Пожар – неконтролируемый процесс горения. Лесной пожар (рис. 1) – стихийное, неуправляемое распространение огня по участкам леса.
Рис. 1. Лесной пожар [1]
Лишь 4 % возникающих в мире лесных пожаров имеют естественные причины и возникают от удара молнии, в остальных 96 % случаев прямо или косвенно виноваты люди, сообщает Всемирный фонд дикой природы (WWF) Германии. «Человек прямо или косвенно, преднамеренно или по халатности, виноват в возникновении подавляющей части лесных пожаров. Если лесные пожары случаются слишком часто, горят слишком сильно, появляются в необычное время года или в нетипичном месте, то это верный знак, что экосистема вышла из равновесия из-за «вмешательства человека», – говорится в обновленном обзоре WWF Германии «Леса в огне» [1].
Процесс горения является химической реакцией, при которой происходит взаимодействия лесного горючего материала с кислородом воздуха. Горение – сложная химическая реакция, протекающая в условиях прогрессивного самоускорения, связанного с накоплением в системе теплоты или катализирующих продуктов реакции. Сущность горения заключается в нагревании горючего материала до начала его теплового разложения.
Концепция исследования. В лесу летом нагревание происходит иногда месяцами, но лесные горючие материалы не доходят до возгорания. Здоровая лесная среда в жару создает прохладу, повышая влажность и снижая температуру внутри себя.
Хвойные леса возникли около 360 млн. лет назад, а лиственные – около 180. В ходе эволюции лиственные деревья оказались более приспособленными к глобальным потеплениям. Человека в те времена не было, а лесные пожары случались, но преимущественно в хвойных лесах из-за ударов молний. И в наше время основными факторами лесных пожаров являются температура и влажность. Поэтому возникновение 96 % случаев лесных пожаров по вине человека указывает только на то, что лесные горючие материалы сильно нагреты и они способны к возгоранию из-за трех главных факторов:
1) повышение интенсивности солнечной радиации;
2) снижение площади лесных ареалов;
3) ухудшение качества (повышение возгораемости) лесных древостоев.
За основу взяли активность Солнца по числам Вольфа. Чтобы снизить влияние второго фактора, брали на Земле участок леса, а для элиминирования третьего фактора учитывали распределение лесных пожаров на особо охраняемой территории.
Объект исследования. Государственный природный национальный парк «Марий Чодра», что в переводе означает «марийский лес» (рис. 2), организован 01.12.1985. Динамика 266 пожаров приведена в [2] за 1982–2009 гг. И назван он так не случайно – вся территория покрыта прекрасными сосновыми борами и хвойно-широколиственными лесами. Парк находится на юго-востоке Республики Марий Эл.
Исходные данные. Из журнала регистрации за период 1982–2011 гг. были выписаны значения параметров. Лето 2010 г. является резонансно аномальным по лесным пожарам, поэтому в данной статье не рассматривается. По наибольшему количеству лесных пожаров выбрали 2002 г. (табл. 1). А по 2010 году нужен отельный анализ.
Таблица 1
Динамика лесных пожаров НП «Марий Чодра»
|
Дата пожара 2002 г. |
Время τс от солнцестояния 21.03, сутки |
Склонение δ оси Земли к Солнцу, о |
Число Вольфа V солнечной активности |
|
26.04 |
36 |
13.62 |
101 |
|
28.04 |
38 |
14.27 |
71 |
|
29.04 |
39 |
14.59 |
87 |
|
11.05 |
51 |
18.04 |
138 |
|
11.05 |
51 |
18.04 |
138 |
|
02.06 |
73 |
22.30 |
129 |
|
02.06 |
73 |
22.30 |
129 |
|
08.06 |
79 |
22.93 |
127 |
|
12.06 |
83 |
23.21 |
75 |
|
19.06 |
90 |
23.44 |
79 |
|
01.07 |
102 |
23.05 |
58 |
|
01.07 |
102 |
23.05 |
58 |
|
06.07 |
107 |
22.59 |
75 |
|
09.07 |
110 |
22.24 |
64 |
|
22.07 |
123 |
20.03 |
91 |
|
09.08 |
141 |
15.36 |
73 |
|
09.08 |
141 |
15.36 |
73 |
|
18.08 |
150 |
12.45 |
179 |
|
30.08 |
162 |
8.10 |
97 |
|
31.08 |
163 |
7.72 |
106 |
|
31.08 |
163 |
7.72 |
106 |
|
03.09 |
166 |
6.57 |
147 |
|
08.09 |
171 |
4.61 |
124 |
По датам возникновения каждого события были выписаны параметры время τс от зимнего солнцестояния (начиная с 2 марта каждого года), склонение δ оси Земли, число Вольфа V активности Солнца.
Методика анализа. Указанные три фактора взаимно влияют друг на друга. Методика факторного анализа дана в брошюре [3].
В табл. 1 взаимное влияние факторов проявляется в моменты лесных пожаров. Заповедник обеспечивал быстрое тушение, площадь выгорания была мала, а период каждого пожара составлял менее суток.
Склонение земной оси. Значение склонения δ претерпевает сезонные изменения [4]. Земля движется по эллиптической орбите вокруг Солнца (рис. 2), из-за наклона оси вращения угол склонения принимает значения от 23.45° до –23.45°. Он становится равным нулю два раза в год, в дни весеннего и осеннего равноденствия [5]. Каждая точка на Земле, в том числе и лесная территория национального парка «Марий Чодра», совершает суточное движение.
Рис. 2. Обращение Земли вокруг Солнца [5]
Поэтому ровно половину суток парк будет на освещенной части земного шара, а вторую половину – на затененной.
Формула склонения относительно плоскости вокруг Солнца имеет вид
(1)
Активность Солнца. На cайте [6] имеется массив данных dayssnv0.dat. Из него брали суточные значения числа Вольфа.
Солнечные пятна и группы солнечных пятен (рис. 3) являются наиболее заметными и относительно долгоживущими элементами активных областей на Солнце [7].
Рис. 3. Солнечные пятна [7]
Группа пятен может существовать от нескольких часов до нескольких месяцев. Ее развитие начинается с появления пор, из которых в дальнейшем возникают пятна. За несколько дней возрастают их площадь и магнитное поле. Группа вытянута параллельно экватору или под небольшим углом к нему. Ведущее пятно располагается ближе к экватору. Спустя 2–3 недели группа достигает максимума развития и начинает разрушаться.
Таким образом, солнечное пятно являются долговременным фактором, но в статье мы рассматриваем активность пятен только в день возникновения лесного пожара.
Результаты факторного анализа. Они приведены в табл. 2.
Таблица 2
Корреляционная матрица полного факторного анализа и рейтинг факторов 2002 г.
|
Влияющие факторы (параметры x) |
Зависимые факторы (показатели y) |
Сумма ΣR |
Место параметра |
||
|
τс |
δ |
V |
|||
|
Время τс от солнцестояния 21.03, сутки |
0,9998 |
1 |
0,9633 |
2,9631 |
1 |
|
Склонение δ оси Земли, град |
1 |
1,0000 |
0,9402 |
2,9402 |
2 |
|
Число Вольфа V активности Солнца |
0,9155 |
0,9356 |
0,9998 |
2,8509 |
3 |
|
Сумма коэффициентов корреляции ΣR |
2,9153 |
2,9356 |
2,9033 |
8,7542 |
– |
|
Место показателя |
2 |
1 |
3 |
– |
0,9727 |
Коэффициент функциональной связности (в более широком биотехническом смысле – коррелятивной вариации) трех факторов равен 8,7542/32 = 0,9727. Коррелятивная вариация (термин по Ч. Дарвину) очень высокая. Среди влияющих факторов первое место заняло время от зимнего солнцестояния. Второе место – склонение Земли, а на третье – число Вольфа. Среди зависимых факторов первым стало склонение Солнца, вторым – время от 21.03, а третьим активность Солнца. В итоге параметры Земли первичны.
Ранговые распределения. Они позволяют оценить добротность исходных данных по ряду рангового распределения значений каждого из учтенных факторов.
Время τс от весеннего солнцестояния до дат лесных пожаров 2002 г., после идентификации устойчивых законов (см. в Интернет «биотехнический закон») от ранга r = 0, 1, 2, 3, ...,, изменяется (рис. 4) с очень высоким коэффициентом 0,9998 корреляции:
(2)
Рис. 4. Ранговое распределение времени возникновения лесных пожаров в 2002 г. на НП «Марий Чодра» с началом отсчета от солнцестояния 21.03.2002
Склонение δ оси Земли к оси Солнцу определилась (рис. 5) так:
(3)
Рис. 5. График рангового распределения склонения оси Земли относительно Солнца по лесных пожаров 2002 г.
Суточное число Вольфа V активности Солнца (рис. 6) изменяется по формуле
(4)
Рис. 6. График рангового распределения числа Вольфа по дням возникновения лесных пожаров в 2002 г.
По данным [8] период вращения ядра Солнца равен 22,14 года, то есть двум циклам солнечной активности примерно в 11,07 лет. При этом солнечные пятна один оборот вокруг ядра Солнца совершают в среднем через 27,5 суток (24,5 суток на экваторе и 31,0 на полюсах нашего светила).
Бинарные отношения факторов. Без учета ранговых распределений получаем корреляционную матрицу (табл. 3) бинарных отношений между факторами.
Отношение δ = f(τс) дается функцией (1), а обратная формула получает вид
(5)
и показывает однозначное отношение τс = f(δ).
Тогда в табл. 3 остаются четыре биотехнические закономерности. Рассмотрим их по убыванию коэффициента корреляции.
Таблица 3
Матрица бинарных отношений
|
Влияющие факторы (параметры x) |
Показатели y |
||
|
τс |
δ |
V |
|
|
Время τс, сутки |
1 |
0,9633 |
|
|
Склонение δ, град |
1 |
0,9402 |
|
|
Число Вольфа V |
0,9155 |
0,9356 |
|
Динамика чисел Вольфа. На дату возникновения лесных пожаров в 2002 г. на конкретной точке территории Земли солнечная активность изменялась (рис. 7) по модели
(6)
Рис. 7. График динамики числа Вольфа активности Солнца по дням возникновения лесных пожаров в 2002 году на территории НП «Марий Чодра»
По остаткам от модели (6) были получены еще 9 волновых составляющих в виде вейвлет-сигналов. Высокая теснота связи показывает, что активность Солнца по количеству солнечных пятен вероятно определяет череду лесных пожаров в точке суши Земли.
Влияние склонения на числа Вольфа. Измерение солнечных пятен и расчет чисел Вольфа происходит с поверхности Земли.
При этом людям кажется, что Солнце движется вокруг Земли.
Такой же смысл имеет формула (рис. 8) закономерности
(7)
Рис. 8. График влияния склонения на число Вольфа активности Солнца по дням возникновения лесных пожаров в 2002 г. на НП «Марий Чодра»
По мере приближения угла склонения к 23,45° наблюдается сильное волнение в измеренных значениях активности Солнца. По остаткам от (7) наблюдается даже тремор.
Число Вольфа на склонение Земли. Размеры Солнца по сравнению с Землей огромны, на колебательное возмущение угла склонения Земли оказывает активность звезды (рис. 9).
Рис. 9. График влияния числа Вольфа на склонение оси Земли по датам лесных пожаров на НП «Марий Чодра»
Идентификацией устойчивых закономерностей получена формула
(8)
Анализ закономерностей по амплитудно-частотной характеристике не проводим.
Влияние числа Вольфа на сезон лесных пожаров. По сути (рис. 10) модель показывает характер возникновения лесных пожаров в рассматриваемой точке суши земного шара:
(9)
Рис. 10. График влияния числа Вольфа на продолжительность сезона возникновения лесных пожаров по данным 2002 г. на территории НП «Марий Чодра»
Тренд, или первая составляющая (9) по закону экспоненциального роста, показывает, что с увеличением активности Солнца время (период лесных пожаров) от весеннего солнцестояния нарастает.
По остаткам были получены три колебания (по данным в начале графика на рис. 10), поэтому ось абсцисс по значениям числа Вольфа можно условно разделить на три части:
а) в интервале чисел Вольфа солнечной активности V < 80 наблюдаются относительно меньшие возмущения по времени возникновения лесных пожаров;
б) наиболее опасен интервал числа Вольфа 80 ≤ V ≤ 170, но размах колебания во многом зависит от поведения людей;
в) при условии V > 170 колебания времени возникновения лесных пожаров затухают по амплитуде, но при этом сезон лесных пожаров значимо возрастает на срок более 180 суток и даже переходит в отрицательное склонение оси Земли к Солнцу после даты 21.09.
Выводы
Леса являются ядром биосферы Земли и поэтому в них пожары возникали давно, сотни миллионов лет назад. Поэтому леса за сотни миллионов лет эволюции адаптировались к медленно изменяющимся климатическим условиям, во многом зависящим от активности пятен на Солнца или от чисел Вольфа.
Все виды лесных деревьев живут по годичным циклам вращения Земли вокруг звезды. Их вегетационный период на северном полушарии Земли начинается после весеннего солнцестояния, то есть после 21 марта. С этого момента нарастает положительный угол склонения оси Земли относительно плоскости вращения Солнца и планет вокруг него. При этом начинает возрастать температура нагрева у лесных горючих материалов, а равновесная с воздушной средой влажность их снижается.
Диссонанс между температурой и влажностью из года в год нарастает из-за оголения лесных территорий рубками деревьев, а также долго заживающими крупными по площади ранами от прошлых лесных пожаров и рубки лесных деревьев. Лесные массивы ныне перестают формировать под собой менее пожароопасный микроклимат, тем самым перестают функционировать как климатический демпфер и даже не защищают себя.
Приведенные высокоадекватные биотехнические закономерности, с составляющими колебательного возмущения бинарных отношений между тремя факторами (время τc от зимнего солнцестояния с 21 марта каждого года, склонение δ оси Земли, число Вольфа V активности Солнца), позволяют выделить естественное влияние склонения и солнечной активности на динамику распределения лесных пожаров. После этого появляется возможность рассмотрения и статистического моделирования антропогенного влияния на динамику нарастания численности и общей площади лесных пожаров.