«Электрические методы искусственного регулирования осадков ...»

Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды

(Росгидромет)

Федеральное государственное бюджетное учреждение

«Главная геофизическая обсерватория им. А.И. Воейкова»

(ФГБУ «ГГО»)

На правах рукописи

Козлов Владимир Николаевич

Электрические методы искусственного

регулирования осадков

Специальность: 25.00.30-Метеорология, климатология, агрометеорология Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант доктор физико-математических наук В.Н. Морозов Санкт-Петербург – 2013 Оглавление Введение

Глава 1. Лесные пожары и борьба с ними

1.1. Лесопожарная обстановка

1.2. Экологический и социальный ущерб от лесных пожаров

1.3. Классы пожарной опасности лесов

1.4. Альтернативные методы оценки пожарной опасности в лесу по условиям погоды. 1.5. Экспериментальные работы по тушению лесных пожаров искусственно вызванными осадками

1.6. Синоптические процессы, благоприятствующие возникновению пожаров.............. 1.7. Грозы как источник пожаров

1.8. Основные факторы, определяющие формирование ресурсной облачности.............. 1.9. Ресурсная облачность в пожароопасный период года

1.10. Технические средства искусственного вызывания осадков на лесные территории Выводы к Главе 1

Глава 2. Физические основы искусственного вызывания осадков водным аэрозолем........ 2.1. Опыты по использованию водного аэрозоля

2.2. Структура воды

2.3. Атмосферные ионы

2.4. Избирательные свойства поверхности воды

2.5. Электризация капель воды при разрушении

2.6. Влияние ионов на процессы конденсации

2.7. Механизм образования осадков в облаках

2.8. Эмпирическая модель конвективного облака

2.8.1. Образование конвективного облака

2.8.2. Рост капель в облаках

2.8.3. Стадия зрелого облака или стабилизации

2.8.4. Стадия диссипации

2.8.5. Электрическое состояние конвективных облаков

2.9. Физические основы засева облаков

2.10. Применения самолетов-танкеров для искусственного вызывания осадков водным аэрозолем

Выводы к Главе 2

Глава 3. Искусственное вызывание осадков растворами гигроскопических веществ....... 3.1. Опыты по модификации жидкокапельной фазы воды в паровоздушной среде гигроскопическими веществами

3.2. Расчетные формулы для конденсационного роста капли на гигроскопическом ядре

3.3. Расчетная формула для числа столкновений электрически заряженных капель..... 3.4. Укрупнение заряженных капель в результате электрической коагуляции............. 3.5. Искусственное вызывание осадков растворами гигроскопических веществ........... Выводы к Главе 3

Глава 4. Обоснование электрических методов искусственного регулирования осадков.. 4.1. Физические основы электрических методов

4.2. Взаимодействие легких ионов с облачными частицами

4.3. Влияние заряженного аэрозоля на укрупнение капель

4.4. Коэффициент захвата капель заржяженным аэрозолем в зависимости от их радиусов и зарядов

4.5. Результаты расчета роста радиуса заряженных капель, обусловленных их электрической коагуляцией

4.6. Лабораторные исследования процессов кристаллизации переохлажденных капель ионами

4.7. Кристаллизация переохлажденных облачных капель ионами

4.8. Влияние адсорбированных ионов на гомогенный механизм кристаллизации........ 4.9. Кристаллизация капель с адсорбированными ионами

4.10. Искусственная ионизация в облачной среде

4.11 Обоснование применения заряженных гигроскопических аэрозолей для искусственного вызывания осадков

Выводы к Главе 4

Глава 5. Термоионизационный метод генерации заряженных аэрозольных частиц.......... 5.1. Пиротехнический способ генерации заряженных аэрозолей

5.2. Продолжительность сохранения температуры горячих частиц

5.3. Электроны эмиссии с образовавшихся горячих частиц

5.4. Реакции образования отрицательных ионов электронами эмиссии

5.5. Взаимодействие легких ионов с частицами – продуктами сгорания пиротехнического состава

5.6. Распространение в конвективном облаке частиц реагента

5.7. Основы технология воздействия на конвективные облака пиротехническими генераторами

5.8. Искусственное вызывание осадков на лесной пожар

5.9. Уточнение рубежа воздействия

5.10. Наведение искусственно вызванных осадков на лесной пожар

5.11. Использование заряженного аэрозоля для инициирования грозовых разрядов.... Выводы к Главе 5

Глава 6. Оценки ИВО и перспективные направления развития методов борьбы с лесными пожарами

6.1. Численные и натурные эксперименты по оценке ИВО

6.2. Физическая оценка эффективности ИВО для тушения лесных пожаров................. 6.3. Экономическая оценка эффективности ИВО для снижения КПО и тушения лесных пожаров

6.4. Возможности применения подвижных комплексов в системе пожаротушения...... 6.5. Применения беспилотных воздушных судов

6.6. Аэрологические наблюдения

6.7. Система измерения фактических метеорологических величин

6.8. Измерение осадков

6.9. Элементы технологии управления искусственным вызыванием осадков в системе пожаротушения

Выводы к Главе 6

Заключение

Список использованных источников

Приложение

2000 год

2001 год

2002 год

2003 год

2004 год

2005 год

2006 год

Акт внедрения

Заключение о результатах испытания реагента

Актуальность исследования обусловлена назревшей необходимостью эффективного решения проблемы управления атмосферными процессами.

Поиск практического решения данной проблемы является одной из важнейших задач в современном мире в связи с увеличением количества явлений, приводящих к засухам, наводнениям, сильным ливневым осадкам и исключительную значимость.

экспериментальных работ в области активных воздействий (АВ) в нашей стране и за рубежом достигнуты определенные практические результаты в процессах искусственного регулирования осадков (ИРО). Разработанные методы и средства АВ внедрены в защите от градобитий и искусственном вызывании осадков (ИВО) для снижения класса пожарной опасности лесов и тушения лесных пожаров.

Лесные пожары являются одной из трудно решаемых проблем уничтожают в год до 70 миллионов м3 древесины и до 700 тыс. гектаров лесных насаждений. Актуальность проведения исследований по борьбе с лесными пожарами определяется и тем, что в связи с потеплением климата в различных частях РФ засухи и лесные пожары случаются почти ежегодно, принося огромный экономический, экологический и социальный ущерб.

Пожары оказывают влияние на региональную погоду: при действии крупных пожаров или многих небольших пожаров в регионах формируются устойчивые области высокого давления, сопоставимые по масштабам с атмосферными барическими системами. Циклоны обходят эти участки стороной, формируя в местах пожаров еще более сухую и жаркую погоду.

Однако в достигнутых за последние десятилетия результатах ряд проблем в области АВ остается еще не решенными. В частности, до настоящего времени при АВ на облачные системы используются реагенты, разработанные в 40-х годах прошлого столетия. Наибольшее применение из гигроскопические вещества и грубодисперсные порошки, однако их применение не всегда является успешным. Многие вопросы физики облаков и осадков остаются неизученными, не применяются в производственных процессах электрические методы воздействия на облака и осадки, требуется разработка реагентов без температурного порога применения, особенно в теплый период года.

Цель настоящего исследования заключается в теоретической и экспериментальной разработке нового электрически заряженного аэрозоля (реагента) для АВ на теплые и водяные облака, новых технологий ИВО для снижения класса пожарной опасности лесов (КПО) и тушения лесных диссертационной работе решаются следующие частные задачи:

гигроскопическими свойствами (реагентов) для ИВО из конвективной использованием баллоэлектрического эффекта при применении водного аэрозоля и заряженных растворов гигроскопических веществ.

4) Разработка технологии искусственного разряда конвективного облака.

5) Оценивание физической и экономической эффективности ИВО для тушения лесных пожаров заряженными аэрозолями.

6) Разработка перспективных наземных и авиационных методов ИВО для снижения КПО и тушения лесных пожаров.

теоретические и экспериментальные результаты работ по авиационной охране лесов ИВО, проводимые с 1966г. по1991г. ГГО им А.И.Воейкова (Н.С. Шишкин, Ю.П. Сумин, Г.Д. Кудашкин и др.), ЛенНИИ леса (Е.С.

Арцибашев), Краснодарским филиалом ГосНИИ ГА (Л.Г. Щедрина) и «Авиалесоохрана» (Н.А. Ковалев, Е.А. Щетинский и др.).

Теоретическая значимость и научная новизна работы состоит в следующем:

Впервые разработан экспериментальный реагент для ИВО на основе щелочных металлов, позволяющий проводить АВ на теплые облака в пожароопасный период года.

гигроскопическим (составом) на процессы конденсации, кристаллизации и осадкообразующий механизм в облаках (ИВО).

Разработана методика засева конвективной и слоистообразной облачности над лесными территориями с лесопатрульных самолетов.

Выработаны критерии пригодности мощной конвекивной облачности для ИВО, дано определение электрической неустойчивости в облаках.

Впервые предложено использовать баллоэлектрический эффект для ИВО на лесные территории.

беспилотных воздушных судов для ИВО с целью снижения КПО и тушения лесных пожаров.

Новизна проведенного исследования заключается в использовании более эффективных реагентов для ИВО, зарекомендовавших себя в экспериментальных работах по тушению лесных пожаров в 1998-2006 гг. Для ИВО предложено использовать модернизированные самолеты Ан-2п, беспилотные воздушные суда.

Практическая значимость работы заключается в эффективности применения разработанных в рамках настоящей диссертационной работы технологий ИВО из конвективной облачности на лесные территории, которые успешно использовались для снижения КПО лесов и тушения лесных пожаров с 1993г. по настоящее время. Технологии позволяют определять пригодность облаков к засеву реагентами, рассчитывать количество искусственно вызванных осадков, наводить искусственно вызываемые осадки на очаг пожара, оценивать огнегасящий эффект после выпадения осадков.

Результаты исследования внедрены в нормативную руководящую документацию в виде инструкции « РД 52. 04.628-2001. Инструкция.

Порядок проведения работ по искусственному вызыванию осадков из легкомоторных воздушных судов »; руководящего документа «РД 52.04.674Руководство по искусственному вызыванию осадков для охраны лесов от пожаров»; руководящего документа «РД 52. 11.679-2006. Методические указания. Комплексная оценка возможных вредных уровней воздействия на гидрометеорологические и геофизические процессы ».

Разработанные руководящие документы являются действующими и используются на базах авиационной охраны лесов от пожаров, в частности, в Дальневосточном, Сибирском, Уральском, Центральном и Северо–Западном округах.

выносимые на защиту:

1. Разработанный термоионизационный способ генерации заряженных интенсивности засушливых явлений, КПО лесов и тушения лесных пожаров.

конвективной облачности, заключающийся в участии заряженных аэрозолей в процессе укрупнения облачных капель.

баллоэлектрического эффекта с использованием легкоматорных и средневысотных воздушных судов.

молниевых разрядов заряженным аэрозолем.

экономического эффекта ИВО на примере охраны лесов от пожаров.

Личный вклад автора заключается:

исследований, выполненных в ФГБУ ГГО по разработке новых реагентов и технологии их использования для ИВО и предотвращения грозовых разрядов при охране лесов от пожаров. Показана возможность и целесообразность использования результатов работ по созданию технических средств и руководящих документов, опубликованных в Гидрометеоиздате, трудах ГГО им. А. И. Воейкова, для снижения КПО и тушения лесных пожаров ИВО.

В ходе исследования разработаны:

- действующие руководящие документы по ИВО для снижения класса пожарной опасности лесов и тушения лесных пожаров (РД 52.04.628-2001;

РД 52.04.674-2006);

- реагент для АВ на конвективную облачность (патенты РФ: №№ 2090548; 2090549; 2179800; №2181239);

- способ и устройство для создания конвективной облачности (патенты РФ №№ 2045164; 2060640);

- способы и устройства для искусственного вызывания осадков (патенты РФ: №№ 2061358; 2073969; 2075284; 2191499;);

- способ инициирования грозовых разрядов (заявка на патент № 2013131639).

Проведено теоретическое обоснование применения заряженных аэрозолей для ИВО на лесные пожары. Осуществлено научно-методическое руководство работами, проводимыми ФГУ « Авиалесоохрана», по снижению класса пожарной опасности лесов и тушению лесных пожаров ИВО, обеспечившее получение потенциального экономического эффекта за 2000гг в размере 3,3 млрд. долларов США.

Апробация работы:

Основные результаты диссертационной работы, выполнявшейся в течение 25 лет представлены на международных и всероссийских конференциях и симпозиумах, среди них:

The Fifteenth International Conference on Atmospheric Electricity (ICAE 2014), will be held in Norman, Oklahoma, USA, 14-19 June 2014.

Всероссийская конференция «Глобальная электрическая цепь». – окт.-01ноября 2013. – Геофизическая обсерватория «Борок» филиал ИФЗ РАН.

VII Всероссийская конференция по атмосферному электричеству. – Санкт-Петербург. – 24-28 сент. 2012.

воздействиям на гидрометеорологические процессы. – 24-28 октября 2011г. – г. Нальчик.

Межведомственное совещание «Повышение производительности и эффективности использования лесов на осушенных землях». СанктПетербург, 2008;

воздействиям на гидрометеорологические процессы, посвященная 70-летию Эльбрусской высокогорной комплексной экспедиции АН СССР.// Нальчик, 28-29 сентября 2005 г;

ХХIII Генеральная ассамблея международного союза по геодезии и геофизике, 2003г.- Москва(представление результатов тушения лесных пожаров ИВО);

Научно-практическая конференция «О мерах по совершенствованию борьбы с лесными и торфяными пожарами» в г. Вологда 28 ноября 2002г.;

Межведомственное совещание-семинар по решению лесопожарных проблем. Санкт-Петербург.-2002г.;

Научно-техническая конференция ВМО по модификации погоды в Таиланде - 1999г.

Всероссийская конференции по физике облаков и активным воздействиям на гидрометеорологические процессы - Нальчик, КБР.- 1997.

Юбилейная конференция «Состояние и перспективы развития технологии и технических средств воздействия на гидрометеорологические процессы». Чебоксары, 12-14 августа 1999 г.;

Международный симпозиум «Гидрометеорология: наука и практика, современность и перспективы»; Санкт-Петербург 12-14 ноября 1997г.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из шести глав, введения, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем работы составляет 307 страниц.

Список литературы содержит 289 наименований, из которых 30 на иностранном языке.

В первой главе рассмотрены вопросы мониторинга лесных пожаров, экологический и социальный ущерб от лесных пожаров, изложены последствия лесных пожаров; приведен исторический обзор результатов работ по ИВО для борьбы с лесными пожарами c использованием реагентов и технических средств воздействия на атмосферные процессы.

Во второй главе рассмотрены структура воды и водяных капель, приведена эмпирическая модель конвективного облака. Произведена оценка возможности воздействия на конвективную облачность, используя баллоэлектрический эффект.

гигроскопических веществ, в качестве реагента предлагается использовать морскую воду.

последовательности физических процессов, протекающих в атмосфере под влиянием ионизации, происходящей в результате естественных процессов и искусственной термоионизации. Приводится обоснование электрических методов воздействия.

В пятой главе освещаются вопросы, связанные с искусственном генерированием в атмосфере заряженных аэрозолей с гигроскопическими составляющими (реагентов) для ИВО.

В шестой главе приводится оценка физической и экономической эффективности искусственного регулирования осадков, рассматриваются перспективные методы ИВО. Для проведения работ по пожаротушению предложен мобильный комплекс, оборудованный малогабаритной МРЛ, профайлером, автоматизированной метеостанцией, беспилотным летательным аппаратом для обнаружения очагов пожаров и ИВО, средствами связи, управления, наземными средствами ИВО и пожаротушения.

Предложенные технические решения направлены на использование ИВО для борьбы с лесными пожарами путем снижения КПО и ликвидации очагов лесных пожаров, а также предотвращения ущерба от засушливых погодных условий в других отраслях народного хозяйства.

Список использованных литературных источников состоит из наименований, в приложении представлены результаты ИВО по авиабазам «Авиалесоохраны» РФ, акты испытаний и внедрения.

Глава 1. Лесные пожары и борьба с ними 1.1. Лесопожарная обстановка Лесные пожары на всей планете являются стихийным бедствием, наносящим существенный ущерб народному хозяйству. Крупные лесные пожары возникают 1-3 раза в десятилетие. Особенно многочисленными они были в XX столетии: в 1901, 1908, 1910, 1912, 1915, 1921, 1932, 1934, 1936, 1938, 1955, 1958, 1966, 1972, 1975, 1976, 1984 гг.[29]. Катастрофические лесные пожары с десятками крупных очагов наблюдаются гораздо реже.

Особенно высокая горимость лесов наблюдалась в 1915, 1921, 1972, 1976, 2010 гг.

Основными причинами возникновения лесных пожаров являются:

деятельность человека, грозовые разряды, самовозгорание торфяной крошки водоохранные и другие полезные свойства леса, уничтожается фауна, сооружения, а в отдельных случаях и населенные пункты. Кроме того, сельскохозяйственных животных.

направлением лесоохраны, т.к. снижает риск возникновения и минимизирует затраты на тушение лесных пожаров. Не вызывает сомнения то, что пожар легче предотвратить, нежели потушить. Мониторинг лесных территорий профилактических работ наземными службами, снижение класса пожарной опасности лесов искусственно вызванными осадками и др. мероприятия [35,161,252].

Существующие методики оценки лесопожарной обстановки [44] позволяют определить площадь и периметр зоны возможных пожаров в регионе (области, районе). Исходными данными являются значения лесопожарного коэффициента зависит от природных и погодных условий региона и времени года.

Решение лесопожарной проблемы тесно связано с решением целого ряда организационных и технических задач. В первую очередь - это проведение противопожарных и профилактических работ, осуществляемых в плановом порядке и направленных на предупреждение возникновения, распространения и развития лесных пожаров, в том числе и искусственно вызванными осадками [116,121,122].

Как показывает опыт, в борьбе с лесными пожарами большое значение имеет фактор времени. От обнаружения лесного пожара до принятия решения по его ликвидации должно затрачиваться минимальное время. При этом важнейшей задачей является организация и подготовка сил и средств пожаротушения.

Обнаружение лесных пожаров в основном осуществляется космическими системами наблюдения, с наземных наблюдательных пунктов, а также при авиационном и наземном патрулировании лесов. Использование авиации для обнаружения лесных пожаров началось в 30-х гг., а космических средств в 60-70-х гг. ХХ столетия [8,30,228]. Для охраны лесов от пожаров в настоящее время используются специальные подразделения авиалесоохраны МЧС и местных региональных органов.

При тушении лесных пожаров применяются следующие авиационные и наземные методы:

- тушение горящей кромки сливом воды с самолета;

- искусственное вызывание осадков из облаков;

- применение химических веществ и других технических средств.

Работы по тушению пожаров можно разделить на следующие этапы:

разведка пожара; локализация пожара, т.е. устранение возможностей нового распространения пожара; ликвидация пожара; дотушивание очагов горения;

окарауливание пожарищ [252].

Разведка пожара включает в себя уточнение границ пожара и оценку ресурсной облачности. По результатам разведки прогнозируют возможное положение кромки пожара, ее характер и силу горения на требуемое время вперед, метеорологические условия, методы ликвидации пожара.

1.2. Экологический и социальный ущерб от лесных пожаров Опасность лесных пожаров для людей связана не только с прямым действием огня, но и с большой вероятностью отравления из-за сильного обескислороживания атмосферного воздуха, резкого повышения концентрации угарного газа, окиси углерода и других вредных примесей.

Поэтому основными мерами защиты населения от лесных пожаров являются:

- проведение профилактических мероприятий по предотвращению пожаров;

- тушение пожаров;

- обеспечение безопасного ведения работ по тушению пожаров.

человеческой деятельностью. Основная причина пожаров - нарушение правил пожарной безопасности в лесу и на прилегающих территориях.

Другими причинами в условиях продолжительной засухи и высокой температуры воздуха служит самовозгорание лесной подстилки[163] в результате преломления солнечных лучей в осколках стекла или самовозгорание торфа под действием микроорганизмов в присутствии кислорода при влажности торфа ниже 40%; грозовые разряды над лесными территориями при прохождении фронтальных разделов.

Так, засуха 2010 года послужила причиной возникновения наиболее крупных лесных пожаров в истории России. В европейской части страны с середины июня 2010 г. более двух месяцев стояла аномальная жара и засуха, создавшая благоприятные условия для развития лесных пожаров. Всего с начала пожароопасного периода 2010 года в РФ произошло более 29 тысяч природных пожаров на общей площади 927,5 тысяч гектаров. В пожарах погибли более 50 человек, сгорели 2,5 тысячи домов. По данным Всемирного центра мониторинга пожаров, площадь, пройденная пожарами на природных территориях РФ с начала 2010 г. по 13 августа составила не менее 10- миллионов гектаров [63]. Пожары затронули не менее 60 федеральных заповедников и национальных парков, уничтожив реликтовые леса и другие эталонные экосистемы, был нанесен непоправимый урон популяциям редких видов растений и животных.

По данным Рослесозащиты, с середины июня до начала августа 2010 г.

были зарегистрированы лесные пожары на площади 3900 га земель, загрязненных радионуклидами, в т. ч. в Брянской (33 пожара на площади га), Калужской (11 пожаров на площади 173 га), Тульской (6 пожаров на площади 44 га), Орловской (3 пожара на площади 13 га), Пензенской ( пожара на площади 82 га), Челябинской (401пожар на площади 1431га) и Курганской области (12 пожаров на площади 63 га ) [36].

В результате лесных и торфяных пожаров в РФ в 2010 г., по оценке геобиоцентра Мюнхенского университета (Германия), в атмосферу планеты было выброшено от 30 до 100 млн. тонн двуокиси углерода [63]. Эмиссия СО2 от лесных пожаров будет наблюдаться и в последующие годы за счет разложения поврежденной огнем, но не сгоревшей биомассы. По экспертным оценкам, общий выброс углекислоты от пожаров 2010 г. может составить млн. тонн (эквивалентно 18% годовых антропогенных выбросов парниковых газов в России). Трудно определить стоимость основных экосистемных услуг, которые предоставляли сгоревшие леса (поглощение двуокиси углерода, выделение кислорода, защита почв и водоемов и др.[63]). В результате пожаров также ухудшается санитарное состояние выживших древостоев, увеличивается глубина промерзания почвы связи с ликвидацией лесной подстилки), усиливается поверхностный сток и водная эрозия на больших территориях, повышается вероятность наводнений при выпадении обильных осадков и быстром снеготаянии [141, 288].

Интенсивное задымление при пожарах 2010г. (иногда видимость не превышала 30-50 м) затронуло все регионы Центрального федерального округа[274]. А, как известно, вещества, содержащиеся в дыме от торфянолесных пожаров, наносят ущерб здоровью населения. Так, по данным Минздравсоцразвития [63], в июле 2010г. число смертей по России в годовом исчислении выросло на 8,6% (в январе-июне смертность сокращалась). В некоторых из охваченных пожарами и/или задымлениями регионах смертность в июле 2010г. (по сравнению с июлем 2009г.) существенно возросла: в Москве — на 50,7%; в Ивановской обл. – на 18,3%;

в Московской и Тульской обл. – на 17,3% ; в Республике Татарстан – на 16,6% ; в Рязанской обл. – на 13,5% ; Ульяновской обл. — 13% ;Тамбовской обл. – 11,1%; Липецкой обл. — 9% ; Республике Мордовия – 6,8%. При этом, в целом за период с января по июль 2010г. смертность в России снизилась на 0,3%. В ряде областей, где наблюдалась высокая температура, но отсутствовало интенсивное задымление, смертность в июле снижалась или увеличивалась незначительно (в Белгородской области +2,6%, в Кировской области +1,1%, в Воронежской области +0,7%, в Волгоградской области – 4,4%, в Ставропольском крае –3,6%). Это говорит о том, что увеличение смертности населения летом 2010г. было связано с пагубным воздействием задымления от многочисленных лесных пожаров.

По данным Департамента здравоохранения Правительства Москвы, на 9 августа 2010г. дополнительная ежедневная смертность от аномальновысокой температуры и задымления в Москве достигала 320-340 человек.

Вызовы «скорой помощи» и число обращений к врачам увеличились на 20%.

Общее число госпитализаций увеличилось на 10%, госпитализаций детей — на 17%. Основные причины обращений — сердечнососудистые патологии, бронхиальная астма, гипертоническая болезнь, проблемы с лёгкими. В больницах были запрещены плановые хирургические операции.

Подобная картина наблюдалась и в других областях, подвергшихся негативному воздействию лесных пожаров. Например, в г. Тольятти (Самарская обл.) в дни сильного задымления число вызовов скорой помощи в среднем увеличивалось в 1,5 раза (от 600-650 до 1060 в сутки) [63].

По данным ВОЗ [63], дым от природных пожаров вызывает раздражение глаз и дыхательных путей, бронхит, обострение астмы, снижает функции легких, что может стать причиной преждевременной смерти. Даже при краткосрочном пребывании в задымленной зоне природного пожара мелкодисперсные частицы (диаметром до 2,5 мкм), проникая глубоко в дыхательные пути, вызывают различные нарушения здоровья, обостряют хронические заболевания, повышают смертность. У здоровых людей твердые частицы вызывают расстройства функции легких и воспалительные изменения в легочной ткани, оказывают неблагоприятное влияние на иммунную систему. Окись углерода, поступая через легкие, препятствует транспорту кислорода к органам и тканям.

Группами риска при задымлении являются больные респираторными заболеваниями, болезнями сердечнососудистой системы, пожилые люди, дети, беременные женщины, курящие. Острые последствия задымления включают в т.ч. повышение смертности; рост числа острых респираторных заболеваний среди детей; рост числа госпитализаций в связи с сердечнолегочной патологией; рост числа обращений в отделения скорой медицинской помощи/амбулаторные учреждения. Хронические последствия включают: рост частоты случаев астмы и других респираторных заболеваний; снижение ожидаемой продолжительности жизни.

Наиболее подробные данные по влиянию длительного задымления от лесных пожаров на здоровье населения представлены по Хабаровскому краяю[63]. Так, после четырех месяцев задымления в 1998г. в течение двух лет наблюдался устойчивый рост заболеваемости в Комсомольске-на-Амуре по многим классам болезней. Возвращение к допожарному уровню произошло лишь через четыре года. Во время начальной стадии задымления обнаружилось заметное снижение уровня Т-лимфоцитов у детей и беременных, позже — у пожилых и взрослых. У детей отмечен рост заболеваемости инфекционными и паразитарными болезнями, болезнями органов дыхания (в т.ч. аллергическим ринитом и бронхиальной астмой), заболеваемости функциональными расстройствами желудка, гастритами и дуоденитами, болезнями системы кровообращения (особенно резко возросло количество случаев анемии). Среди подростков и взрослого населения в 1998-2002 гг. также отмечен рост заболеваемости после задымления 1998г., в том числе по болезням, по которым до этого наблюдалось снижение заболеваемости. После 1998г. стала расти смертность населения (к 2002 г. на 33,8%), которая до того снижалась. В 1998г. в крае, по сравнению с 1997г., резко (в 1,4-4 раза) возросло поступление на стационарное лечение больных с цереброваскулярной патологией.

1.3. Классы пожарной опасности лесов Для принятия решения о проведении работ по искусственному вызыванию осадков необходимо знать состояние пожароопасности леса, фактическое состояние погоды в предполагаемом районе работ, а также возможность ее изменения в ближайшие сутки. Распознавание и прогнозирование лесных пожаров осуществляют на базе ГИС-технологий [200], разрабатываемых в ГМЦ РФ и уточняемых в ряде регионов с учетом местных особенностей. Для расчета класса пожарной опасности, как правило, используют шкалу проф. Нестерова [176, 177] и ее региональные варианты.

Опыты по изучению зависимости между метеорологическими условиями и горимостью леса были начаты в 1938г. Было показано, что прогнозирование возникновения лесных пожаров невозможно по одной метеорологической величине. Было выявлено, что на влажность горючих материалов влияют не только количество, но и продолжительность осадков, температура воздуха, относительная влажность, скорость высыхания (число дней, прошедшее после выпадения осадков) и ряд других факторов.

Необходимо было разработать комплексный подход, наиболее полно учитывающий метеорологические факторы, влияющие на возникновение лесного пожара. В результате в 1942г. была разработана и принята в конце 40-х гг. шкала В. Г. Нестерова, состоящая из 5 КПО лесного напочвенного покрова.

Показатель пожарной опасности определяется по состоянию условий погоды на 12-14 ч местного времени как сумма произведения температуры воздуха на разность температур воздуха и точки росы за число суток без дождя по выражению:

где Г – индекс пожарной опасности лесов, (t0 - )i– разность температуры воздуха и точки росы в полдень по местному времени, n – число суток после последнего дождя (2,6мм), при осадках 2,6 мм в течение суток Г приравнивается нулю.

Основными погодными факторами, влияющими на распространение пожара, являются: ветер, влажность, осадки, температура воздуха и солнечная радиация.

Ветер способствует дополнительному притоку кислорода, переносу горящих предметов на расположенные по направлению ветра горючие материалы, что вызывает возникновение новых очагов пожара.

Одновременно лесной пожар способствует возникновению конвективных воздушных потоков, усиливающих распространение пламени. Нагретый над очагом пожара воздух поднимается вверх. На его место устремляется менее нагретый воздух, богатый кислородом, который поддерживает процесс горения. Над крупным лесным пожаром образуется конвективная колонка, в которой горящие ветки, угли и другие предметы лесной растительности поднимаются вверх, а затем опускаются на удалении 200-300 м и более от пожара, создавая новые очаги возгорания.

В холмистой и пересеченной местности воздушные потоки днем обычно направлены вверх по ложбинам и склонам, а ночью меняют направление и движутся вниз.

Количество водяного пара, содержащегося в воздухе, характеризуется абсолютной и относительной влажностью (от 0 до 100%). Влажность горючих материалов, зависящая от относительной влажности воздуха, является важным фактором, влияющим на ход тушения лесных пожаров. В течение дня, по мере того как солнце прогревает землю, и температура повышается, относительная влажность воздуха уменьшается, воздух становится суше. Ночью происходит обратный процесс, температура понижается, а относительная влажность стремится к 100%. Поэтому ночью процесс горения замедляется.

Температуру воздуха при тушении пожаров учитывают как один из основных факторов. Нагретый солнечной радиацией горючий материал высыхает быстрее, чем такой же материал при отсутствии солнечного излучения, что способствует более быстрому распространению огня.

Степень опасности возникновения и распространения пожаров в лесу (пожарная опасность) определяется:

- по лесорастительным условиям лесных участков (природная пожарная опасность);

- по условиям погоды в конкретном регионе (пожарная опасность по влажности лесных горючих материалов).

Пожарную опасность по лесорастительным условиям лесных участков определяют такие характеристики лесного фонда, как тип леса, структура насаждения, породный состав и возраст, категория лесных площадей, вырубок и проч. [44].

Пожарная опасность по условиям погоды обуславливает возможность горения лесных горючих материалов в зависимости от их влажности, определяемой погодными условиями.

При расчетах по формуле (1.1), по данным метеорологических наблюдений, за срок 12-14 ч местного времени в сухую погоду наблюдается непрерывное возрастание значений КПО. Расчет ведется до тех пор, пока количество выпавших осадков не составит 2,6 мм и более. При количестве осадков свыше 2,6 мм за сутки комплексный показатель пожарной опасности в лесу приравнивается к нулю [44].

Различают 5 классов пожарной опасности (таблица 1.1).

Во многих регионах разработаны и применяются местные шкалы пожарной опасности, учитывающие местные особенности горимости лесов и её зависимость от величины комплексного показателя.

Класс пожарной опасности Градации КПО Пожарная опасность При I классе пожарной опасности пожары, как правило, не возникают, хотя возможны пожары от молний при сухих грозах, возникшие ранее пожары прекращают действовать или распространяются медленно.

При II классе пожарной опасности пожары возникают от сильных источников огня, количество возгораний невелико. Скорость распространения огня незначительна.

При III классе пожарной опасности лесные пожары возникают от большинства источников огня. Пожары интенсивны, выделяют большое количество тепла, быстро распространяются и создают дополнительные мелкие очаги.

При IV классе пожарной опасности пожары возникают даже от незначительных источников огня, быстро распространяются и достигают крупных размеров.

При V классе пожарной опасности пожары возникают от любого источника огня и высоких температур. Горение интенсивное и очень быстро распространяется на большие площади.

Пространственно-временное распределение числа дней с высокой пожарной опасностью приведено в работе [46]. Наибольшее число дней в РФ с горимостью III-V классов наблюдается в Забайкалье (в среднем 21день), наименьшее – на территории Дальнего Востока и Сахалина менее 8 дней [190-195]. На остальной территории РФ число дней с высокой пожарной опасностью изменяется в среднем в пределах от 8 до12 дней [185-189].

1.4. Альтернативные методы оценки пожарной опасности в лесу по условиям погоды Практика применения показателя В.Г. Нестерова 1968г. и основанной на нем шкалы пожарной опасности лесов выявила ряд недостатков [44], основным из которых является отсутствие физического смысла в формуле (1.1). Предложенное В.Г. Нестеровым первоначально (1949г.) произведение температуры на дефицит влажности (d) с размерностью градус на миллибар имело физический смысл: с ростом (падением) температуры дефицит влажности увеличивается (уменьшается). Замена дефицита влажности на гигрометрическую разность (-дефицит точки росы) привела к произведению градус на градус (С0С0=С2), в результате чего произведение фактически утратило физический смысл. Представляется целесообразным заменить дефицит точки росы на дефицит насыщения (f). Тогда основой формулы (1.1) будет:

fj – относительная влажность (%) в местный полдень.

В показателе В.Г. Нестерова также не учитываются реальные процессы влагопереноса, происходящие в приземном слое атмосферы под влиянием неоднократно. Действие турбулентного обмена, солнечного излучения, процессы испарения и конденсации вполне возможно учесть иначе, несколько усовершенствовав формулу (1.1).

характеристики леса. Для леса характерны две деятельные поверхности или слоя: первый расположен в кронах деревьев, второй – на почве, на траве или мху, покрывающем почву. Радиационные потоки в лесу формируются в результате взаимодействия радиационного режима крон деревьев.

Вследствие этого поверхность почвы в лесу прогревается меньше, чем на открытой местности. В среднем суточном ходе наибольшие разности температуры воздуха на открытой местности и в лесу наблюдаются во второй половине дня и составляют 2-3 градуса, а в отдельные сроки могут достигать 6,50С [53]. Такие случаи наблюдаются после продолжительных периодов отсутствия дождей, когда на открытой местности получает развитие турбулентный обмен, а под кронами деревьев возможность прогрева мала и в дневное время наблюдается на уровне наибольшей плотности листвы. Здесь же отмечаются максимумы абсолютной и относительной влажности, обусловленные поглощением радиации и транспирацией деревьев. На рис.1.1. приведены средние профили метеорологических величин, характерные для лесных массивов умеренных широт [53].

Рисунок 1.1. Средние часовые профили температуры (Т), парциального давления водяного пара (е), и скорости ветра (u) в еловом лесу в районе Абердина (570 с.ш., 20 з.д.) в полдень солнечного дня в июле 1970г. (h – высота деревьев, s – распределение плотности кроны по высоте) [53].

Вследствие ослабленного обмена между лесной подстилкой, кронами и слоями атмосферы над кронами в лесу создаются благоприятные условия для повышенной влажности. Так как при сомкнутых кронах деревьев максимум температуры отмечается у поверхности крон, то здесь же наблюдается и максимум абсолютной влажности, обусловленный транспирацией деревьев.

В связи с этим следует заметить, что высыхание лесных горючих материалов (ЛГМ) происходит в результате испарения влаги кронами деревьев.

Профили температуры и влажности воздуха в дневное время имеют максимумы на уровне наибольшей плотности листвы, где поглощение радиации и транспирация обусловливают максимальное количество тепла и влаги. Ниже этого слоя наблюдается инверсия, так как кроны деревьев теплее, чем лесная подстилка, на которую проникает меньшее количество радиации.

Скорость воздушного потока в летнее время резко уменьшается при проникновении в растительный покров до достижения максимальной плотности листвы. Ниже этого уровня скорость ветра ослабевает до нуля на уровне шероховатости z0. Исследования Ю.Л. Раунера показали, что в лесах уровень шероховатости изменяется в пределах 2,0 – 3,5 м [53]. Этот показатель меняется в течение года. Тормозящее влияние лесного массива на ветер прослеживается на подступах к лесу на расстоянии 2-4-кратной высоты деревьев. Часть воздушного потока проникает в лес, а преобладающая его часть вынуждена подниматься над лесом, вызывая резкий рост скорости ветра над кронами деревьев, способствуя переходу низового пожара в верховой.

Длительное превышение испарения над осадками, сопровождающееся высокой температурой и значительным уменьшением относительной влажности, является достаточным для того, чтобы запасы влаги были исчерпаны, а вероятность возникновения лесных пожаров увеличилась.

Относительная влажность (f) - выраженное в процентах отношение фактической упругости водяного пара в атмосфере к упругости насыщающего водяного пара при той же температуре - является одной из основных характеристик влажности. Содержание водяного пара значительно меняется в зависимости от физико-географических условий местности, циркуляционных особенностей атмосферы, турбулентного обмена, времени года, подстилающей поверхности и других факторов. Следовательно, относительная влажность представляет собой комплексный показатель атмосферы, сформировавшийся в результате адвекции, турбулентности, радиации, облачности, испарения и осадков.

Минимальные значения относительной влажности наблюдаются летом.

Суточный ход относительной влажности является обратным по отношению к суточному ходу температуры воздуха. Суточный минимум f приходится на послеполуденные часы, а суточный максимум – на время около восхода солнца. В горах и в свободной атмосфере суточный ход относительной влажности параллелен суточному ходу температуры. Максимум наблюдается в дневные часы, когда увеличивается облачность.

Учитывая сказанное выше, определение погодного индекса пожарной опасности необходимо проводить с учетом относительной влажности. На рис.1.2. приведен суточный ход относительной влажности в июле. Плавный ход относительной влажности свидетельствует о влиянии турбулентности в приземном слое, приводящей к нивелированию относительной влажности в атмосфере.

Рисунок 1.2. Суточный ход относительной влажности (f,%) в июле в Санкт-Петербурге [82] Для вычисления суточного индекса пожарной опасности предлагается формула (1.3).

где Гс – индекс пожарной опасности суточный; i – порядковый номер срока наблюдения (n=8), Тj, fj – температура и относительная влажность в срок наблюдения; j – срок наблюдения по местному времени (03, 06, 09, 12, 15, 18, 21, 24). В формуле (1.3) учитываются изменения относительной влажности, происходящие в течение суток. Как правило, при выпадении представленный на рис. 1.2. Выражение в скобках учитывает эти изменения, рассчитывать по выражению fj - 2 – fj. В результате турбулентного обмена в атмосфере пятнистость осадков и их количество будут выражаться в формировании относительной влажности в определенном районе [135].

Следует отметить, что, если индекс Нестерова после дождя с количеством осадков 2,6 мм и более обнуляется искусственно, то индекс Гс метеорологических величин формируется суточный цикл развития лесного пожара, определенный по экспериментальным данным [217,252]:

- максимальная интенсивность горения с 9 до 21 ч;

- снижение интенсивности с 21 ч до 4 ч;

- слабая интенсивность горения с 4 до 6 ч;

- увеличение интенсивности горения с 6 до 9 ч.

интенсивности и уточнить вероятное время возникновения лесного пожара.

Таблица 1.2 Почасовые индексы Гч за 9 и 10 июля 2012г. в Санкт-Петербурге Слабый дождь 10 июля наблюдался на метеостанции с 06 до 09 час, индекс Гч с 12ч к 15ч уменьшился с 324 до 47, следовательно, увеличения интенсивности лесных пожаров, которые наблюдались в области, не произошло, и они не получили развития. Отрицательные значения индекса в вечерние и ночные часы свидетельствуют о снижении интенсивности лесных пожаров в это время.

1.5. Экспериментальные работы по тушению лесных пожаров искусственно вызванными осадками Первые опыты по искусственному вызыванию осадков из мощных кучевых облаков с целью тушения лесных пожаров были проведены в 1966гг. ЛенНИИЛХ совместно с ГГО им.А.И.Воейкова. В опытах принимали участие доктор с.-х.н. Е.С. Арцыбашев, П.А.Губин от ЛенНИИЛХ, А.П.Чуваев, В.М.Сороковик и др. от ГГО им. А.И.Воейкова [8, 214, 231]. Для воздействия на конвективные облака использовался йодистый свинец PbI2 и йодистое серебро AgI при температуре облака не выше -6оС.

Выпадение осадков из конвективных облаков мощностью 2000-2500 м наблюдалось через 8-12 мин. после их обработки. Из 15 опытов, проведенных в Ленинградской области, положительные результаты были получены в 12, причем в 8 опытах осадки наблюдались от 15 до 40 мин. на площади до 12 км2.

Первые опыты выявили ряд задач, которые было необходимо решить для внедрения нового метода тушения лесных пожаров в практику. Не все разновидности облаков могут быть использованы для активного воздействия, и не всегда метеорологические условия соответствуют искусственному вызыванию осадков. Поэтому, основными задачами дальнейших исследований в этом направлении стали:

- анализ и прогноз ресурсной облачности для воздействия в пределах пожароопасного периода;

- проведение экспериментальных работ по искусственному вызыванию осадков с использованием различных реагентов для проведения профилактических работ по снижению класса пожарной опасности лесов и тушению лесных пожаров;

- разработка технологии тушения лесных пожаров искусственно вызываемыми осадками из облаков;

- оценка физической и экономической эффективности искусственного вызывания осадков для тушения лесных пожаров и проведения профилактических работ.

В течение 1968-1969 гг. производилась опытная проверка метода тушения лесных пожаров искусственными осадками над территориями Сибири и Дальнего Востока. Исследования проводились в период с июня по июль на самолетах-зондировщиках и специально оборудованном для воздействий на облака самолете-метеолаборатории ИЛ-14 под руководством Ю.П.Сумина [231].

Сведения о пожарах поступали от оперативных отделений баз авиационной охраны лесов, над территорией которых проводились исследования. Вылет производился в том случае, если ожидалась ресурсная облачность для проведения воздействий в виде развития внутримассовой конвективной облачности или фронтальных разделов. Перед вылетом на АМСГ определялись направление и скорость переноса воздушных масс в слое развития конвекции по данным пунктов радиоветрового зондирования атмосферы в районе работ или с помощью карт барической топографии 850, 700 и 500 мб. Направление переноса облаков и их скорость уточнялись в районе пожаров по смещению теней от облаков относительно земных ориентиров, одним из которых служил дымовой шлейф от пожара.

Поскольку указанные способы определения переноса конвективных облаков весьма приблизительны, то за рубежи воздействия принималась зона 10-30минутного переноса, определенного на уровне 700 мб изобарической поверхности. По мере подхода облаков, пригодных для вызывания искусственных осадков, к передней части намеченного сектора воздействий производилось введение в них реагента, что позволяло неоднократно вызывать осадки. Чтобы убедиться в правильности намеченного для воздействия района, после первой серии воздействий производилось наблюдение за смещением зоны осадков от одного из облаков. После корректировки местоположения района воздействия при наличии благоприятных условий опыты по искусственному вызыванию осадков на пожары продолжались.

В большинстве опытов в качестве реагента использовался йодистый свинец в пиротехническом составе С-55. Введение реагента производилось путем выстреливания 26-мм пиропатрона в боковую часть облака. В отдельных случаях в качестве реагента использовалась порошкообразная сернистая медь. При воздействиях, если имелась возможность, измерялся диаметр горизонтального сечения средней части облака, с помощью которого затем определялся ориентировочный объем облака по формуле:

где D - диаметр средней части облака, H - вертикальная мощность облака.

За два летних сезона было проведено 20 опытов, потушены пожары на площади около 12 тыс. га, в 9 опытах удалось добиться локализации пожаров, в 6 опытах осадки выпали за пределами пожаров. Одной из основных причин непопадания искусственных осадков на пожар являлось отсутствие в намеченной зоне воздействия достаточно развитых по вертикали Cu cong. В таких случаях воздействия велись на любые близко расположенные мощные кучевые облака с целью профилактического смачивания окружающих пожар районов.

Одновременно с опытными работами велись и теоретические исследования [10,221,223,224]. Были рассчитаны и испытаны в натурных экспериментах нормы расхода реагента в зависимости от толщины облака, температуры облачного основания и уровня засева. Решение поставленной задачи проводилось с учетом направления и скорости переноса воздушных масс в слое активной конвекции. Была составлена схема засева с учетом времени действия реагента и скорости перемещения облаков, пригодных для воздействия, которая позволяет добиться того, чтобы осадки выпадали не только на очаги пожаров, но и над прилегающими районами с целью предотвращения их распространения. Предварительные натурные и теоретические работы, включающие поиск методов краткосрочного прогноза мощных конвективных облаков, учета синоптической ситуации, сдвига ветра и климатологии облачности, пригодной для засева, разработка аппаратуры (ИК) для контроля и локализации области пожара, позволили приступить к оперативным работам по тушению лесных пожаров с 1970 г.

Минлесхозом в 1970г. при Центральной базе авиационной охраны лесов была создана специальная авиагруппа с четырьмя опытнопроизводственными авиазвеньями в Красноярском и Хабаровском крае, Иркутской области и Якутии. В состав звена входили экипаж самолетазондировщика (ЛИ-2 или ИЛ-14), летчик-наблюдатель и бортаэролог. В 1970гг. этими звеньями путем искусственного вызывания осадков из мощных конвективных облаков был потушен 71 крупный лесной пожар на общей площади 120 тыс. га, искусственные осадки были вызваны на пожаров. Большинство пожаров было потушено за 7-8 дней до выпадения естественных осадков, что позволило сократить срок действия пожаров и сохранить большую часть лесов от уничтожения огнем. Условный экономический эффект за счет сбереженной древесины и сохранения сырьевых баз лесозаготовительных предприятий за два сезона опытнопроизводственных работ составил 3,6 млн. руб. в ценах того времени [8].

С 1972 г. способ тушения лесных пожаров искусственно вызванными осадками был внедрен на территории Красноярского края, Якутии и Иркутской области, несколько позже на территории Забайкалья, Тюменской области и северных районов Европейской части России [183]. Для проведения работ была разработана и утверждена специальная инструкция [9].

В 1977-1980 гг. с применением самолетных аэрозольных генераторов (САГ) были выполнены эксперименты по воздействию на мощные конвективные облака с самолета Ан-2 [59, 150]. В этот же период под руководством Н.С.Шишкина произведено обоснование целесообразности разработки пиротехнических самолетных генераторов кристаллизующих реагентов с целью инициирования осадков из конвективных облаков для тушения лесных пожаров с применением легкомоторных самолетов типа АНДля проведения работ началась разработка кассетного устройства и его летные испытания. Выполненные в 1978 г. опыты по воздействию на конвективные облака с применением САГ-2 полностью подтвердили высокую вероятность искусственного вызывания осадков из мощных конвективных облаков с переохлажденной вершиной. Результаты показали, что выбранный способ засева обеспечивает достаточно высокую вероятность стимулирования осадкообразования: 70-80% засеянных облаков через 16- мин. после введения реагента под облаком переходят в кучево-дождевые с выпадением осадков.

Однако эти исследования не дали убедительного ответа на важный вопрос о том, в какой мере полученный результат является следствием воздействия, а в какой мере - естественного процесса. Выполненная оценка эффективности воздействия путем сравнения статистических данных о повторяемости случаев выпадения осадков из облаков, подвергнутых воздействию, и из облаков, развивающихся естественно, показала, что засеянные облака переходят в дождевые более часто, чем незасеянные.

В конце 80-х годов научно-исследовательские и конструкторские разработки, начатые Н.С.Шишкиным, завершились созданием технического оборудованного им, для искусственного вызывания осадков из мощных кучевых облаков над очагами пожаров [154]. В работах принимали участие Краснодарский филиал ГосНИИГА, ГГО им.А.И.Воейкова, ЛенНИИЛХ, производственное объединение «Авиалесоохрана», НИИПХ.

В период с 10 по 28 июля 1989 г. на территории Енисейского авиаотряда Красноярской базы авиационной охраны лесов от пожаров на самолете АН-2 были произведены опытно-производственные работы по тушению лесных пожаров. За период проведения работ было подвергнуто воздействиям 14 облачных образований. В качестве объекта для воздействия выбирались мощные кучевые облака и облачные гряды с нижней границей 1100-1900 м. Вертикальная мощность облаков, подвергшихся воздействию, отмечалась от 2,2 до 4,8 км, причем при воздействии на облака мощностью менее 2,2 км осадки после введения реагента не наблюдались.

Горизонтальные размеры облаков колебались от 2 х 3 км до 4,5 х 5, км; протяженность гряд облаков - от 10 до 15 км. Воздействия проводились в соответствии с технологией [9,151], которая включала в себя: выбор облаков, пригодных для воздействия; выбор наземной мишени (очага пожара) и рубежа воздействия; проведение воздействий с целью искусственного вызывания осадков на очаг пожара. Воздействия осуществлялись под нижней границей облачности на расстоянии 100 м от нее, на скорости полета генераторов в зоне восходящего потока под облаком.

В результате воздействий в 5 случаях были вызваны осадки на очаги пожаров, в 4 случаях осадки прошли мимо очагов пожаров, в 3 случаях осадки не наблюдались и в 2 случаях искусственные осадки не удалось идентифицировать на фоне естественных, хотя и те и другие попали на очаги пожаров.

искусственного вызывания осадков с легкомоторного самолета типа АН- достаточно эффективна, однако кассетное устройство (КУСАГ-П), устанавливаемое под плоскостями самолета, увеличивает расход горючего до 20%, что снижает продолжительность полета самолета.

Одновременно с этим в процессе работ выяснилось, что мощные кучевые облака мощностью 2,0-2,5 км зачастую располагаются в области положительных температур до нулевой изотермы. В связи с этим в начале 90-х годов начались разработки нового реагента [108, 109, 113, 117, 136,], который бы имел преимущества прежних автономных генераторов, но был бы свободен от таких недостатков как температурный порог применения.

С 1991 г. тушение лесных пожаров производится по доработанной технологии с учетом облачных ресурсов [26, 27, 46, 116, 121, 122] и с применением как пиротехнических составов с йодистым серебром, так и с новым реагентом, получившим название ионогенный гигроскопический аэрозоль (ПВ-26 ФХС), изготавливаемый в макетах пиропатронов ПВ-26.

Разработанная в ФГБУ ГГО в настоящее время технология [105, 107, 118, 137, 138] по искусственному вызыванию осадков при борьбе с лесными пожарами с борта воздушных судов гражданской авиации соответствует современным требованиям авиационной охраны лесов. Технология позволяет производить производственные работы по оперативному увеличению осадков применительно к особенностям ее использования для нужд лесного хозяйства при тушении лесных и торфяных пожаров и проведению профилактических работ по снижению класса пожарной опасности лесов.

Применение ионогенных гигроскопических реагентов [112, 114, 119, 120] позволило расширить температурный диапазон проведения работ по искусственному вызыванию осадков, так как появилась возможность проводить работы по искусственному вызыванию осадков из «теплых»

облаков, т.е. из облаков, расположенных в диапазоне положительных температур.

В 1999-2000 гг. были проведены опытно-производственные работы по искусственному вызыванию осадков для тушения лесных пожаров с использованием лесопатрульной авиации в Ленинградской области и ряде регионов РФ. Основные результаты работ по искусственному вызыванию осадков в Ленинградской области были получены в июле - августе 1999 г.

11 июля имели место работы по активным воздействиям на гряды конвективной облачности в районе Кириши-Тихвин Ленинградской области.

Высота нижней границы гряды составляла 800-1500 м, температура нижней границы +10оС, относительная влажность в подоблачном слое 80-85%. На участке в 180 км (туда и обратно) было отстреляно 61 изделие ПВ-26 ФХС с интервалом 20 сек. В результате проведенного воздействия прошли ливневые осадки восточнее-северо-восточнее г.Тихвина.

18 июля АВ на конвективную облачность проводились на маршруте Любань-Луга-Волосово. В результате засева облаков ливневые осадки прошли в районе п.Вырица, п.Сиверский, р-на аэропорта «Никольское».

конвективных облаков с нижней границей Нн 1200 м и мощностью облаков 3,5-4,0 км. Было израсходовано 35 зарядов. В результате воздействия были вызваны интенсивные ливневые осадки с порывами ветра.

5 августа на участке Волосово-Луга была проведена обработка гряды облаков с Нн 700-800 м и температурой +20оС. Также был проведен отстрел 20 патронов с интервалом 1 мин. Воздействие было начато в 17.15 и окончено в 17.30, в 17.42 начали выпадать интенсивные ливневые осадки в районе п. Мшинская с прямым накрытием очага пожара восточнее п.

Мшинская. В 17.46 наблюдения пришлось прекратить из-за начала прямых молниевых разрядов облако-земля.

7 и 8 августа вылеты проводились с аэродрома г. Тихвин. 7 августа над Тихвинским районом проходил атмосферный фронт в южном направлении с осадками малой интенсивности. В результате проведенных воздействий удалось интенсифицировать выпадение осадков. 8 августа в 12.00 час были проведены воздействия восточнее-юго-восточнее г. Тихвина на отдельные недождящие кучевые облака. Мощность облаков составляла 1000 м, относительная влажность в подоблачном слое 90%, нижняя граница в момент первого воздействия 700-1000 м, при повторном воздействии 1200м с мощностью 2000-2500 м. В результате образовалось мощное кучеводождевое облако с последующим выпадением интенсивных осадков юговосточнее г. Тихвина.

Результаты использования новых реагентов для искусственного вызывания осадков из мощных кучевых облаков на авиабазах в зонах ответственности ЦБ “Авиалесоохрана” приведены в Приложении. В 2000 г.

было проведено 210 воздействий, включая профилактические, в том числе 127 пиропатронами ПВ-26 с 2% составом йодистого серебра и пиропатронами ПВ-26 ФХС, генерирующими ионогенный гигроскопический аэрозоль. При каждом АВ в среднем было израсходовано 1-2 пиропатрона.

АВ имели место при 104 лесных пожарах, общая площадь которых составила 24635 га. Осадки выпали на 44 пожара общей площадью 18079 га, что составляет 73,4% от площади всех пожаров. Пиропатроны ПВ-26 применяли три авиабазы (Сыктывкарская - 205 штук, Читинская - 78 штук и Амурская штук), количество неудачных засевов этими изделиями (осадки отсутствовали) - 53,0% (по авиабазам Сыктывкарская - 55,7%, Читинская Амурская - 20%). На остальных авиабазах засев проводился пиропатронами ПВ-26 ФХС. Количество неудачных засевов составило 18% (по авиабазам: Иркутская, Красноярская, Томская, Ханты-Мансийская - 0%;

Читинская - 65,4%, Якутская - 15,4%) [122].

При отсутствии ресурсной облачности для тушения лесных пожаров используются самолеты-танкеры. Например, в пожароопасный сезон 2001 г.

авиабазам охраны лесов было установлено задание по тушению пожаров с воздуха с использованием 21 ВСУ-5 (ВСУ-5А) на вертолетах типа Ми-8 (МиМТ), 15 самолетов-танкеров Ан-2п и трех самолетов-амфибий Бе-12п. В подготовительный период были проведены мероприятия, необходимые для применения вышеуказанных авиасредств. Были проведены тренировки экипажей самолетов-танкеров, подготовлены к работе имеющиеся в авиабазах водосливные устройства. Иркутской авиабазой был заключен договор с Таганрогским авиационно-техническим комплексом им.Г.М.Бериева на тушение лесных пожаров с воздуха самолетами Бе-12п [114].

Фактически за пожароопасный сезон 2001г. при тушении лесных пожаров было применено 24 ВСУ, произведено 358 сливов – 700 тонн воды на 70 лесных пожаров. С воздуха локализовано более 36 тыс. метров кромки лесных пожаров. На Северо-Западной авиабазе для повышения эффективности ВСУ-5 была разработана и успешно испытана СПС-1 – система подачи смачивателя в полете в заполненное водой ВСУ-5.

В период с 22 мая по 28 сентября 2001г. на Иркутской авиабазе производились полеты на двух самолетах-амфибиях Бе-12п. Самолеты использовались на тушении 7 лесных пожаров. Был совершен 81 слив – тонн воды на пожары площадью от 1,5 до 160,0 га. При этом ликвидирован один пожар на площади 10 га, локализовано 2 пожара – 0,5 и 70 га, а на остальных обрабатывались кромки. Общая протяженность смоченной полосы составила около 6000 м. Общий налет составил 108 час, из них непосредственно на тушение пожаров – 41 час.

В течение пожароопасного сезона 2001г. также применялся метод борьбы с лесными пожарами с помощью искусственного вызывания осадков.

На базе Енисейского отряда лесной авиации был проведен семинар с привлечением ведущих специалистов ГГО им. А.И. Воейкова (г. СанктПетербург) и командно-летного состава авиабаз на тему «Тушение пожаров методом искусственного вызывания осадков». В течение сезона было произведено 59 воздействий, на 16 лесных пожаров попали осадки и на 8 из них оказали существенное влияние для их тушения. Все воздействия производились пиропатронами ПВ-26 ФХС, которые дают положительные результаты, как при отрицательных, так и положительных температурах конвективной облачности. Но в целом применение данного метода было значительно ниже уровня 2000 года (210 воздействий на 104 пожара), что можно объяснить задержкой с поставкой в авиабазы пиропатронов (поставлены в июле-августе), а также более благоприятной пожарной обстановкой (отсутствие пожаров) в середине сезона на авиабазах Сибири и Дальнего Востока. Результаты работ были представлены на ХХIII Генеральной ассамблеи союза по геодезии и геофизике [264].

Дальнейшим направлением работ по охране лесов от пожаров, с нашей точки зрения, является разработка технологии искусственного вызывания осадков с самолетов, танкеров, оборудованных устройствами для засева ресурсной облачности пиротехническими средствами[115], а также водометными устройствами воздействия непосредственно на очаги пожаров и для засева облачности водным аэрозолем [136, 137].

Технология активного воздействия на облака с лесопатрульных предотвращения лесных пожаров при наличии ресурсной облачности, так как она совмещается с авиационным патрулированием лесных массивов и не требует значительных финансовых затрат. Тем не менее, она имеет некоторые ограничения, одним из которых является необходимость проведения полетов в непосредственной близости от основания конвективного облака, что требует от экипажа самолета предельной внимательности и осторожности, слаженности действий летчиков и бортоператоров.

Одной из важнейших задач совершенствования способа тушения лесных пожаров искусственно вызванными осадками является разработка методики прогнозирования конвективной облачности над пожароопасными необходимость в разработке такого способа воздействия, при котором, используя благоприятную метеорологическую обстановку в районе пожаров, можно было бы вызывать осадки до полной ликвидации пожара.

Для практики тушения лесных пожаров искусственными осадками важно установить те критерии, которые определяют вероятность выпадения осадков после засева облака реагентом. Как показали исследования, одним из таких критериев является вертикальная мощность облака[151]. Было установлено, что чем больше вертикальная мощность облака, тем вероятнее успех вызывания осадков и их интенсивность.

осадки бывают слабые и непродолжительные. При воздействии на облака с H = 2500-3500 м в 20% выпадают ливневые осадки, в 55% - умеренные, в остальных случаях - слабые. Облака с H > 3500 м дают при засеве, как искусственные осадки резко отличаются: от нескольких минут (очень сильный ливневый дождь) до нескольких часов (умеренные осадки на большой площади) [37, 142, 152, 153].

1.6. Синоптические процессы, благоприятствующие возникновению пожаров В России изучение влияния атмосферных процессов на возникновение лесных пожаров было начато Г..Я. Вангенгеймом [30], который предложил прогнозировать возникновение и развитие лесных пожаров по пяти типам погодных условий и ввел 17-балльную шкалу для оценки пожарной опасности погоды для леса. Более поздние исследования подтвердили тесную связь пожарной опасности в лесу с антициклоническим характером погоды [29, 161, 182].

прохождении холодных фронтов, вызывающих сильные ветры. Э.Н.Валендик [29] выявил наиболее типичные синоптические положения, при которых наблюдалось быстрое распространение пожаров до крупных размеров.

Усиление пожарной опасности лесов связано с нисходящими движениями воздуха на большой площади (антициклональный характер погоды), сопровождающимися быстрым повышением температуры и уменьшением относительной влажности. Не менее сложная пожароопасная обстановка создается в теплых секторах циклонов, сменяющих антициклоны. В непродолжительный период смены барических образований пожары развиваются и распространяются значительно быстро. Этому способствует неустойчивую, развитие конвекции в атмосфере, увеличение высоты подъема конвективной колонки, усиление ветра в основании конвективной колонки и, как следствие, интенсивности пожара. Площадь пожаров при таких синоптических ситуациях за 2-3 дня может увеличиваться в десятки раз, а пожары становятся стихийным бедствием.

В Сибири и на Дальнем Востоке большинство лесных пожаров возникает в малоградиентных барических полях, в которых не наблюдаются сильные ветры, но характерны высокие температуры и низкая относительная влажность для пониженного давления, а для повышенного давления прохождение холодных фронтальных разделов с грозами, сопровождающимися порывистыми ветрами и незначительными осадками.

Синоптические положения, при которых создается наивысшая пожарная опасность и наблюдаются лесные пожары, развивающиеся до крупных размеров, можно подразделить на четыре типа:

- обширный антициклон с прохождением по его периферии теплого фронта;

- глубокий циклон с фронтом окклюзии в теплом секторе;

- прохождение теплых фронтов при малоградиентных барических полях пониженного давления;

- прохождение холодных фронтов при малоградиентных полях повышенного давления.

Предвестниками крупных пожаров считаются некоторые типичные черты погоды, предшествующие пожароопасному периоду: сухая осень предшествующего года, малоснежная и холодная зима, ранняя и холодная весна [29, 35].

Сведения о лесных пожарах указывают на то, что грозы являются одной из причин возникновения лесных пожаров. Географическое распределение гроз над сушей определяется характером температурновлажностного режима, циркуляцией атмосферы и рельефом местности [210].

Грозы разделяют на внутримассовые и фронтальные.

Внутримассовые грозы образуются над континентами в теплый период года в размытых барических полях, слабо выраженных и заполняющихся циклонах. Важнейшим условием образования внутримассовой грозы является развитие термической конвекции.

Фронтальные грозы формируются на атмосферных фронтах в процессе бурного вытеснения теплого воздуха вверх в результате натекающего вала холодных воздушных масс (атмосферный фронт по типу холодного) или восходящего скольжения теплого воздуха по фронтальной поверхности (атмосферный фронт по типу теплого).

Анализ повторяемости числа дней с грозами показал, что существуют очаги повышенной грозовой активности и зоны малого числа дней с грозой [191, 192]. С орографическими особенностями Иркутской области связано распределение числа дней с грозой на ее территории, где наблюдаются очаги грозовой активности от 7-8 дней с грозой в год до 35-36 дней. В Красноярском крае и Тыве число дней с грозой колеблется от 35 на юге Тувы до 0,9 на крайнем севере Красноярского края. Годовое число дней с грозой на территории Якутии колеблется в широких пределах: от 0,1 на крайнем севере республики до 20 в ее южных горных районах. В Забайкалье число дней с грозой в год изменяется от 12-13 до 32-38 в разных районах.

Грозовая деятельность усиливается с приближением к горным районам. Высокая грозовая активность отмечается на Алтае и юге Восточной Сибири.

Для принятия решения по ИВО анализируют синоптическое положение, данные температурно-влажностного радиозондирования, распределение ветра по высотам, наличие положительной энергии неустойчивости в атмосфере, уровень конденсации (вероятную нижнюю границу облаков) и уровень свободной конвекции (вероятную верхнюю границу облаков), а также знакомятся с прогнозом развития конвективной облачности. При отсутствии этих данных по картам барической топографии (АТ850, АТ700 и АТ500) в районе работ определяют скорость перемещения облаков (как правило, она равна 0,8 скорости ветра на АТ700) [116, 121].

К районам проведения работ по ИВО относятся территории лесного фонда, на которых своевременная ликвидация лесных пожаров не может быть обеспечена существующими наземными силами и средствами пожаротушения [76,77].

ИВО в профилактических целях при отсутствии лесных пожаров проводят для снижения класса пожарной опасности, когда расчетная мощность облаков по прогнозу оказывается более 2-2,5 км.

Наиболее благоприятные условия для проведения работ по ИВО наблюдаются, когда нижние слои воздуха имеют значительную влажность (более 60 %), ветры слабые или полностью отсутствуют, местами были дожди конвективного происхождения, над районом работ по высотам наблюдаются градиенты температуры больше влажноадиабатических.

ИВО над районом работ для тушения очагов лесных пожаров целесообразно проводить в следующих синоптических ситуациях: область пониженного давления (малоградиентное барическое поле), приближение фронтальных разделов, ложбина, слабовыраженные фронтальные разделы типа вторичных холодных фронтов или фронтов окклюзий [116, 154].

ИВО проводить нецелесообразно, если в районе работ наблюдается неустойчивости отрицательная, на высотах наблюдается конвергенция ветра, градиенты температуры в нижней тропосфере меньше влажноадиабатичеcких [116, 121].

1.7. Грозы как источник пожаров В горимости лесов России грозы играют немаловажную роль. По многолетним данным «Авиалесоохраны» количество лесных пожаров от гроз колеблется от 6% до 20% от всех лесных пожаров. В отдельные годы в лесах Западной Сибири от молний возникало 70-80 %, а в лесах севера ЕЧ РФ до 40-60% всех пожаров. Наиболее часто пожары от гроз возникают на территориях Томской и Тюменской областей, Алтайского края, в Приагарье и Забайкалье, Якутии и др. регионах Дальнего Востока[78, 236].

одновременное их возникновение во многих местах. Связь возникновения лесных пожаров с периодичностью гроз отмечал Г.Я. Вангенгейм [30] и др.

исследователи. Синхронность указанных явлений обычно прослеживается в период засух, когда устанавливается высокая пожарная опасность с КПО 3- классов. Выпадающие при грозах осадки неравномерны по площади и незначительны по величине и в большинстве случаев они не снижают степень пожарной опасности в лесу.

Грозы наблюдаются в основном при 3 КПО. Анализ возникновения лесных пожаров от гроз показывает, что их возникновение связано с прохождением вблизи очагов пожаров холодных фронтов при значительном прогреве приземного слоя воздуха и наличии холодного воздуха на высотах.

Следует подчеркнуть, что возникновение лесных пожаров чаще всего наблюдается при сухих грозах. Этому, как правило, предшествует сухая погода, наблюдаемая при высоких метеорологических комплексах, определяющих КПО. Термодинамические условия для развития конвекции сохраняются, а израсходованные влагозапасы воздушной массы не восполняются в количестве достаточном для образования осадков.

Рассмотрим подробнее, каким образом могут образовываться сухие грозы. Вначале вода испаряется с поверхности земли: с кустарников, деревьев, полей, озер, рек и т.д. Большая часть испаряющейся воды приходится на растения. Вместе с испаряемой влагой в атмосферу поступает большое количество отрицательных ионов. Молекула воды обладает ярко выраженной электрической полярностью и, поэтому, легко присоединяет к себе отрицательные ионы, которые находятся на поверхности земли в избытке. Испаряясь, молекула воды уносит с собой захваченный ею отрицательный заряд [60, 230].

концентрируются на разного рода ребрах и остриях заряженных тел. Земля как раз является таким заряженным телом. На земной поверхности находится большое количество ребер и острых объектов – трава, злаки, листья кустарников и деревьев, особенно иголки хвойных растений. Именно они и отрицательными зарядами попадает в атмосферу. Согласно измерениям, объемная плотность отрицательных зарядов в приземном слое атмосферы может достигать 10-6 Кл/м3 [155, 172]. Конвективными движениями отрицательные заряды переносятся в верхние слои атмосферы, где образуется облачность, в которой происходит разделение электрических зарядов. Между сформировавшимися объемными зарядами при достижении критической напряженности и земной поверхностью происходят молниевые разряды. Возможности искусственного разряда конвективной облачности рассмотрены в пп 5.11.

1.8. Основные факторы, определяющие формирование ресурсной облачности Пространственное распределение облачности, ее вертикальная протяженность, суточный и сезонный ход, а также другие характеристики обусловливаются взаимодействием ряда факторов, основными из которых являются - характер циркуляционных процессов и свойства подстилающей поверхности.

В результате циркуляционных процессов формируются воздушные потоки, переносящие водяной пар на большие расстояния по горизонтали, и крупномасштабные вертикальные движения, приводящие к вертикальному подъему влаги во всей толще тропосферы. Следствием этих процессов являются процессы облакообразования и осадкообразования, обеспечивающие влагооборот воды в системе Земля-атмосфера.

На территории РФ, согласно [30, 170, 149, 182], по преобладающему горизонтальному переносу воздушных масс выделяют три крупные климатические области: атлантическую, арктическую, тихоокеанскую.

Последние в свою очередь подразделяются на более мелкие климатические районы и подрайоны, которые существенно различаются по режиму облачности и осадков.

Область атлантического переноса распространяется на европейскую часть РФ и Западную Сибирь. Европейская часть РФ относится к атлантикоконтинентальным и континентальным районам. Летом в этих районах на фронтах развивается циклоническая деятельность, которая обусловливает развитие облаков и частое выпадение осадков. В эти районы проникает и тропический воздух, влага которого служит существенным дополнением к осадкам атлантических циклонов. Однако это влияние не распространяется на юго-восточные районы Европейской части РФ, для которых характерны засухи и суховеи.

На территории Западной Сибири также можно выделить несколько районов с различным режимом облачности и осадков, но в отличие от Европейской части климатические изменения с запада на восток в этой области происходят медленнее. Последнее обусловлено тем, что Западная Сибирь находится под влиянием не только Атлантики, но и обширного Азиатского континента.

Область арктического переноса распространяется на территорию Восточной Сибири. Для нее характерны вторжения арктических воздушных масс, которые затем трансформируются и приобретают свойства континентальной воздушной массы. Сюда не проникает ни атлантический, ни тихоокеанский воздух.

Область тихоокеанского переноса распространяется на территорию Дальнего Востока. Однако циркуляционные процессы, развивающиеся над Тихим океаном, не имеют тенденции к продвижению на запад, вглубь континента, т.к. этому препятствуют горы. Поэтому, на Дальнем Востоке основная роль в формировании климата и, следовательно, режима облачности и осадков принадлежит циркуляционным процессам. Сезонная смена океанических масс обусловливает сухую зиму и дождливое лето.

Наряду с общей циркуляцией, весьма важным климатическим фактором является рельеф. Хотя он и относится к факторам местного значения, но нередко играет решающую роль в формировании пространственно-временного распределения облаков. Масштабы воздействия рельефа на климат зависят от высоты и протяженности горной системы. Все горные хребты обостряют циклоническую деятельность и увеличивают облачность. Различия в формах рельефа обусловливают более сложное и разнообразное распределение всех метеорологических величин. Так, над возвышенностями повторяемость конвективной облачности больше, чем над долинами и котловинами. Имеются различия в суточном и годовом ходе облаков для станций, расположенных в долинах и предгорьях. Наличие окраинных морей и крупных водоемов в теплый период приводит к ослаблению конвекции и, следовательно, к уменьшению повторяемости конвективных облаков.

Области существенно различаются не только по характеру циркуляционных процессов, но и по свойствам подстилающей поверхности.

Так, основную часть территории Западной Сибири занимает ЗападноСибирская равнина, и только с юго-востока она окаймлена горами, Восточная Сибирь представляет собой горную страну. Территория Дальнего Востока также может быть охарактеризована как горная страна, на которой равнины располагаются только в межгорных впадинах, вдоль морских побережий и долин крупных рек.

Возникновение лесных пожаров происходит весной после схода снежного покрова. В Сибири и на Дальнем Востоке различают два типа пожароопасных сезонов: продолжительный непрерывный, когда горимость сохраняется 5-7 месяцев; и короткий непрерывный с максимумом в летние месяцы. Первый сезон характерен для южной тайги, второй для средней и северной тайги. Одним из показателей возникновения крупных лесных пожаров (для Сибири площадь пожара 200га и более, для ЕЧ РФ - 25га и более) считают число дней без осадков по сезонам: весна, лето, осень. В весенний пожароопасный период крупные пожары возникают при 10-20дневном засушливом периоде, в летний период – при 20-30-дневной засухе, в осенний период при 20-40- дневном отсутствии осадков. Максимум крупных пожаров возникает весной после 30-40 дневного, летом и осенью после 40- дневного периода без осадков[29,35]. Окончание пожароопасного сезона приходится на конец осени, когда устанавливается устойчивый снежный покров.

Очевидно, что перечисленные факторы – циркуляция атмосферы и характер подстилающей поверхности, взаимодействуя, создают весьма сложную картину географического распределения кучево-дождевых облаков как по территории, так и от года к году и внутри пожароопасного сезона. В связи с этим целесообразно рассматривать закономерности распределения кучево-дождевых облаков и связанных с ними опасных природных явлений [184] по крупным физико-географическим областям, таким как Европейская часть РФ, Западная Сибирь, Восточная Сибирь, Дальний Восток.

1.9. Ресурсная облачность в пожароопасный период года Изучение климатических ресурсов облаков, пригодных для АВ, позволяет сформулировать выводы о возможностях искусственного регулирования осадков в конкретном районе. Наиболее эффективными для АВ оказываются слоисто-дождевые (Ns), мощные кучевые (Cu cong) и кучево-дождевые (Cb) облака. Под облачными ресурсами для ИВО над пожароопасными районами принимается среднее месячное содержание водных запасов конвективных облаков в теплый период года.

Получение сведений о ресурсах облаков сопряжено с известными трудностями. Во-первых, для получения надежных значений характеристик облаков требуются длинные ряды наблюдений. Во-вторых, условие пригодности для воздействий предполагает знание критериев пригодности, а они, как правило, могут быть установлены лишь в эксперименте.

Изучение ресурсов облаков обычно выполняется в виде следующих этапов. На начальной стадии эксперимента на основании исследования физических свойств облаков и проведения отдельных опытов по засеву устанавливаются критерии пригодности облаков в первом приближении. При этом используются сведения, полученные в других аналогичных экспериментах[13, 50, 51, 52, 57, 59, 71].

Затем в процессе самих воздействий или путем специальных системных исследований с помощью самолетных, радиолокационных и других средств определяется повторяемость облаков, пригодных для АВ.

После получения в результате эксперимента критериев пригодности облаков во втором приближении производится корректировка данных об облачных ресурсах района.

При проведении исследований ресурсов облаков в качестве критериев пригодности использовались следующие показатели: абсолютное количество, балльность и продолжительность существования облаков;

повторяемость облачных систем, имеющих пригодные для воздействия облака; водозапасы облаков; повторяемость ситуаций, благоприятных для воздействия по данным натурных экспериментов или численного моделирования; количество осадков [69].

Абсолютное количество облаков, пригодных для АВ, отнесенное к единицам площади и времени, является одним из наиболее совершенных показателей климатического ресурса. Косвенными показателями ресурсов могут служить балльность, продолжительность и другие связанные с ними характеристики облаков.

В атлантической климатической зоне выделяются несколько регионов с различными значениями ресурсной облачности: северо-западный регион, лесистые районы Европейской части РФ и Западно – Сибирская низменность.

Проведенный анализ данных 8-срочных наблюдений за 10-летний период на 57 станциях северо-запада ЕЧ РФ позволил оценить облачные ресурсы, пригодные для ИВО [24, 189, 207, 208, 209]. Наиболее благоприятными районами для осуществления воздействий являются наветренные склоны и центральные части возвышенности, где число дней с ресурсной облачностью наибольшее. На северо-западе в среднем за пожароопасный сезон (май сентябрь) оно составляет 18-22 дня, а в отдельные годы достигает 28 дней в месяц. Число дней с ресурсной облачностью и высокой пожарной опасностью по территории Западной Сибири изменяется с 5-12 до 20-23 в месяц [195].

Среднее число дней с ресурсной облачностью в Восточной Сибири изменяется в широких пределах от 6 до 27 дней в Иркутской области [192], от 9 до 23 в Читинской и так далее и наблюдается на возвышенных формах рельефа. Наибольшее число дней для лесистых районов наблюдается в июле, на севере Иркутской области – в мае, а в северных и северо-восточных районах Забайкалья в июле и августе [191].

вероятность появления конвективной облачности и высокой горимости, которая изменяется от 0,00 до 0,30, что соответствует возможности проведения работ на территории в течение 0-10 дней в месяц [190], в Приморском крае вычисленные значения вероятностей изменяются от 0 до 0,17 [193], на Сахалине благоприятные условия для вызывания осадков в дни с высокой пожарной опасностью наблюдаются от 2 до 4 дней в месяц[174].

Условия, благоприятные для искусственного вызывания осадков в пожароопасных районах Якутии Камчатки представлены в работе [65].

Водозапас облаков рассматривается в качестве показателя ресурсов.

Наиболее репрезентативен он для случая, когда известна его доля, которую слоистообразных облаков, не дающих естественных осадков, возможное количество дополнительных осадков можно оценить, если известны водозапас, коэффициент реализации водозапаса в осадки при засеве, продолжительность пребывания облаков над районом и скорость их смещения [18, 160, 169, 197]. Для конвективных облаков разработана методика оценки водозапасов по радиолокационным наблюдениям и расчетам по методу слоя [15, 199, 248].

Водозапасы мощных кучевых облаков зависят преимущественно от мощности облака. Для северо-западного региона А. А. Синькевичем [208] предложена формула определения водозапаса конвективных облаков в виде Wср – среднее значение водности в граммах на кубический метр (г/м3), H – мощность облака,км. Наибольшие средние значения водности зарегистрированы в развивающихся конвективных облаках (Wср = 1,0 г/ м3), в стадии диссипации средние значения составляют = 0,4 г/ м3. Для расчета водозапаса облаков(Q) пункте наблюдений используется формула, приведенная в работе [46]:

где Sср = SBср –площадь облачного покрова, S- площадь в радиусе 30км от пункта наблюдений, Bср-количество облачности в баллах.

Из проведенных расчетов следует, что единовременный водозапас облачности (Q) изменяется от 5,0 104 до 13,0 104 тыс.тонн. Наибольшие значения водности получены для южных и дальневосточных регионов.

Наибольший среднемесячный водозапас наблюдается в районах Западной и Восточной Сибири (более170 104 тыс. тонн), а наименьший для районов Поволжья и северо-запада ЕЧ РФ (около 65 104 тыс. тонн).

Следующим показателем облачных ресурсов является количество естественных осадков [10,17]. На первых этапах работ по воздействиям господствовало мнение, что наиболее перспективными объектами воздействия являются облака, не дающие естественных осадков. Однако в дополнительных осадков при засеве этих облаков невелико, в основном из-за малых водозапасов. Информативность этого показателя повышается, если рассматривать осадки только из облаков - объектов воздействия.

искусственного увеличения осадков следует выявить:

- тип осадкообразующих облачных систем и их повторяемость;

- вклад осадков из систем каждого типа в общую сумму осадков;

- возможное увеличение осадков из систем каждого типа, полученное на основании экспериментов по засеву и численного моделирования;

- степень покрытия облаками при каждом типе облачных систем[34, 228, 229].

Работы в целях снижения класса пожарной опасности лесов и борьбы с лесными пожарами производятся с использованием воздушных судов, оснащенных техническими средствами ИВО, и наземными средствами.

Рассмотрим подробнее технические средства ИВО, необходимые для тушения лесных пожаров и снижения класса пожарной опасности лесов.

1.10. Технические средства искусственного вызывания осадков на лесные территории Авиационный комплекс технических средств воздействия в общем случае включает:

- специальное воздушное судно; - технические средства воздействия; - реагенты; - средства измерения параметров атмосферы;средства управления работами по АВ [140].

Технические средства воздействия состоят из кассетных устройств, самолетных аэрозольных генераторов (САГ-П[2,58,106], САГ-ПМ) или ракетных пистолетов для пиропатронов ПВ-26 [116], используемых с легкомоторных воздушных судов типа Ан-2 и др. На рис.1.3 показан засев мощного кучевого облака с самолета Ан-2.

Рис. 1.3.Засев конвективного облака с экспериментального кассетного устройства ЭКУ-САГ-П (фото Васильева С.Л.) Самолеты Ан-26Б и Ан-32п оснащены системой АСО (модификация АСО-2И) для отстрела пиропатронов ПВ-26 (ПВ-26-95,ПВ-26-01) с капсюлем центрального боя или электровоспламенителем [2, 114].

Из существующих реагентов используют йодистое серебро (1-2% от общего объема пиротехнической смеси (САГ-П) или с 8% составом AgJ – АД-1 (САГ-ПМ))[1]. ГУ «ГГО» использует для ИВО экспериментальные гигроскопические реагенты (САГ-ФХС) в макетах пиропатронов ПВ-26 с капсюлем центрального боя [108, 116].

Распоряжением Росгидромета от 14.11.2005г. № 53р рекомендовано высокоэффективным льдообразующим пиротехническим составом АД-1 с самолетов, оснащенных штатными кассетами КУСАГ-ПМ в работах по активному воздействию на гидрометеорологические и другие геофизические процессы.

Установлено, что от одного САГ-П при температуре минус 10 оС обеспечивается выход льдообразующих частиц до 2х1013. Разработанные к настоящему времени генераторы САГ-П различаются по времени дымообразования (60 и 100 с), что обеспечивает создание линейного источника, протяженность которого достаточна для засева мощных кучевых облаков выбранного класса одним САГ-П.

Система приведения в рабочее состояние САГ-П обеспечивает нужные диапазоны дозировок в зависимости от метеоусловий и решаемой задачи.

Питание системы управления осуществляется от бортовой сети 27 В ± 10 %.

Время горения пиросостава САГ-ПМ(01) 120±20с, выход льдообразующих ядер- 1014 - 1015 г-1, содержание йодистого серебра соответственно 2 и 8%.

При воздействиях с земли засев облаков может осуществляться с помощью наземных генераторов, или с помощью ракет и снарядов, оснащенных реагентом для ИВО[140]. По разработке «Агентства АТТЕХ»

на базе фейерверка 105 мм калибра был создан и серийно выпускается генератор типа ГЛА-105 с льдообразующим реагентом. Генератор ГЛА- может использоваться как в стационарном, так и в подвижном варианте.

Рисунок 1.4. Генератор фейерверочного типа ГЛА – 105, и пусковые установки - одноствольная и многоствольная [140].

Самолеты пожарной авиации могут использовать и другие реагенты, разработанные за рубежом (США, Болгария и др.страны), содержащие йодистое серебро или гигроскопические вещества (NaCl и др). Для этого могут быть использованы любые типы самолетов, в т.ч. и средневысотные, но предварительно самолет должен быть оборудован навесными конструкторским КБ. Факела, размещаемые на навесных креплениях, могут быть любыми, однако стандартный факел, применяемый в Аргентине и Австрии имеет габариты 26х360 мм при весе пиросостава 150 – 200 г. В среднем расход пиросостава составляет 2-4 кг/час.

В качестве реагента для воздействий на облака с целью ИВО может использоваться вода в виде аэрозоля [136, 167]. Аэрозоль представляет собой коллоидную систему, где в газообразной среде взвешены (диспергированы) частички твердых или жидких веществ. Свойства аэрозолей делают экономически выгодным применение технологий с их использованием в самых разнообразных производственных процессах. Для засева облаков водным аэрозолем, растворами гигроскопических веществ или порошкообразными реагентами могут быть использованы различной конструкции форсунки [20, 239].

Дробление жидкости на капли происходит под действием ряда факторов. Механический способ распыления применим для любых жидкостей, поэтому он является наиболее распространенным в практике авиационного применения. Для распыления жидкостей используют разнообразные форсунки, предназначенные для распыления жидкости на большое число капель и распределения этих капель в пространстве.

Распыление жидкости является сложным физическим процессом, зависящим от многих внешних и внутренних причин. Основной внешней причиной является воздействие на поверхность струи аэродинамических сил, величина которых зависит от относительной скорости струи и плотности окружающего газа. Аэродинамические силы стремятся деформировать и разорвать струю, а силы поверхностного натяжения препятствуют этому.

Внутренними причинами распада являются различного рода начальные возмущения, вызываемые, например, нарушением цилиндрической формы струи при выходе из сопла и т.п. Внешние причины в большинстве случаев являются определяющими для процесса распыления [20], поэтому при разработке классификации форсунок исходят из способа создания перемещения струи относительно газообразной струи.

По этому признаку форсунки можно разделить на три группы:

- форсунки, в которые жидкость подается под давлением и распыляется вследствие неустойчивости жидкой струи, трения струи о воздух или при ударе струи о неподвижную деталь прибора;

- форсунки, представляющие собой вращающиеся диски или чашу, в центр которых подводится жидкость. Распыление вызывается центробежной силой, разрывающей жидкость на капли;

- форсунки с газовым распылением, в которых поток жидкости разрывается быстродвижущимся потоком газа[20].

Форсунки, работающие под давлением, широко распространены.

Форсунки с газовым распылением применяют в самых разнообразных случаях, но они расходуют значительно больше энергии, чем форсунки под давлением. Решающим фактором, который определяет размер капель, получаемых в форсунках с газовым распылением, является отношение между количеством газа и жидкости, подаваемым в форсунку. При недостаточном количестве газа образуются большие капли, вылетающие далеко за пределы облака мелких капель.

Распыление жидкости на самолетах и вертолетах производится под давлением с помощью форсунок, к которым подводится распыляемая жидкость. Мелкое распыление обеспечивается не только установкой распылителей малого сечения, но и влиянием других факторов: повышением давления, уменьшением секундного выпуска жидкости и увеличением скорости полета. Причем при повышении давления более 10 атмосфер при одинаковом диаметре форсунок средняя величина капель уменьшается незначительно.

характеризующим работу распыления. При распылении имеющейся авиационной аппаратурой получается полидисперсная система капель жидкости, величина которых может колебаться в широких пределах.

Различают три основных класса дисперсного опрыскивания при содержании не менее 80% жидкости в виде капель размером:

-от 5 до25 мкм - высокодисперсное;

-от25 до 50 мкм – мелкокапельное;