В грубой схеме, лесные пожары подразделяются на низовые, верховые и подземные (почвенные). Пожар определяется как стихийное, неуправляемое распространение огня по лесным площадям.
Термин «неуправляемое» не относится к действиям людей, направленных на тушение пожара. Основные причины возгорания лесов можно разделить на две самостоятельные группы: естественные и антропогенные. К естественным причинам относятся обычные грозовые явления и так называемые «сухие грозы», к антропогенным — вызываемые человеком искусственно или непреднамеренно. Пожары, вызываемые искусственно, принято называть управляемыми, поскольку их целью служит уничтожение пожароопасных горючих материалов, удаление отходов лесоразработок, лесооздоровительные мероприятия (борьба с насекомыми и болезнями деревьев, расчистка площадок для разведения саженцев и т. д.). Нам представляется, что лесам Сибири наибольшую опасность представляют намеренные поджоги для последующей вырубки. Примеры тому авторы наблюдали сами или им сообщали лесники. Например, пожар 2007 года в Караканском бору Новосибирской области возник практически одновременно в четырех точках бора.
Непреднамеренные пожары происходят по рассеянности или неряшливости людей в лесу. Причиной его возникновения могут быть брошенные непогашенные спички или окурки (такие пожары чаще всего происходят вдоль дорог), оставленные без присмотра кострища и даже бутылки, которые нередко играют роль линз, собирающих солнечные лучи в одну точку.
Периодичность и частота возникновения лесных пожаров от «сухих» гроз обусловливается колебанием климатических условий. Например, на территории одного из южных лесхозов Алтайского края за период с 1933 по 1947 гг. от грозовых разрядов возникло 23% всех лесных пожаров, а в засушливом 1951 г. — 83% [Парамонов, Ишутин, 1999]. Одно из таких явлений мы наблюдали в 2007 г. на юго-западном окончании ленточных боров в Обь-Иртышском междуречье. Однако этот регион можно считать скорее исключением из всех обследованных нами в Сибири.
Грозовая составляющая в причинах возгорания лесов имеет сложные истоки. Пожары от молний не являются случайными и представляют собой итог закономерного процесса в системе солнце — атмосфера — литосфера — биосфера. Периодически повторяющиеся пожарные периоды связаны с тем или иным циклом изменения солнечных и геофизических процессов [Санников, 1995]. Повышенная солнечная активность ведет к повышению частоты возникновения гроз. Существенную роль играют и антропогенные факторы: 1964 год знаменовался снижением солнечной активности, однако в конце 1963 года происходило наибольшее количество воздушных ядерных взрывов, вызвавших дополнительную электризацию нижних слоев атмосферы и спровоцировавших всплеск грозовой деятельности [Дмитриев и др., 2006; Дмитриев и др., 2011].
Проведенные в Германии статистические исследования связи лесных пожаров с грозами показали, что их общая часть в сумме всех пожаров не превышает 10 %, однако при этом размер выгораемой площади от гроз имеет высокую значимую корреляционную зависимость с 99 % вероятности. Причиной этого служит, как правило, большое опоздание регистрации лесных пожаров, возникающих от гроз. Это препятствует их оперативному тушению, отчего огонь успевает пройти большие территории [Ершова, 2003].
Различают два типа горения ЛГМ — пламенное и беспламенное. Напочвенные материалы (опад, подстилка, мелкие сучья и т. д.) горят пламенем, ниже — беспламенно [Амосов, 1958]. Однако последний тип нашими наблюдениями отмечался не всегда.
Начало пожаров происходит по схеме: при температуре 100-150° С идет испарение воды. С повышением температуры наступает процесс разложения материала с возгонкой летучих веществ, образующих с воздухом горючую смесь, которая воспламеняется при 270-290° С. При 400-500° разложение и выделение газов завершается и дальнейшее горение происходит при температурах до 1000° С [Червонный, 1981].
Различные типы пожаров сопровождаются разной степенью концентрации химических элементов в дымовом шлейфе. Например, исследованиями в ближней зоне воздействия аварии на ЧАЭС и в Брянской области показано, что при низовом пожаре в дымовом аэрозоле происходит повышение концентрации 137Cs в 25 раз по сравнению с фоновым, а при верховом — в 100 раз [Копылов и др., 2003].
При низовом пожаре сгорает лесная подстилка, лишайники, мхи, травы, опавшие на землю ветки и т. п. Скорость движения пожара по ветру 0,25—5 км/ч. Температура горения около 700 °С (иногда выше). Высота пламени до 2,5 м. Несмотря на слабую силу огня при низовых пожарах, нагар на стволах деревьев с подветренной стороны нередко наблюдался нами до 5-6 м и даже 7-8 м. Особенно распространен высокий и неодинаковый на разных сторонах ствола нагар в березовых лесах.
Низовые пожары делятся на беглые и устойчивые. При беглом низовом пожаре сгорает верхняя часть напочвенного покрова, подрост и подлесок. Такой пожар распространяется с большой скоростью, обходя места с повышенной влажностью, поэтому часть площади остается незатронутой огнем. Беглые пожары в основном происходят весной, когда просыхает лишь самый верхний слой мелких горючих материалов. Устойчивые низовые пожары распространяются медленно, при этом полностью выгорает живой и мертвый напочвенный покров, сильно обгорают корни и кора деревьев, полностью сгорают подрост и подлесок.
Верховой лесной пожар охватывает листья, хвою, ветви и всю крону, может охватить (в случае повального пожара) травяно-моховой покров почвы и подрост. Скорость распространения от 5 до 30 км/ч. Температура от 900-1200 °С. Развиваются они обычно при засушливой ветреной погоде из низового пожара в насаждениях с низко опущенными кронами, на территориях с разновозрастным лесом, а также при обильном хвойном подросте. Верховой пожар — это обычно завершающаяся стадия пожара. Область распространения контролируется направлением ветра, который в некоторых случаях может стремительно менять свое направление из-за перепада температур над пожарищем и свежей площадью. Поэтому лесные пожары обычно сопровождаются локальной циркуляцией воздушных потоков, зависящих от внешнего ветра, стратификации основного потока, метеоусловий и так далее [Леженин и др., 2005].
Верховые пожары, как и низовые, могут быть беглыми или ураганными и устойчивыми или повальными. При повальном пожаре лес выгорает полностью. При верховых пожарах образуется большая масса искр из горящих ветвей и хвои, летящих перед фронтом огня и создающих низовые пожары за несколько десятков, а в случае ураганного пожара иногда за несколько сотен метров от основного очага. Перепады температур при этом могут достигать такой силы, что создающиеся вихревые потоки способны выворачивать деревья с корнем. Повальные верховые потоки часто отмечались в 90-х годах прошлого века и особой силы достигли в различных местах России летом 2010 года. Следующие два года (2011 и 2012) не уступали ему по масштабам.
Повальные верховые пожары сопровождаются практически полным выгоранием не только наземных ЛГМ, но и древостоя, однако часто большие деревья (180-250 лет) остаются живыми даже когда нагар на стволах формируется выше половины высоты дерева.
Необходимо отметить, что в наших исследованиях встречались все типы лесных пожаров, однако чаще всего отмечался смешанный их вид, характеризующийся различной степенью выгорания лесных горючих материалов. Нередко даже при устойчивых низовых пожарах на гарях оставались участки небольших размеров, не затронутые огнем. Такие явления, как будет показано ниже, служат надежным объектом изучения миграции элементов. Однако и при обследовании пожарищ от повальных верховых пожаров подобные участки отмечались. Причиной возникновения больших площадей, свидетельствующих о разном типе пожара, служили весенние пирологические события на больших объектах (сотни или тысячи га) со значительными перепадами рельефа. Например, пожарище размером около 4 тыс. га в районе п. Ерестная Новосибирской области характеризуется частой сменой результатов повального и низового пожаров. В итоге выгоревшие площади с различной степенью выгорания ЛГМ занимают сто-двести и более квадратных метров. Это связано с эоловым ландшафтом соснового бора, где отдельные дюны высыхали раньше, чем пониженные промежутки межу ними. Повальный пожар в районе п. Мирный (Алтайский край), произошедший в середине лета, оставил после себя пустыню без малейших следов разной степени выгорания ЛГМ. В то же время, на одной из гарей в Ямало-Ненецкомом АО (район п. Вынгапуровский) на фоне практически полного выгорания всех наземных ЛГМ наблюдались отдельные синузии лишайников размером 10-20 см, превращенные в так называемый «коксик». Образовался он в результате обугливания и спекания лишайника с повышенной влажностью и его неполного выгорания при воздействии высоких температур.
Если при низовых пожарах борьба с огнем может вестись успешно даже с применением техники, то повальные пожары представляют собой очень высокую опасность, и нередко отмечаются случаи гибели техники и людей, попадающих в огненную ловушку. Это случается при возникновении вихревых потоков из-за непредсказуемого изменения направления движения огня. Печальным примером может служить большой (более 26 тыс. га) Тополинско-Ракитовский пожар 1997 г. в ленточном бору Алтайского края. [Парамонов. Ишутин, 1999]. И если потери древесины можно с той или иной степенью точности определить в денежном выражении, то человеческие потери финансовому определению не подлежат по этическим соображениям. Поэтому компенсация их носит всегда условный характер.
Повальные верховые пожары особенно опасны в местах проживания людей. Три первых года второго десятилетия в нашей стране ознаменовались множественными случаями сгорания целых деревень. На фото 6 показана деревня, расположенная на окраине ленточного бора в Алтайском крае, выгоревшая почти полностью и отстроенная вновь. Таких деревень в России в период с 2010 по 2013 гг. было много, но не все из них удалось восстановить.
Кроме видимых ландшафтных изменений, выражающихся в исчезновении лесов и опустынивании площадей, пожары несут с собой незаметные на первый взгляд изменения внутренние, то есть геохимические, но также отражающие результаты верховых и низовых видов пожаров.