує модель клітинного автомата, де кожна клітинка може бути травою, палаючою чи згорілою. Вітер моделюється як спрямований множник імовірності поширення. Подивіться, як взаємодіють схил і вітер.