Ситуация с пожарами в мире не утихает. С каждым годом в лесных массивах их становится всё больше. Причин этой глобальной проблемы много. Непотушенная сигарета, спичка, костёр; выброшенная стеклянная бутылка, которая может стать линзой; сжигание старой травы, различного мусора возле леса. Не стоит исключать и умышленные поджоги, которые в большинстве случаев признаются основным виновником происшествия. Как же всё-таки правильно следует бороться с пожарами? И действительно ли их количество можно сократить? Об этом «Научной России» рассказал Денис Петрович Касымов, кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией механико-математического факультета Томского государственного университета, старший научный сотрудник лаборатории прогнозирования состояния атмосферы Института оптики атмосферы Сибирского отделения РАН. 

Денис Петрович Касымов

Пожары – одна из глобальных экологических проблем. Какие пожары считаются наиболее опасными? И в каких регионах они распространены?

- Вопрос действительно очень важный. Несмотря на развитие науки, современных способов и технологий для тушения пожаров, статистика говорит о том, что их количество заметно растет. Мы наблюдаем тренд положительной горимости лесных территорий. Здесь сходятся климатические факторы, связанные с изменением климата, и желание людей развивать частное домовладение. В связи с этим понятие лесного пожара можно расширить до понятия природных пожаров, а именно пожаров на природно-урбанизированной территории, когда горение переходит с лесной территории и угрожает здоровью и жизни человека.

Кроме того, мы стали чаще наблюдать появления очагов горения крупных пожаров на территориях, где ранее они не регистрировались. Это Боливия, Шотландия, Чили. 

Что касается того, какой же тип пожара наиболее опасный. Здесь надо определить, что мы понимаем под опасностью. Это так называемая интенсивность пожара. В настоящее время в научном сообществе существует такой термин – мегапожары. Австралия, 2020 год. Ужасающие пожары по своим масштабам и эмиссиям углерода. Наблюдалось горение на территории около 500 тысяч гектаров. Огромная высота пламени и скорость его распространения стали наиболее опасными для страны и всего живого в ней. Такие пожары безусловно регистрируются. Их, к счастью, не так много, но они все же имеются. 

Наиболее распространенная классификация пожаров: низовой пожар, верховой пожар, почвенный (торфяной) пожар, а также степной. В данном случае самым опасным пожаром считается повальный верховой пожар – когда горение происходит как в нижнем ярусе, так и в кронах. Он скачкообразными движениями может быстро переноситься, продвигаться за счет внешних слоев атмосферы, за счет сильных порывов ветра. Если мы говорим о низовом лесном пожаре, то его скорость распространения небольшая и его легче потушить. А повально-верховой пожар наиболее опасный. 

Чем опасны мегапожары? Во-первых, меньше информации с точки зрения науки о них известно. Во-вторых, именно эти крупные очаги горения провоцируют разного рода эффекты поражающего фактора. Например, генерация переноса частиц. Это тоже важный аспект. Мы этим занимаемся. Частицы, например, которые образовались при пожаре в Австралии, могут переноситься на расстояния до нескольких десятков километров, и там уже инициировать новый очаг горения. Кроме образования частиц нередки огненные вихри и сухие грозы, также возникающие вследствие крупномасштабных пожаров. 

- А как такие мегапожары можно предвидеть?

- Залог успешной ликвидации пожаров – это возможность их спрогнозировать и как-то предотвратить появление мощного очага. Пожар не может произойти внезапно. Его создает целый ряд факторов – это взаимосвязь климатических показателей, отсутствие осадков длительное время. Если мы говорим о том, что нам необходимо предвидеть возникновение пожара, то какие могут быть способы? В базовом случае – наземные вышки, сети камер, оснащенные инфракрасными датчиками и инфракрасными камерами, способными зафиксировать определенную термоточку, где имеется очаг горения на достаточно большом расстоянии. Далее, очень важный и эффективный способ, связанный с дистанционным зондированием – спутниковый мониторинг. По данным космических снимков мы можем определить термоточки. 

Современное состояние аэрокосмического мониторинга имеет ряд важнейших вопросов. На этом научные группы акцентируют внимание, связанное с коррекцией спутниковых данных, т.е. занимаются интерпретацией полученных данных со спутников. Базовые способы тушения – наземный мониторинг, спутниковый мониторинг, авиапатрулирование для идентификации пожара. Основной момент – как можно раньше предупредить возникновение и развитие очага горения. 

Генерация тлеющих частиц – эффект, который наблюдается уже во время пожара и достаточно крупного пожара. В данном случае важно спрогнозировать, как эти частицы будут себя вести, на какое расстояние они могут перенестись и какой имеют зажигательный потенциал. 

Последние 10 лет ученые мирового научного сообщества активно занимаются исследованием трех основных стадий: генерация частиц, перенос, транспорт частиц и их приземление, а также взаимодействие с почвенным покровом или иными поверхностями. 

- На сегодняшний день возможно уменьшить количество пожарных ситуаций?

- Всех пожаров не потушить. Это естественно для природы. Уменьшить их количество можно. Невозможно обойтись только научными разработками. Здесь важно повышать экологическую ответственность у людей путем профориентационных мероприятий. 

Одна из ежегодных бед для России, для южных областей Сибири и Дальневосточного округа – это весенние палы. Неконтролируемые отжиги, незнание людей влияют на развитие пожарных ситуаций. Например, в 2015 году ситуация в Хакассии. Буквально за несколько часов пламенем были охвачены сотни домов, а в течение двух суток сгорело несколько тысяч домов и погибли люди. 

Молодые учёные и студенты механико-математического факультета ТГУ во время полевой экспедиции

Молодые учёные и студенты механико-математического факультета ТГУ во время полевой экспедиции

(Базовый экспериментальный комплекс ИОА СО РАН, г. Томск)

Важный момент – контролируемые отжиги. Этот метод реализуется на практике, но здесь тоже нужно быть предельно внимательными. Мы заведомо снижаем топливную нагрузку на лесной территории в тех местах, где наиболее вероятна наибольшая пожарная опасность. 

- Какими разработками по предотвращению пожаров занимается ваша лаборатория?

- Наш коллектив занимается среднемасштабными пожарами. Это исследование выполняется в рамках гранта Президентской программы Российского научного фонда. 

На экспериментальном полигоне проводим исследования возникновения и распространения полевых пожаров, а также изучаем способы и технологии их обнаружения. Здесь не только исследования процессов горения, но и изучение газов, аэрозолей, которые выделяются в результате пожара. Во время интенсивного горения выделяются газообразные конденсированные продукты горения. Определенные газы и аэрозоли, которые характерны для природного пожара. Их можно уловить с помощью специальных средств и по маркерным газам судить, в каком секторе находится пожар. Здесь мы нацелены на изучение и поиск загоризонтных пожаров. Мы не видим очага горения, но по маркерным газам способны проанализировать пожар. Это технология комплексной системы обнаружения пожаров. Недавно мы получили на нее патент. Предлагается не полный цикл действий по обнаружению пожара, только рамочная схема. Её можно дополнить постами мониторинга, но принцип как это сделать – над этим мы работаем. Это одна часть.

Кроме того – исследование горящих и тлеющих частиц, образующихся при пожаре. Интересный междисциплинарный проект завязан на разработке программного комплекса, который позволяет детектировать и анализировать поведение горящих и тлеющих частиц на тепловом изображении. Становится возможным определение важных с точки зрения пожарной безопасности теплофизических характеристик таких частиц, а именно: их траектория движения, температура, количество тепла от частиц. Зная все эти характеристики, можно в оперативном режиме анализировать пожары той или иной интенсивности. 

В рамках этого проекта с одной стороны – программная часть: программирование, использование алгоритмов компьютерного зрения и сверточных нейронных сетей, с другой – огневые эксперименты.

С 2015 года мы совместно с Институтом оптики атмосферы СО РАН разработали и сконструировали установку «Огненный дракон» – «Генератор горящих и тлеющих частиц».

Разработка "Генератор горящих и тлеющих частиц"

Разработка "Генератор горящих и тлеющих частиц"

 

В итоге программный комплекс, который мы разрабатываем, направлен на получение теплофизических характеристик потока горящих и тлеющих частиц. В него входят разного рода алгоритмы, которые определяют на кадре сотни частиц, меняющих свое местоположение. С одной стороны, нам надо разработать детектор – подпрограмму, которая ловит частички. С другой – необходимо разработать специальный трекер, который эти частицы ведет от кадра к кадру, присваивает ей уникальный номер, рассчитывает траекторию. 

Экспериментальная работа генератора горящих и тлеющих частиц

Экспериментальная работа генератора горящих и тлеющих частиц

Руководит - Денис Петрович Касымов

С 2019 по 2021 годы под моим руководством был реализован грант Российского научного фонда. Проект был направлен на применение инфракрасной техники для разработки методов контроля теплоизоляционных свойств, теплоизолирующей способности различных конструкционных материалов. Так мы дистанционным образом можем проанализировать поведение разного рода материалов в результате любых сценариев пожара. Здесь расширяем границы и моделируем именно реальные случаи пожаров разного типа. 

Какими способами эффективнее всего бороться с пожарами на торфяниках?

- Это очень хитрый и сложный объект исследования. Торф – пористый материал. Специфика и сложность борьбы с пожарами в нем – это появление режима самовозгорания. У торфа температура самовоспламенения начинается уже со значения 60-65 градусов. 

Когда производят работы по тушению очага торфяного пожара, то в идеале надо грамотно проработать сам процесс тушения. Это многостадийный процесс. Необходимо зафиксировать очаг торфяного пожара, определить основную зону горения. Она может быть в пламенном режиме и в режиме тления. Торфяным пожарам присущ именно режим тлеющего горения. Важно очень аккуратно проводить работы с использованием лесопожарной техники, так как в зоне торфяного пожара могут образовываться полости. 

Организация встречного пала для тушения низового лесного пожара

Организация встречного пала для тушения низового лесного пожара

 

Как тушить такие пожары? Способы разные, все зависит от степени. На начальной стадии – методом вскапывания в перемешивании с водой, она обязательна. Если рядом водоем, сделать обводнение очага горения. После такого рода работ провести измерение температуры торфяного слоя. По нормативам она не должна превышать 40-45 градусов. В противном случае, горение возобновится. Подобное часто происходит – провели тушение, но должным образом не дотушили очаг. Торфяные пожары могут гореть годами.

- Как используют встречный пал для тушения пожаров?

- Встречный пал – один из видов тушения пожаров. Мы организуем полосу горения четко вблизи границы фронта пожара, который нам необходимо потушить. На основании физических процессов, протекающих в зоне горения, происходит подсос воздуха. В какой-то момент они сольются в единый фронт. Здесь важен контроль метеопараметров – отслеживание направления и скорости ветра, чтобы не усугубить и не устроить дополнительный очаг горения. Бывает, что встречный пал пускается в несколько полос. Используются специальные капельные зажигательные устройства. Как правило, встречный пал реализуется на открытой местности при условии поддержки с воздуха, когда вертолеты могут отслеживать ход пала. Такой способ очень действенный при тушении пожаров. 

Фотоматериалы предоставлены лично Денисом Петровичем Касымовым.