Исследование феноменологического и физико

Исследование феноменологического и физико-химического механизма дымовой эмиссии при
пожарах в бореальных лесах Сибири
Общая формулировка проблемы: Спутниковые наблюдения показывают, что пожары ежегодно
происходят на площади 10-14 млн. га в лесах Сибири, при этом сгорает 300-500 млн. тонн биомассы.
При горении биомассы выделяются как газовые продукты, так и аэрозольные дымовые частицы. Доля
аэрозольной эмиссии варьируется от 1-2 до 5-7% от количества сгоревшей биомассы в зависимости от
условий горения. Роль аэрозолей в атмосферном теплообмене является доминирующей, так как в
эмиссии присутствуют высокодисперсные частицы, в значительной мере состоящие из элементного
углерода. Такие частицы, находясь во взвешенном состоянии в атмосфере, поглощают и рассеивают
солнечный свет, влияют на теплообмен между земной поверхностью, атмосферой и солнечной
радиацией и, следовательно, могут действовать на климат. Важно отметить, что потенциальное
климатическое действие аэрозольной эмиссии (охлаждение) является компенсирующим к действию
газовых продуктов (двуокись углерода, метан), гипотетически приводящих к глобальному потеплению.
Поэтому сведения о количестве, химическом и дисперсном составе эмиссии от крупномасштабных
лесных пожаров являются необходимыми для создания и верификации прогностических компьютерных
моделей глобального или регионального климатического тренда. Они важны в исследованиях
оптических и химических свойств атмосферы, а также для оценок респираторного качества приземного
воздуха. Физико-химические механизмы образования первичных дисперсных объектов в зоне горения
биомассы и их последующие физические и химические конверсии исследованы очень слабо. Имеются
феноменологическое представление (в т.ч. наши собственные) о горении биомассы, приводящем к
появлению в зоне горения дисперсных объектов различной природы и размеров, сопровождаемого их
сгоранием, конденсацией и коагуляцией, обугливанием и конвективным выносом дымовых частиц за
пределы пламенного или тлеющего горения.
Формулировка конкретной задачи: Получение статистически репрезентативных данных о химическом
составе, дисперсных и морфологических свойствам дымовых частиц при лесных пожарах, выяснение
механизма образования дымовых частиц в зависимости от режимов горения биомассы.
Авторы исследования и лаборатория: Ю.Н. Самсонов, С.А. Попова, О.В. Чанкина (Лаборатория
дисперсных систем), в сотрудничестве с Институтом леса СО РАН (Красноярск), Сибирской
государственной геодезической академией (Новосибирск) и коллабораторами из Лесных служб США и
Канады (S. Conard, Wei Min Hao, S. Baker, D. McRae).
Используемые подходы и методы: В 2006-09 были проведены 20 натурно-модельных пожарных
экспериментов на площадках размером 100 х 100 м и 6 х 12 м, размещенных непосредственно на
таежной территории. В этих натурных опытах имелась возможность проводения количественных
измерений и документирования пирологических, метеорологических и физико-химических условий до,
во время и после каждого пожарного опыта (что невозможно выполнять в условиях реальных лесных
пожаров). С другой стороны, пожарные опыты на таких весьма больших площадках хорошо
симулируют горение и дымление от реальных лесных пожаров. Пробы дымовой эмиссии анализируются
в полевых и лабораторных условиях методами газовой хроматографии, хромато-масс-спектрометрии,
рентгеновской флуоресценции, цифровой микроскопии, каскадной инерционной импакции и
оптическими счетчиками/анализаторами аэрозольных частиц.
Полученные результаты: На рис. 1 показан обобщенный химический состав дымовой эмиссии при
типичном горении лесной биомассы. На рис. 2 показано дисперсное распределение дымовой эмиссии,
усредненное по 16 пожарным экспериментам 2007-09 гг. Как следует из рис. 1 и 2, дымовая эмиссия в
основном состоит из весьма тонких, 0.1 – 3 мкм, частиц, содержащих в себе много органического и
элементного углерода. Именно такие частицы оказывают сильное воздействие на оптические и
химические свойства атмосферы, в том числе потенциально приводящие к климатическим изменениям.
Публикации: 1. Samsonov Yu.N, Koutsenogii K.P., Makarov V.I., Ivanov A.V., Ivanov V.I., McRae D.J,, Conard S.G,
Baker S.P., Ivanova G.A. Particulate emission from fires in central Siberian Scots pine forest. Canadian Journal of Forest
Research, 2005, v. 35, pp. 2207-2217 2. D. McRae, S. Conard, G. Ivanova, A. Sukhinin, S. Baker, Y. Samsonov, T.
Blake, V. Ivanov, T. Churkina, W. Hao, K. Kousenogii, N. Kovaleva. Variability of fire behavior, fire effects, and
emissions in Scotch pine forests of central Siberia. In: Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change, 2006, v.
11, pp.47-74, Springer, Netherlands; 3. Самсонов Ю.Н., Попова С.А., Беленко О.А., Чанкина О.В. Химический
состав и дисперсные характеристики дымовой аэрозольной эмиссии от пожаров в бореальных лесах Сибири//
Оптика атмосферы и океана, 2008, 21, 523-531 (англоязычная версия Samsonov Yu.N., Popova S.A., Belenko
O.A., Chankina O.V. Chemical composition and disperse characteristics of aerosol smoke emission from fires in boreal
Siberian forests// Atmospheric and Oceanic Optics, 2008, 21, 455-462)
100
Generalized chemical composition of particulate smoke
emission
50-80%
Organic
substances
7-15%
Elemental
carbon
3-15%
Mineral/soil
substances
Относительная доля вещества на ступени импактора, %
5-я ступень
88.7 +-7.7 %
80
60
40
20
4-я ступень
7.1 +- 5.9%
3-я ступень 2-я ступень
2.5 +-2.1% 1.2 +- 1.0 %
0
0
Рис. 1. Обобщенный химический состав дымовой
аэрозольной эмиссии при типичном лесном пожаре
1-я ступень
0.5 +- 0.6 %
10
20
30
40
50
Аэродинамический диаметр частиц, m
Рис. 2. Гистограмма массового распределения
дымовой эмиссии по дисперсным фракциям
пятикаскадного инерционного импактора