На лесных пожарах нас интересуют лишь такие конвекционные потоки, которые распространяются вблизи от поверхности земли с заметной вертикальной составляющей.
Только такой поток в состоянии поднять частицы горючего выше окружающего древостоя. Если же продукты сгорания перемещаются с очень малой вертикальной составляющей, то в этом случае перенос частиц будет происходить не в силу конвекционного подъема его, а только под воздействием ветра у поверхности земли. Дальность такого переноса, как правило, невелика и всегда меньше дальности конвекционного переноса.
В нашу задачу входило определение условий, при которых над пожаром формируется конвекционный поток, отклоненный от вертикали на угол не более 30°. Угол в 30° был принят условно, как максимальный угол отклонения, при котором еще возможен конвекционный подъем горящих частиц. Поскольку конвекционный поток пожара возникает в результате подъема продуктов сгорания под действием сил плавучести, то основным условием возникновения конвекционного потока является нагрев подстилающей поверхности.
Большое влияние на угол наклона потока к земле оказывает ветер. Кроме того, можно предполагать, что какую-то роль в формировании конвекционных потоков играет состояние пограничного слоя атмосферы (ПГСА), так как известно, что вертикальные движения легче развиваются при неустойчивом состоянии атмосферы.
Состояние атмосферы неотделимо от синоптических ситуаций, складывающихся на территории распространения пожара. Условия, влияющие на развитие конвективных движений, будут зависеть от установившейся в районе пожара той или иной синоптической ситуации. Так, например, для антициклона характерны нисходящие движения, а на территории, где установился циклон, преобладают восходящие движения воздуха. От того же, какие движения воздуха будут преобладать, должна зависеть и успешность развития конвекционного потока пожара.
Однако, кроме основных синоптических ситуаций (циклон и антициклон), существует еще ряд промежуточных: «ложбина», «гребень», «седловина», которые характеризуются различными движениями воздуха в них. Большое влияние на успешность развития конвекции могут оказать теплые и холодные фронты, т. е. области раздела между различными воздушными массами.
Барические системы могут перемещаться, а некоторые из них вообще очень неустойчивы и недолговечны, как, например «седловина», проследить перемещение которой бывает обычно невозможно. Поэтому условия, способствующие развитию конвекции, лучше отождествлять с неустойчивым состоянием ПГСА, наличие которого, независимо от синоптической ситуации, свидетельствует об условиях, благоприятных для развития конвекции. Потеря же устойчивости ПГСА происходит только в том случае, когда вертикальный градиент температуры становится больше адиабатического.
Американский физик Байрам на основании теоретических расчетов сделал вывод, что при нейтрально-устойчивом состоянии ПГСА для существования конвекционного потока необходимым является условие, при котором отношение скорости превращения тепловой энергии пожара в кинетическую энергию газового потока к скорости потока кинетической энергии в поле ветра было бы равно или больше 1.
Подразумевается, что при равенстве энергий ветра и пожара, конвекционный поток пожара должен быть наклонен под углом 40—50°, т. е. приблизительно по равнодействующей взаимодействующих энергий. Если это условие будет выполняться, то может представиться возможность предсказывать угол наклона конвекционного потока по известным значениям энергии ветра и пожара. Так как эти значения могут быть определены соответственно по скорости ветра и интенсивности пожара, то, зная последние, мы можем предсказать, возможно ли существование конвекционного потока пожара при данных условиях.
Байрам применяет выведенные им закономерности к конвекционному потоку от его основания до высоты 1200 м. Но энергия этого потока, несомненно, изменяется с высотой вследствие перемешивания газового потока пожара с окружающим воздухом. Поэтому прежде чем использовать уравнения, выведенные Байрамом, мы решили проверить их применимость для той части конвекционного потока, где планируется эти уравнения использовать. Такая проверка на высотах около 600 м была произведена Э. Н. Валендиком (1966). Он нашел, что на этих высотах уравнения, предложенные Байрамом, полностью определяют возможность существования конвекционного потока.
Так как возможность формирования конвекционного потока определяется на высоте верхней границы полога древостоя, то нас интересовала применимость уравнений Байрама именно на этой высоте.
Расчеты Байрама даны лишь для условий нейтральной атмосферы. При изучении формирования конвекционных потоков над лесными пожарами необходимо было предварительно провести опыты для выяснения, оказывает ли какое-то влияние состояние ПГСА на угол наклона к горизонту конвекционного потока пожара. На возможность такого влияния указывает следующее. Из курса физики известно, что чем больше вертикальный температурный градиент, тем неустойчивей стратификация ПГСА, т. е. чем больше этот градиент, тем легче возникают конвекционные движения в этом слое атмосферы. Это в свою очередь должно привести к увеличению кинетической энергии газового потока. Так как, согласно утверждению Байрама, существование конвекционного потока определяется соотношением энергий ветра и пожара, взаимодействующих под прямым углом друг к другу, то изменение должно влиять на величину угла наклона конвекционного потока.
Наблюдения за параметрами конвекционных потоков при различных интенсивностях источника тепла, скоростях ветра и состояниях атмосферы проводили на моделях пожаров на специальном полигоне и на естественных пожарах в лесу.
Полигон представлял собой вырубку в лесу, на которой выделена площадка с горизонтальной поверхностью в виде полосы 110X3 м, длинной стороной расположенной поперек направления господствующего ветра. Площадка служила основанием для установки ванн с дизельным топливом.
С правого фланга, по направлению господствующего ветра, на расстоянии 100 м от полосы находились пункт шаропилотных наблюдений, представляющий собой ровную площадку для установки теодолита, и траншеи с водородными баллонами для наполнения оболочек шаров-зондов.
С наветренной стороны полосы на расстоянии 40 м на высоте 2 м устанавливали регистратор скорости ветра — анеморумбометр М-47. На расстоянии 1100м от полигона на пожарной наблюдательной вышке был расположен пункт наблюдения за параметрами конвекционных потоков. Интенсивность горения на установке измеряли посредством расчета по количеству горючего, сгорающего в единицу времени, с учетом потерь тепла на радиацию. Учитывали также и химический недожог, который определяли по данным П. Т. Демидова (1961). Площадь поверхности горящей жидкости одной ванны была равна 0,71 м2.
Ванны в зависимости от желаемой интенсивности имитируемой кромки пожара устанавливали в один или более рядов.
Скорость ветра на высоте наблюдений за параметрами газового потока определяли с помощью шаропилотных наблюдений по методике Гидрометеослужбы СССР. Вертикальный температурный градиент ПГСА определяли по данным аэрозондирования.
При проведении опытов на лесных пожарах интенсивность горения определяли путем расчета по количеству горючего, сгорающего в единицу времени, с учетом тепла, пошедшего на нагревание и испарение воды и на радиационное излучение; учитывали механический и химический недожог. Измерение скорости ветра, углов наклона конвекционных потоков и вертикального температурного градиента ПГСА проводили так же, как и на полигоне.
В первой серии опытов при равных интенсивностях горения (4,7 тыс∙ккал/м∙мин) и при равных скоростях ветра (0,5—0,6 м/сек) вертикальный температурный градиент изменялся от 0,5 до 1,5. Однако величина угла наклона конвекционного потока изменялась лишь в пределах ошибки. То же мы наблюдаем во II и III сериях опытов при других равных интенсивностях и скоростях ветра.
Такая же картина наблюдается и в опытах при горении лесного горючего материала (серии опытов IV—V).
Следовательно, как в опытах при сжигании нефтепродуктов, так и в опытах, проведенных при сгорании лесного горючего материала, величина угла наклона конвекционного потока над источником тепла не зависела от состояния ПГСА. При различных состояниях атмосферы величина этого угла в опытах с равной интенсивностью горения и равной скоростью ветра варьируется в пределах ошибки.
Очевидно, что небольшая добавочная энергия фоновых восходящих потоков воздуха, дополняющая кинетическую энергию пожара, намного меньше кинетической энергии ветрового потока, и в силу этого она не в состоянии повлиять на изменение угла наклона потока на рассматриваемой высоте.
Таким образом, результаты наших опытов на полигоне и в лесу подтверждают выводы Н. И. Вульфсона и Л. Н. Гутмана (1965) о том, что «вертикальная неустойчивость атмосферы не влияет на параметры конвекционных потоков, образующихся над метеотроном».
Для установления возможности определения угла наклона конвекционного потока в зависимости от интенсивности пожара и скорости ветра необходимо было провести опыты при различных соотношениях взаимодействующих энергий. В опытах это соотношение изменялось за счет варьирования энергией пожара, так как скорость ветра — неуправляемый фактор.
Для выяснения влияния соотношений двух энергий на существование конвекционного потока пожара было проведено 9 серий опытов. Каждая серия состояла из 5 опытов и делалась при различных скоростях ветра.
В том случае, когда это значение во много раз больше единицы (серии 8 и 9), конвекционный поток направлен строго вертикально, т. е. под прямым углом к горизонтальной поверхности земли. Когда же это отношение меньше единицы (серии 1, 2 и 3), вертикальная составляющая его перемещения выражена довольно слабо, и поток продуктов сгорания стелется по земле.
Эти данные подтверждают вывод Байрама о том, что существование конвекционного потока лесного пожара определяется соотношением энергии пожара и энергии ветра. Однако вопреки ожиданию оказалось, что при величине отношения, равном 1, угол направления потока продуктов сгорания не равен 40°—50°; в этом случае он составляет лишь 30°.
Согласно данным проведенных опытов, продукты сгорания перемещаются под углом к горизонту, близким к 45°, при величине отношения 1,5—1,7 (6 и 7 серии опытов). Такое несоответствие закономерности, установленной Байрамом, объясняется, очевидно, тем, что основание конвекционного потока пожара, естественно, должно иметь температуру более высокую, чем температура потока на больших высотах. Вследствие этого плотность потока у его основания будет меньше, чем на большой высоте. Так как с увеличением плотности потока увеличивается и его энергия, это не может не отразиться на величине соотношения энергий ветра и пожара.
Результаты свидетельствуют о превалирующем влиянии ветра на существование конвекционного потока пожара. Можно видеть, что высота конвекционных потоков в большой степени зависит от скорости ветра. Чем больше скорость ветра, тем сильнее наклоняется конвекционный поток. В опытах № 2, 3 и 4 конвекционные потоки имели по 2 точки перегиба: первую у поверхности земли и вторую на той высоте, где ветер увеличивал свою скорость. Это также служит подтверждением того, что существование конвекционного потока пожара определяется соотношением энергий.
В результате проведенных опытов установлено следующее:
1. Определяющими факторами формирования конвекционного потока пожара являются интенсивность горения и скорость ветра над пламенем пожара.
2. Утверждение Байрама, что отношение является определяющим для формирования конвекционного потока лесного пожара, на небольших высотах (до 200—300 м) справедливо не только при нейтрально-устойчивом состоянии ПГСА, но при всех трех возможных его состояниях.
3. При отношении, равном единице, конвекционный поток лесного пожара наклоняется к поверхности земли не на 45°, а на 30°, что объясняется, по-видимому, меньшей плотностью нагретых газов непосредственно над пожаром.
4. Конвекционный поток лесного пожара может сформироваться лишь при условии, когда величина не менее единицы.