Пограничным называют слой атмосферы от земной поверхности до высоты 1500 м (в некоторых случаях до 2—3 км), где под влиянием земной поверхности и турбулентного обмена наблюдаются хорошо выраженные суточные изменения метеорологических элементов.
В пограничный слой на различную высоту вторгаются конвекционные потоки лесных пожаров. Пожары, где скорость выгорания может достигать нескольких килограммов в минуту с погонного метра кромки, формируют конвекционные колонки, достигающие высоты 1000—1500 м. Очень мощные колонки, простирающиеся в атмосферу на несколько тысяч метров, формируются над пожарами при скорости выгорания до десятков килограммов. Эти пожары американские исследователи называют «трехмерными». К «двухмерным» же они относят пожары со скоростью выгорания менее 1 кг в мин с погонного метра кромки. Над фронтом такого пожара не образуется заметной конвекционной колонки, а лишь невысоко поднимаются пульсирующие клубы дыма. Правда, оценка пожара как «двухмерного» или «трехмерного» весьма условна, так как над очень слабыми пожарами существует, хотя и невысокая, зона активной конвекции.
По нашим предварительным данным, конвекционная колонка лесного пожара, как конвекционный, турбулентный поток, в значительной мере может изменять метеорологическую обстановку в пограничном слое атмосферы и существенно влиять на безопасность полетов при тушении пожаров с воздуха. Проведенные исследования по этому вопросу еще недостаточны для его решения. Очень мало еще наблюдений за развитием лесных пожаров в естественной обстановке. Основной причиной этого являются большие методические и организационные трудности проведения их даже на сравнительно небольших лесных пожарах.
Несмотря на эти трудности, мы провели ряд наземных и воздушных наблюдений за поведением лесных пожаров.
В первую очередь разрабатывалась методика проведения наблюдений в сложной обстановке у лесного пожара и испытание аппаратуры на пригодность ее для исследований в этой области.
Были проведены визуальные наблюдения за общим характером развития пожаров и за формированием конвекционных колонок. Инструментальные наблюдения были проведены за некоторыми параметрами конвекционной колонки, за изменением воздушных потоков и их турбулентностью в зоне пожара, за величиной перегрузок, действующих на самолет в этой зоне. Проведены немногочисленные наблюдения и за возникновением очагов горения за пределами пожара в результате переноса горящего горючего конвекционным потоком пожара.
Наблюдения проводили на созданных специально для этой дели пожарах, на старых гарях, где горючие материалы были представлены травяной ветошью, запасы которой варьировали в пределах от 0,4 до 0,6 кг/м2, а также в «шелкопрядниках», где запас сгорающих горючих материалов составлял 5—10 кг/м2. В первом случае пожары были слабые, низовые, на площади от 0,2 до 2,0 га.
Поскольку наиболее важной характеристикой пожара является его интенсивность, т. е. количество тепла, выделяющееся на единице длины кромки пожара в минуту (в ккал/м∙мин), желательно было сопоставить параметры конвекционной колонки с этой величиной. Однако для определения интенсивности горения, кроме запаса горючих материалов, их калорийности и скорости распространения пожара, необходимо знать еще и общий коэффициент недожога: если механический недожог (остаток горючих материалов) на пожаре, хотя и с большими трудностями, можно определить, то химический недожог пока еще определить не представляется возможным. А он, по предварительным данным, достаточно велик. По мнению Н. П. Курбатского, только унос горючего с дымом может достигать 20% от общего количества тепла, которое может выделиться на пожаре. В связи с этим мы полагаем, что в настоящее время достаточно точно определить действительную интенсивность горения при лесном пожаре практически невозможно, тем более что в лесу состав горючих материалов, их состояние, структура и размещение по территории сильно варьируют. Поэтому в качестве тепловой характеристики пожара мы приняли скорость выгорания горючих материалов в пламенном режиме в единицу времени с единицы длины кромки пожара, т. е. υ = ωr, где ω — количество сгорающего горючего с 1 м3 (в кг/м2) без учета того, что часть несгоревшего горючего претерпела существенное превращение; r — скорость продвижения кромки.
Наблюдения за характером развития пожара проводили по методике лаборатории лесной пирологии Института леса и древесины СО АН СССР. Размеры конвекционной колонки определяли с помощью теодолита и при авиазондировании. Для наблюдений за воздушными потоками у пожара была использована методика шаропилотных наблюдений гидрометеослужбы и методика уравновешенных шаров П. А. Воронцова (1961). Два последних метода приняты нами в связи с тем, что они позволяют вести наблюдения за скоростью и направлением как горизонтальных, так и вертикальных воздушных потоков на различной высоте от поверхности земли и с безопасного расстояния от пожара. Кроме того, они позволяют оценить и степень турбулентности воздушных потоков.
Для наземных измерений температуры в конвекционной колонке были использованы термосопротивления ММТ-1, а для измерения скорости потока применяли модифицированные нами контактные анемометры с защитой от влияния горизонтальных потоков. Показания датчиков регистрировали с помощью модифицированного самописца Н-372 с усилителем и осциллографа Н-700. Датчики устанавливали на металлических мачтах. Были предприняты попытки подъема и ввода датчиков в конвекционную колонку с помощью шаров-зондов из оболочек № 100, наполненных водородом, но безуспешно.
Авиазондирования в зоне пожаров на разных уровнях проведены на самолете АН-2, на котором были установлены: метеорограф А-10, электрометеорограф, вариограф и датчик перегрузок МП-15. Установленная аппаратура позволяла вести наблюдения за температурой, пульсацией температуры, скоростью вертикальных потоков и за вертикальным ускорением. Все наблюдения были проведены в условиях, благоприятных для развития термической неустойчивости в зоне пожаров. Величина вертикального температурного градиента в среднем составляла около Г на 100 м и колебалась в период опытов от 0,8 до 1,2 град. Визуальные наблюдения за общим характером развития пожаров и за формированием колонок проведены на разных пожарах. Наблюдения на слабых низовых пожарах площадью до 2 га показали, что над такими пожарами при ветре небольшой скорости, к тому же убывающей с высотой, могут образовываться конвекционные колонки вызотой 300—400 м. Но на высоте при увеличении скорости ветра до 3 м/сек и более конвекционных колонок эти пожары совсем не образуют.
Наблюдения за развитием более крупного лесного пожара на площади до 20 га при скорости выгорания от 5 до 10 кг/м2 показали, что когда скорость ветра над лесом не превышала 3 м/сек, конвекционная колонка над ним была вертикальна. При этом до высоты 200—300 м колонка состояла из пульсирующих клубов дыма. Выше она имела вид вертикальной струи, а на высоте 1500—1800 м оканчивалась остроконечной шапкой. На вершине ее образовалось кучевое облако, которое в отличие от дыма имеет более четкие границы.
С увеличением скорости ветра до 6—7 м/сек колонка наклонялась под углом до 45° к горизонту, струйность потока исчезала, и она состояла из пульсирующих клубов дыма.
Быстрое распространение пожара по территории в основном было связано с образованием очагов горения перед фронтом пожара в результате выпадения из колонки горящих частиц. Над новыми очагами горения возникали свои колонки. Последние при близком расположении (в пределах до 50 м) на высоте 50—100 м сливались в одну. При распространении пожара на площади около 20 га колонка достигала высоты 3200 м.
Следовательно, скорость газового потока над пожаром должна увеличиваться с высотой до равенства температур окружающего и поднимающегося воздуха. Когда эти температура благодаря перемешиванию и теплоизлучению сравниваются, ускорение газового потока должно стать равным нулю. При этом скорость будет максимальной, а далее она станет быстро уменьшаться. В самой верхней части колонки находится зона, где продукты сгорания будут двигаться вверх и вниз: вверх — под действием инерции, а вниз — под действием сил тяжести.
Турбулентность и перегрузки над пожаром на высоте 100 м втрое больше, чем вне пожара. Большие величины К над пожаром вызваны, очевидно, тем, что на фоне общей неустойчивости пограничного слоя даже небольшие добавки тепловой энергии от пожара, обусловливающие повышение температуры на 100 м всего лишь на 0,2—0,3°, вызывают интенсивный вертикальный и горизонтальный обмены.
Известно, что скорость полета шара-пилота в турбулентном потоке больше, чем в ламинарном. В связи с этим отношение фактической скорости полета шара к расчетной позволяет определить наличие турбулентного состояния атмосферы. В соответствии с этим мы проследили, как изменяется это отношение в зоне пожара. В зоне пожара турбулентность значительно выше, чем в окружающей атмосфере.
Как показали шаропилотные наблюдения, конвекционные потоки над пожарами, небольшими по площади и слабыми по интенсивности, не оказывают заметного влияния на направление и скорость горизонтальных потоков у пожара.
Прослеживая проекцию полета шара, можно заключить следующее. Во время наибольшей интенсивности пожара, когда конвекционная колонка достигла высоты около 3200 м, воздушные потоки на расстоянии 400 м от левого фланга пожара в слое от 0 до 50 м над поверхностью земли по направлению и скорости не отличались от фоновых. На высоте 50 м (на этом же расстоянии) шар начал двигаться к колонке с переменной горизонтальной скоростью от 0,9 до 3,2 м/сек. Вертикальная скорость его изменялась от 0,8 до 3,4 м/сек. С высоты 320 м и на расстоянии примерно 20 м от колонки преобладали нисходящие потоки co средней скоростью 0,7 м/сек. Скорость горизонтального переноса в этот период равнялась 2,7 м/сек.
Дальнейшие наблюдения показали, что по мере приближения к колонке, направления и скорости как горизонтальных, так и вертикальных составляющих траекторий полета шара резко менялись за очень короткие промежутки времени. При этом максимальная скорость горизонтальных составляющих достигала 9—11 м/сек, а вертикальных (в основном нисходящих) — 5— 3 м/сек. Все это указывает на то, что в данной зоне имеются чрезвычайно высокие значения коэффициента турбулентности, достигающие, вероятно, нескольких сотен квадратных метров в секунду. При этом наибольшее возмущение наблюдается на границе между дымом и чистым воздухом.
Проведенные исследования дают основание сделать следующие выводы.
1. Низовые пожары слабой силы при слабом ветре могут д формировать конвекционные колонки высотой 300—400 м. Однако активная конвекция над такими пожарами не превышает 200 м.
2. Конвекционные колонки слабых низовых пожаров мало влияют на горизонтальные потоки воздуха, но при термической неустойчивости атмосферы могут увеличивать их турбулентность.
3. Над фронтом пожара слабой силы на высоте 100—150 м перегрузки, действующие на самолет, могут достигать величин, при которых полеты на самолете АН-2 становятся небезопасны. Над флангами и в тылу таких пожаров полеты безопасны на любой высоте.
4. Пожары средней силы и сильные, с хорошо развитой конвекционной колонкой, простирающейся до высоты нескольких тысяч метров, могут существенно трансформировать воздушные потоки на расстоянии до 400 м от них. Особенно высокая турбулентность воздушных потоков наблюдается в нескольких десятках метров с флангов и перед фронтом таких пожаров. Коэффициент турбулентности воздушных потоков в этой зоне может достигать нескольких сотен квадратных метров в секунду.