Процесс горения при лесных пожарах

Горение является окислительным процессом, при котором молекулы атмосферного кислорода вступают в соединение с молекулами горючего вещества.

В клетках растительных организмов происходят окислительные реакции трех типов.

1.     Прямое окисление молекулярным кислородом:

А + О₂->АО₂                                                         (1)

2.     Реакции, в которых А окисляется за счет В,

АН₂ + В -> А + ВН₂                                              (2)

Этот тип реакции является самой распространенной формой биологического окисления и называется дегидрированием, а процесс отнятия водорода - дегидрогеназой.

3.     Реакции, в которых происходит перенос электронов, например, окисление одной ионной формы железа (Fe²⁺) в другую (Fe³⁺):

Fe²⁺ -> Fe³⁺ + е^-                                                      (3)

Все эти три типа окисления встречаются в последовательности реакций, составляющих вместе процесс, который носит название аэробного дыхания (Грин и др., 1996). В отличие от биологического окисления при горении выделяется значительное количество тепла, достаточное для поддержания процесса.

При лесном пожаре единственным окислителем является кислород воздуха, а горючим материалом - органические вещества, преимущественно клетчатка (С₆Н₁₀О₅) - составная часть клеточных стенок растений. Помимо клетчатки, в состав растении и их мертвых остатков входят: лигнин, различные смолы, эфирные масла и другие компоненты, относящиеся к углеводородным соединениям. Сложные молекулы углеводородных соединений нестойки к высоким температурам. При нагревании они подвержены расщеплению на более простые молекулы. Так, при нагревании без доступа воздуха клетчатка легко распадается на летучие газообразные продукты (80% по массе) и твердый остаток - древесный уголь (20%).

Процессы горения и воспламенения лесных горючих материалов характеризуются значительным разнообразием физико-химических превращений, что обусловлено как сложной структурой горючего, так и природными условиями. При сильном нагревании клетчатка выделяет газы разложения, которые отстраняют воздух от поверхности горючих материалов. Вокруг частиц клетчатки формируется диффузионное смесеобразование: молекулы кислорода воздуха стремятся проникнуть в зону газообразования, а молекулы газа разложения рассеиваются в окружающую атмосферу (Анцышкин, 1957). При достижении определенного соотношения между горючими газами и воздухом и достаточной температуре эта смесь воспламеняется и становится зоной горения. В целом горение можно условно считать процессом, обратным фотосинтезу.

Процесс горения воспламенения лесных горючих материалов можно разделить на несколько стадий На начальной стадии под воздействием тепла от соседних горящих частиц происходит нагревание поверхности до 100°С. При дальнейшем повышении температуры от 100 до 150°С происходит интенсивное испарение различных форм воды (свободной, капиллярной, адсорбированной), а затем начинается процесс разложения материала, составляющего поверхность частиц (клетчатки, лигнина и др.), с возгонкой летучих веществ. Процесс разложения быстро ускоряется, достигая максимума при температуре 275-300°С. При 400-450°С разложение органических компонентов древесины и выделение горючих газов завершаются, древесина обугливается и дальнейшее горение угля происходит без пламени. При сгорании угля температура может достигать 1000°С (рис. 4).

 

Разложение горючих материалов в условиях высоких температур, предшествующее процессу их сгорания, приводит к тому, что исходный горючий материал (клетчатка, лигнин и др.) фактически является лишь сырьем для образования газообразных горючих продуктов распада и твердого углерода.

При температуре 230-300°С происходит воспламенение горючих газов, а выше 300°С - угля, и лесные горючие материалы продолжают гореть после удаления внешнего источника огня. Следует отметить, что чем быстрее происходит теплообмен, тем быстрее достигается минимальная концентрация горючих газов в воздухе, при которой возможно горение. Так, сосновая хвоя в опытах В.П.Молчанова (цит. по: Анцышкин, 1957) вспыхивала при 200°С, а при замедленном подогреве температура воспламенения хвои доходила до 400°С.

При сгорании органической массы на открытом воздухе температура верхней части пламени достигает 1000-1200°С. Цвет пламени и горящих углей является надежным диагностическим показателем температуры горения (Львов, Барзут, 1990),°С:

пламя белого цвета 1000-1100

пламя красного цвета 700-800

ярко горящие угли 800-1000

тускло тлеющие угли 550-700

В процессе горения выделяющееся тепло подогревает соседние участки и внутренние слои горючего материала, чем и объясняется распространение лесного пожара. Если горючие материалы находятся в сухом подогретом состоянии, то на их подготовку к воспламенению требуется меньше тепла и горение быстро распространяется по их поверхности. Напротив, если влажность горючих материалов велика, на испарение воды и нагрев требуется большое количество теплоты и распространение горения замедляется или даже прекращается. Так, влажность, определяющая возможность горения мхов, лишайников и подстилки летом, сухой травы и вереска весной (Анцышкин, 1957), не превышает 40-50%.

Специфическими особенностями горения при лесных пожарах являются:

высокая горючесть и обилие горючих материалов различных дисперсий;

высокое значение коэффициента поверхности горения (Kn=Sr/Sn, где Кn - коэффициент поверхности горения; Sr - площадь поверхности горения; Sn - площадь участка горения) и большая рассредоточенность горючего материала в пространстве (от нижнего слоя подстилки до верхней части древесного полога);

сильная зависимость интенсивности горения от метеорологических условий.

Сгорание лесных горючих материалов в основном протекает в пламенной форме. Это значит, что гомогенное горение, т.е. горение с доступом кислорода воздуха играет ведущую роль. Для поддержания гомогенного горения необходима определенная концентрация горючего газа. Гомогенное горение прекращается, если концентрация горючих газов отклоняется от оптимальной или когда доля кислорода в воздухе становится ниже 14%.

Для прогноза развития лесного пожара важно знать структуру слоев горючих материалов. Чем мельче частицы горючего, тем больше их поверхность, приходящаяся на единицу объема, и тем быстрее они нагреваются до температуры воспламенения. В то же время необходимо учитывать величину промежутков между частицами горючего. Если она слишком велика, то горизонтальное распространение горения от одной частицы к другой прекращается, а когда слишком мала (менее 0,5 мм) замедляется из-за трудности проникновения кислорода во внутренние слои горючих материалов. Исключение составляют торф, лесная подстилка и гнилая древесина, тление которых происходит, несмотря на довольно плотную их структуру.

Помимо пламенного типа горения, при лесных пожарах наблюдается и беспламенное (гетерогенное) горение, которое протекает при ограниченном доступе кислорода воздуха. Следует отметить, что оба типа горения в условиях лесного пожара нельзя рассматривать изолированно один от другого, так как оба процесса протекают одновременно в одной и той же среде. С.П.Анцышкин (1957) отмечает, что при лесных пожарах с гомогенным горением в пламенной стадии выгорает 85-90% горючих материалов, находящихся на поверхности почвы, а в гетерогенной - 6-11% (при скорости выгорания в пламенной стадии в 13-14 раз больше, чем в беспламенной). При преобладании гомогенного горения, на подсушивание и подогрев близлежащих горючих материалов расходуется незначительное количество выделяемого тепла. Так, при горении нижних ярусов растительности только 3-8% выделяющегося тепла затрачивается на подготовку новых порций горючего и примерно столько же тепла расходуется на подогрев почвы (рис. 5). Иными словами, более 75% тепла уносится из зоны горения конвекционными потоками воздуха с продуктами горения. Этим объясняется невозможность распространения лесного пожара с преобладанием гомогенного горения при высокой влажности горючих материалов.

При горении торфяно-органических горизонтов почвы и нижних слоев подстилки преобладает гетерогенный тип горения. С физико-химических позиций под гетерогенным горением понимают процесс окисления горючего, протекающий на границе раздела двух поверхностей - твердой (уголь) и газообразной (воздух). Твердая поверхность горючего адсорбирует кислород и вступает с ним и химические соединения. Б результате образуются углекислый газ СО₂ и окись углерода СО. Концентрации СО и СО₂ на поверхности горючего примерно одинаковы. Процесс горения относится к цепной реакции, поэтому образовавшиеся продукты постоянно удаляются с поверхности, освобождая место для поступления новых порций кислорода. При беспламенном горении содержание кислорода не является лимитирующим фактором. Основное условие для данного типа горения - достаточная температура углей, которая может быть достигнута или в результате изотермической реакции, или от теплообмена с соседними частицами.

Как отмечалось ранее, беспламенный тип горения в наибольшей степени характерен для пожаров на торфяниках, а также в насаждениях с мощной грубогумусной подстилкой. Сгорание торфа происходит при недостатке кислорода и постоянно существующей тенденции заглубления, обусловленной спецификой циркуляции воздуха и горючих газов. При горении торфа более 50% тепла расходуется на его подсушивание Аккумуляция тепла в зоне горения делает возможным распространение пожара в верхних слоях торфа при его влажности до 300%, а в более глубоких слоях даже до 500%.

Скорость распространения пожаров при преобладании гетерогенного горения практически не зависит от скорости ветра и, как правило, очень незначительна (несколько сантиметров или метров в сутки).