1) Центр экологической безопасности РАН, г. С.-Петербург;
2) СПб Университет, географический ф-т
Обзор проблематики лесных пожаров (имеющих главным образом
природное происхож-дение) содержит анализ не только условий
и масштабов лесных пожаров, но и их воздействий на окружающую
среду, проявляющихся как изменения свойств подстилающей поверхности
и процессов на уровне поверхности, а также изменений химического
состава атмосферы. Особое внимание уделено проблеме влияния
лесных пожаров на формирование круговорота углерода, а также
роли пожаров как фактора динамики окружающей среды.
Введение
Регулярно возникающие в различных регионах земного шара лесные
пожары привлекают к себе внимание как природные бедствия,
приносящие серьезный эконо-мический ущерб [1-52]. Проблема
стала еще более острой по мере возрастания масшта-бов сжигания
биомассы в низких широтах. Несомненно недооценивается, однако,
роль природно обусловленных лесных пожаров как фактора динамики
экосистем. Отмечен-ные обстоятельства побудили уже на ранней
стадии развития методов дистанционного зондирования окружающей
среды начать разработку сначала самолетных, а затем спутниковых
методик мониторинга лесных пожаров [5, 6]. Имея в виду, что
проблема-тика лесных пожаров достаточно детально обсуждалась
в недавних монографиях [3, 32], мы обсудили в этом обзоре
лишь результаты соответствующих новейших разрабо-ток.
Лесные пожары являются не только бедствием для населения,
но и важным фак-тором локальной, региональной и даже глобальной
экодинамики, что проявляется, на-пример, в обусловленных пожарами
выбросах в атмосферу парниковых газов и аэрозо-ля. Согласно
имеющимся оценкам, около 30 % тропосферного озона, окиси углерода
и углекислого газа, содержащихся в атмосфере, обусловлено
вкладом лесных пожаров. Связанные с лесными пожарами выбросы
аэрозоля в атмосферу могут оказывать суще-ственное влияние
на микрофизические и оптические характеристики облачного покро-ва
(и, следовательно, - на климат). Спутниковые наблюдения, относящиеся
к Индоне-зии, продемонстрировали, например, что наличие связанных
с продолжительными по-жарами дымов в атмосфере привело к подавлению
осадков, что способствовало даль-нейшему развитию пожаров.
В этом контексте Ji и Stocker [25] выполнили статистиче-скую
обработку данных спутника ТRММ для измерений осадков в тропиках,
а также данных аппаратуры ТОМS (спектрометра для картирования
общего содержания озона) об аэрозольном индексе (АИ) за период
с января 1998 г. по декабрь 2001 г. с целью анализа закономерностей
годового хода, внутрисезонной и межгодовой изменчивостью числа
лесных пожаров на суше в глобальных масштабах. В течение рассматриваемого
периода имел место очень четко выраженный годовой ход пожаров
в юго-восточной Азии с максимумом в марте, а в Африке, а также
в Северной и Южной Америке - в ав-густе. Анализ данных наблюдений
обнаружил также существование межгодовой из-менчивости лесных
пожаров в Индонезии и центральной Америке, коррелирующеи с
циклом Эль Ниньо/Южное колебание (ЭНЮК) в 1998-1999 гг.
Выявляется отчетливая корреляционная связь между изменчивостью
содержания аэрозоля в глобальной атмосфере и упомянутыми вариациями
частоты и интенсивности лесных пожаров. Исключение составляет,
однако, регион юго-западной Австралии, где интенсивные пожары,
зарегистрированные по данным ТRММ, не сопровождались формированием
слоев дыма (по данным ТОМS). Если исключить австралийский
реги-он, то коэффициент корреляции между числом пожаров и
АИ (по данным ТОМS), со-ставляет 0,55. Статистический анализ
данных путем расчета эмпирических ортогональ-ных функций (ЭОФ)
обнаружил наличие контраста между северным и южным полуша-риями,
а также существование межконтинентального переноса возникшего
в результате пожаров аэрозоля в Африке и Америке. Данные статистического
анализа указывают на присутствие 25-60-суточных внутрисезонных
вариаций, налагающихся на годовой ход числа пожаров и содержания
аэрозоля. Обнаружено сходство внутрисезонной изменчи-вости
числа пожаров и динамики осцилляции Джулиана-Маддена.
1. Малые газовые компоненты
В контексте исследований роли лесных пожаров как фактора
воздействия на ок-ружающую среду большое внимание уделялось
мониторингу выбросов в атмосферу различных химически и оптически
активных малых газовых компонентов (МГК) в про-цессе пожаров.
В 1998 г. произошло выгорание бореальных лесов на обширных
территориях России и Сев. Америки [26]. Согласно данныем официальной
статистики, пожары ох-ватили территорию площадью около 4,8
млн. га в бореальных лесах Сев. Америки (Ка-нада и США) и
2,1 млн. га в России (обработка данных спутниковых наблюдений
пока-зала, что масштабы пожаров в России могли быть гораздо
более значительными при пораженной пожарами территории в пределах
9,5-11,5 млн. га). Сгорание биомассы, происходящее в бореальных
лесах летом в условиях сухой погоды, обусловливает вы-бросы
в атмосферу больших количеств химически и оптически активных
малых газо-вых компонентов, оказывающих значительное (и специфическое)
влияние на химиче-ские процессы и перенос излучения в атмосфере.
Полученные ранее результаты показали, что глобальные выбросы
МГК при сжи-гании биомассы достигают 3800-4300 ТгС/год при
очень небольшом вкладе за счет по-жаров в бореальных лесах
(23 ТгС/год или 0,6 %). Однако оценки подобного вклада весьма
противоречивы. Так, например, для выбросов окиси углерода
за счет лесных пожаров в области широт больше 30° с.ш. были
получены значения, равные 50 ТгС/год (~6 % от глобальных выбросов)
и 121 ТгС/год. Оценки выбросов метана дали значение 0,9 ТгС/год
(~3 % по отношению к глобальным выбросам метана за счет сжигания
био-массы).
Kasischke и Bruhwiler [26] выполнили анализ данных наблюдений
обусловленных лесными пожарами в Сев. Америке и России в 1998
г. повреждений бореальных лесов в пяти различных регионах
для оценки выбросов в атмосферу углерода за счет СО2, СО и
СН4. С этой целью были рассмотрены различные категории и уровни
биомассы в рас-сматриваемых пяти регионах (включая болота
на Дальнем Востоке России и степи в Сибири) также, как различные
пропорции потребленного в процессе пожаров углерода. Заданы,
кроме того, два различных соотношения вкладов горения и тления.
Обусловленные пожарами в бореальных лесах в 1998 г. выбросы
МГК в атмо-сферу были оценены как составившие 290-383 Тг (общий
углерод), 828-1105 Тг (СО2), 88-128 Тг (СО) и 2,9-4,7 Тг (СН4).
Верхний предел указанных значений соответствует 8,9 % суммарных
глобальных выбросов углерода за счет сжигания биомассы; 13,8
% глобальных выбросов СО, обусловленных лесными пожарами,
и 12,4 % глобальных выбросов метана за счет пожаров. Вклад
лесных пожаров в России составил 78 % по отношению к суммарным
выбросам (29 % приходится на долю Сев. Америки). Приня-тие
различных предположений относительно соотношения между ролью
процессов го-рения и тления вызвало лишь небольшие изменения
в оценках выбросов (< 4 %), хотя в двух случаях эти изменения
оказались несколько более значительными (6 % и 12 %). Вклад
торфяных пожаров на Дальнем Востоке России в поступление углерода
в атмо-сферу осенью 1998 г. составлял до 40 Тг. Совместные
выбросы СО, обусловленные лесными и болотными пожарами, имеют
тот же уровень, что и аномально высокие вы-бросы, наблюдавшиеся
в Пойнт Барроу (Аляска). Специального внимания заслуживает
косвенное воздействие лесных пожаров на почвенное дыхание
в высоких широтах, где существуют богатые углеродом почвы
в зонах вечной мерзлоты. Обусловленное пожа-рами потепление
почвы должно усилить процессы дыхания и, тем самым, способство-вать
интенсификации выбросов СО2 в атмосферу на протяжении интервала
времени до 10 лет после пожара.
2. Статистические данные о лесных
пожарах.
Пожары были доминирующим фактором воздействия на канадские
леса, начиная с последнего ледникового периода. Для гигантских
канадских лесов пожары определя-ли процессы, которые имели
критически важное значение для самого существования таких
видов первичной лесной растительности как сосна, ель и осина
и являлись важ-ным фактором разнообразия лесных ландшафтов,
оказывая влияние на энергообмен и биогеохимические круговороты.
Физиогномия канадских лесов тесно связана с режи-мом пожаров
и требует существования периодических мощных пожаров, обусловли-вающих
замену древостоя. Режим лесных пожаров определяется их повторяемостью,
масштабами, интенсивностью, сезонностью, типом. Частота пожаров
в канадских лесах влияет на динамику режима жизненных циклов
леса. Масштабы пожаров определяют пространственную неоднородность
("пятнистость") древостоя, а также влияют на ве-личину
эффективных расстояний регенерации. Очень изменчивая (в зависимости
от типов и массы древесины, топографии и метеорологических
условий) интенсивность пожаров характеризует выделяемую в
ходе пожаров энергию. Время года, когда проис-ходит пожар,
является ключевым фактором послепожарной сукцессионной эволюции,
воздействуя на интенсивность пожара, на послепожарную структуру
экосистем и ландшафтов. Тип пожара характеризуется участием
в горении различных компонентов древостоя и подстилки, а также
зависит от метеорологических условий. Мерой интен-сивности
пожара служит степень потребления древесины и органики поверхностного
слоя почвы в ходе пожара.
Stocks и др. [44] обсудили результаты разработки с целью документирования
данных о лесных пожарах, имея в виду обоснование большой базы
данных о пожарах (LFDB), которая должна включать информацию
о местоположении и масштабах пожа-ра, его причинах и усилиях
по подавлению пожара с учетом всех пожаров на площадях более
200 га в Канаде за период 1959-1997 гг. База данных LFDB включает
только 3,1 % всех лесных пожаров, возникавших в Канаде за
указанный период. Что касается ос-тальных 96,9 % пожаров,
то они были подавлены, будучи в размерах меньше 200 га. Подобные
пожары охватывают, однако, около 97 % площади лесов, подвергшихся
по-жарам, и представляют большой интерес с точки зрения анализа
воздействия лесных пожаров на экосистемы.
Связанное с лесными пожарами возгорание происходит в Канаде
ежегодно на площади около 2 млн. га, но иногда она достигает
7 млн. га. Экозоны тайги и бореаль-ных регионов испытали наиболее
значительное воздействие лесных пожаров: ежегодно происходило
выгорание примерно 0,7 % залесенной территории. В условиях
северной Канады доминирующей причиной пожаров были молниевые
разряды, ответственные за 80 % пожаров, учитываемых в LFDB.
Хотя число больших пожаров сравнительно неве-лико, они вносят
существенный вклад в выгорание леса, особенно в условиях тайги
и бореальных регионов. Сезон лесных пожаров в Канаде охватывает
период с апреля по август при наиболее значительном поражении
лесов, обусловленном молниями в се-верной Канаде, в июне и
июле. Около 50 % территории в Канаде, подвергшейся пожа-рам,
не были документированы в удовлетворительной степени из-за
их удаленности. Ваза данных LFDB обновляется поэтому ежегодно
и пополняется ретроспективными данными для оценки долговременных
трендов.
Глобальное потепление климата привлекло внимание к возможному
изменению режима молний на земном шаре как фактора пожароопасности.
Согласно имевшимся ранее данным, в любой момент на Земле существует,
в среднем, 1800 гроз, каждая из которых сопровождается 200
молниевыми вспышками в час (или 3,3 вспышки/мин.). Средняя
глобальная частота вспышек составляет 100 вспышек/с (обработка
данных различных спутниковых наблюдений привела к оценкам
в пределах 22-65 вспышек/с).
Christian и др. [14] обсудили результаты наблюдений молниевых
вспышек, кото-рые были сделаны при помощи малоинерционного
оптического датчика (ОТД) , уста-новленного на спутнике Мicrolab-1
(выведен в апреле 1995 г. на орбиту с углом накло-на 70°).
В течение года рассматриваемые спутниковые наблюдения позволяют
распола-гать данными для каждой точки большей части земного
шара более, чем 400 раз, при продолжительности каждого наблюдения,
равной 2 мин. Аппаратура ОТД обеспечивает получение информации
о молниевых вспышках в пределах поля зрения 1300 1300 км2
как днем, так и ночью.
Статистическая обработка данных показала, что ежегодно на
Земле возникает около 1,4 млрд. вспышек, что соответствует
44 ± 5 молниевым вспышкам/с (как внут-риоблачным, так и между
облаками и земной поверхностью). Таким образом, новые оценки
дали значение, которое существенно 'ниже предложенного ранее
(100 вспы-шек/с). Использование данных ОТД позволило построить
глобальные карты частоты молниевых разрядов в разное время
года. Анализ этих карт показал, что молнии возни-кают преимущественно
над сушей, а среднее соотношение между их числом над сушей
и над океаном составляет примерно 10:1. На долю полосы широт
30° с.ш. - 70° ю.ш. приходится около 78 % молний. Наиболее
интенсивен круглогодичный режим молние-вых разрядов в бассейне
р. Конго, где средняя частота вспышек достигает (в Руанде)
80 вспышек/км2 год, что соответствует условиям центральной
части штата Флорида (США). Круглогодичный интенсивный режим
молниевых вспышек характерен для се-верной части Атлантического
океана, и западного региона Тихого океана, где возникает неустойчивая
атмосфера под воздействием адвекции холодного воздуха над
теплой по-верхностью океана. Менее часто случаются молнии
в восточной части тропиков тихого океана и в Индийском океане,
где атмосфера является более теплой. Максимум частоты молний
в северном полушарии приходится на .дето, тогда как в тропиках
имеет место полугодовой цикл молний.
3. Лесные пожары на Аляске
Очень содержательная программа исследований лесных пожаров
и их роли в ди-намике экосистем была выполнена в регионе Аляски.
Реакция бореальных экосистем на возможное в будущем потепление
климата су-щественно определяется зависимостью динамики лесных
пожаров и растительного по-крова от климатических условий.
Частота пожаров является важным фактором, опреде-ляющим эволюцию
высокоширотных лесов на уровне экосистем. Анализ данных ме-теорологических
наблюдений выявил наличие отчетливой связи между условиями
по-годы (например, - температурой воздуха и осадками), частотой
и интенсивностью лес-ных пожаров. Следствием современного
глобального потепления климата было усиле-ние интенсивности
и продолжительности пожаров.
С целью ретроспективного исследования пространственно-временн?й
изменчи-вости пожаров в бореальных лесах на полуострове Кенаи
и в центральном регионе Аляски выполнен анализ образцов древесного
угля и пыльцы для оценки условий лес-ных пожаров [36]. Этот
анализ показал, что за последние 1000 лет аккумуляция древес-ного
угля в обоих рассмотренных регионах была небольшой при несколько
более вы-соком уровне в центре Аляски, чем на полуострове
Кенаи. Исключением оказался, од-нако, период постевропейских
поселений на п-ве Кенаи, где произошло возрастание аккумуляции
угля в 10 раз, что отображает вероятное увеличение числа пожаров
ан-тропогенного происхождения.
Данные за период голоцена о древесном угле и пыльце, относящиеся
к оз. Дьюн (центральный регион Аляски), указывают на низкую
повторяемость пожаров в период 9000-5500 гг. (до настоящего
времени - ДНВ) в случае сообществ березы - белой ели - ольхи
(Betula - Рiceа glauca - Аlnus) , но высокую повторяемость
для черной ели (Рicеа mariana) после того, как она стала доминировать
позднее 5500 г. ДНВ. По-видимому, усиление пожаров произошло
в результате перехода к менее устойчивым к возгоранию лесам
из черной ели. За последние 5500 лет имели место два четко
различающихся ре-жима лесных пожарив. Период 500-2400 гг.
ДНВ характеризовался частыми пожарами при интервале возвращения
пожаров, равном 98 годам. Гораздо меньшее число пожа-ров (при
времени возвращения, составляющем 198 лет) было типично для
периода позднее 2200 г. ДНВ. К числу важных факторов природно
обусловленной динамики лесных пожаров принадлежали аккумуляция
древесной массы, структура и видовой состав древостоя.
Почвы бореальных лесных экосистем принадлежат к числу экосистем,
обладаю-щих наиболее высокой плотностью углерода и содержат
около одной четверти - одной трети всего почвенного углерода
(200-7500 ГтС). В течение последних 15000 лет нали-чие низкой
температуры зимой, годового дефицита влаги и постоянно замерзших
почв ограничивало скорость разложения органики, что обусловило
накопление органическо-го вещества на подстилающей поверхности
лесов. В центральной (внутренней) части Аляски наиболее высокая
скорость накопления углерода связана с древостоем черной ели,
характерными особенностями которой является низкая продуктивность
и замед-ленная скорость круговоротов биогенов. Сочетание низкой
температуры, насыщенных влагой поверхностных горизонтов почвы
и низкое качество подстилки приводит к ог-раничению разложения
органического вещества, содержащегося в подстилке и мхе, что
определяет интенсивное накопление углерода и биогенов в слоях
органики. Скорость запасания углерода в зрелой черной ели
бореальных лесов Канады постигает 0,1-0,3 млн. гС/га год.
Северные почвы в лесах и болотах могут функционировать как
сток углерода по-рядка 0,70 ГтС/год. В случае северных ландшафтов
на уровне экосистем одним из главных факторов, регулирующих
запасание и выбросы углерода являются лесные по-жары. В дополнение
к непосредственным выбросам углерода в ходе сгорания послепо-жарные
изменения температуры и влажности почвы, а также химических
процессов являются потенциальными факторами ускорения разложения
органики в послепожар-ный период, в результате чего возникают
выбросы большого количества запасенного углерода в атмосферу.
Поскольку немедленного сбалансирования подобных потерь по-средством
усвоения углерода при образовании первичной продукции не происходит,
возросшая скорость разложения обусловливает потерю углерода
экосистемами в тече-ние первого года после пожара. Однако
на протяжении более длительных интервалов времени мобилизация
почвенных биогенов за счет таяния вечной мерзлоты, осаждения
пепла, а также изменений теплового и водного режимов почвы
может обеспечить более благоприятные условия роста растений,
возрастание суммарной первичной продукции (NРР) и поступление
углерода к почве.
В конечном счете экологическое значение потерь углерода в
процессах горения и послепожарного разложения органики зависит
от масштабов времени, в течение кото-рого сообщества растительности
восстанавливаются после разрушения. Спустя годы и десятилетия
после пожара происходит сбалансирование потерь и поступления
углеро-да. На протяжении тысячелетий северные почвы достигают
состояния динамического равновесия по отношению к воздействиям
лесных пожаров.
На основе рассмотрения 140-летней последовательности эволюции
подвергавше-гося воздействию пожаров древостоя черной ели
O'Neill и др. [39] получили оценки времени, в течение которого
функционирует возмущающее воздействие. В зависимости от возраста
древостоя поток СО2 в атмосферу возрастал со средней скоростью
от 0,12 млн. гС/га до максимального значения 22 млн. гС/год.
За тоже время в горизонтах ор-ганической почвы происходило
запасание углерода и азота со скоростью в пределах 0,28-0,54
млн. гС/га год и 0,0076 млн. гN/га год. Модельное рассмотрение
баланса массы показало, что послепожарные изменения дыхания
за счет корней и микробов оп-ределяют функционирование почв
как источника углерода в течение 7-15 лет после пожаров при
уровнях выбросов в атмосферу от 1,8 до 11,0 млн. гС/га (это
составляет 12,4-12,6 % суммарного количества органического
вещества почвы). Эти оценки опре-деляют значения потерь углерода
того же порядка величины, что и в период сгорания и свидетельствуют
о том, что существующие модели могут занижать влияние лесных
пожаров на выбросы углерода примерно в два раза.
Высокоширотные экосистемы занимают 22 % поверхности суши и
содержат око-ло 40 % глобального почвенного углерода, содержание
которого должно быть чувстви-тельным к изменениям климата.
Среди всех биомов Земли самым крупным резервуа-ром углерода
являются бореальные леса, б?льшую часть которых "подстилает"
вечная мерзлота, динамика которой определяется циклами деградации
(образования термокар-ста) и аградации. Эти циклы находятся
в тесной связи с лесными пожарами, которые представляют собой
главное возмущающее воздействие для бореальных лесов. Обу-словленное
пожарами таяние вечной мерзлоты приводит к существенным изменениям
режима температуры и влажности почвы и, соответственно, -
к изменениям почвенного резервуара углерода в экосистемах
бореальных лесов.
В течение 1960-х гг. воздействие пожаров на бореальные леса
было более значи-тельным, чем ранее. За последние 20 лет площадь
выгоревших бореальных лесов на севере Канады возросла примерно
в два раза. Одновременно произошло повышение температуры подстилающей
поверхности в бореальных и арктических регионах Аляски за
прошедшее столетие в пределах 2°-4°С (в том числе - на 1°-2°С
за последние десяти-летия). Потепление климата, происшедшее
на Аляске за последние десятилетия, явля-ется составной частью
потепления, наблюдавшегося на всем северо-западе Сев. Амери-ки.
В настоящее время на Аляске имеет место также прогревание
вечной мерзлоты.
Некоторые данные указывают на то, что причиной тренда потепления
климата в Сев. Америке могли быть природно обусловленные лесные
пожары, хотя существует, конечно, и обратная зависимость режима
лесных пожаров от климатических условий. Оценки показали,
что глобальное потепление климата, которое может возникнуть
при удвоении концентрации СО2 способно привести к возрастанию
площади выгоревших бореальных лесов на 40 %. В свою очередь
изменение режима пожаров в бореальных лесах влияет на формирование
глобального круговорота углерода, изменяя пространст-венную
структуру и режим функционирования бореальных экосистем. Для
оценки влияния обусловленных лесными пожарами возмущающих
воздействий на круговорот углерода необходимо использование
крупномасштабных моделей биосферы суши с учетом процессов,
определяющих режим температуры и влажности почвы, а также
гидрологическую и биогеохимическую динамику экосистем бореальных
лесов.
Zhuang и др. [52] описали и применили подобную модель, способную
воспроиз-водить упомянутые и другие процессы с целью анализа
зависимости бюджетов углеро-да бореальных лесов от изменений
концентрации СО2 в атмосфере, характеристик кли-мата и лесных
пожаров. Способность модели адекватно воспроизводить главные
зако-номерности формирования первичной продукции и дыхание
экосистем была проверена путем сравнения с данными наблюдений
для экосистемы зрелой черной ели в Канаде, а рассчитанное
изменение со временем содержания углерода в растительности
- с дан-ными инвентаризации роста лесов из черной ели на Аляске.
Рассматриваемая модель использована для воспроизведения послепожарной
по-следовательности изменения окружающей среды со временем
в центральной части Аляски. Сравнение с результатами измерений
температуры показало, что модель адек-ватно воспроизводит
среднемесячную температуру почвы на глубине 10 см в течение
всего сезона вегетации (с мая до октября) 1997 г. (коэффициент
корреляции R > 0,93) как на контрольном, так и поврежденном
пожаром участках. Высокая корреляция (R = 0,84 и 0,74 для
контрольного и поврежденного участков, соответственно) имеет
место и в случае данных о дыхании почвы. Хорошо коррелируют
рассчитанные изменения со временем температуры и содержания
углерода в почве в масштабах времени от десяти-летия до столетия
(коэффициент корреляции R = 0,93 и 0,71 для температуры почвы
на глубине 20 см и 100 см; R = 0,95 и 0,91 для дыхания почвы
и содержания углерода, со-ответственно). Численное моделирование
показало, что заметное влияние на чувстви-тельность динамики
углерода к возмущающим воздействиям оказывают и некоторые
другие факторы, кроме упомянутых. К числу подобных факторов
принадлежит фикса-ция азота, рост мха, изменения глубины слоя
органики, дренаж почвы и интенсивность лесных пожаров.
На долю бореальных лесов приходится около одной трети углерода
всех конти-нентальных экосистем. При этом высокоширотные экосистемы
особенно чувствитель-ны к изменениям климата, которые могут
быть обусловлены вариациями огромных ре-зервуаров углерода,
заключенных в почвах северных широт, важная особенность кото-рых
состоит в наличии вечной мерзлоты. Северные бореальные леса,
составляющие около 35 % всех лесов земного шара, содержат
примерно 66 % глобального резервуара почвенного углерода.
Поскольку бореальные леса поглощают углекислый газ, находя-щийся
в атмосфере и характеризуются медленным разложением подложки,
они функ-ционируют как стоки углерода. Главным возмущающим
воздействием для бореальных лесов являются пожары, возникновение
которых существенно зависит от условий кли-мата. Поэтому изменения
климата влекут за собой изменения режима лесных пожаров.
В условиях пожаров в атмосферу выбрасывается значительное
количество СО2 и других малых газовых компонентов (МГК), включая
парниковые газы (ПГ). Таким об-разом, регионы лесных пожаров
оказываются источниками углерода. С целью анализа влияния
лесных пожаров на выбросы и резервуары ПГ на территории исследователь-ской
станции Caribou-Poker Creek Research (СРСRW), расположенной
в центральной части Аляски, в течение летних сезонов 1998,
1999 и 2000 гг. были выполнены измере-ния потоков СО2, СН4
и N2O до и после лесных пожаров. На типичном участке боре-алъного
леса осуществлены специальные эксперименты по горению леса
в рамках про-граммы FROSTFIRE в период 2-15 июля 1999 г. Анализ
полученных результатов пока-зал, что следствием лесных пожаров
было уменьшение выбросов СО2 и N2O почвами, достигавшее 50
% [27]. Поток СН4, напротив, возрастал в пределах 7-142 %,
что ото-бражало ту роль, которую лесные пожары играют в ускорении
таяния замерзшей почвы и в последующем выбросе метана вечной
мерзлотой. После пожара в почве происходи-ло окисление большей
части СН4, но некоторая часть СН4 выбрасывалась почвой в ат-мосферу,
когда происходило максимальное таяние вечной мерзлоты в августе
1999 г. и в сентябре 2000 г.
Высокой экспоненциальной корреляцией характеризуется соотношение
между потоками МГК и температурой почвы до и после пожара,
что свидетельствует о важной роли температуры почвы как фактора,
определяющего потоки МГК от почв бореальных лесов. Помимо
этого, повышение температуры почвы после пожара может обусловли-вать
усиление диффузии CO2, СН4 и N2О между лесными почвами и атмосферой
за счет интенсификации микробной активности, а также возрастание
потоков МГК в почвах на участках сгоревшей черной ели.
Для оценки влияния подстилки из мха и лишайника на древостой
черной ели Kim и Tanaka [27] сделали измерения их суммарного
дыхания в лабораторной камере при наличии и без освещения.
Измеренное суммарное дыхание для условий после пожара составляет
42-58 % по отношению к дыханию до пожара. Поэтому обусловленное
мхом и лишайником суммарное дыхание ответственно за примерно
половину суммарных выбросов СО2 почвами. Максимальный уровень
потока углерода за счет дыхания, обу-словленного покровом
мха и лишайника на поверхности в еловом лесу центральной Аляски,
достигал 0,018 ± 0,009 ГтС/год, т.е. был существенным источником
СО2 для атмосферы в бореальиих лесах. Дыхание почвы после
искусственного пожара можно объяснить только вкладом за счет
корней и микробов. Оценки микробного дыхания по-сле пожара
привели к значениям, которые почти в три раза превосходят
рассчитанные для условий до пожара. Подобный результат свидетельствует
о том, что послепожар-ные условия могут стимулировать микробное
дыхание за счет более высокой концен-трации биогенов и субстрата
в остающихся почвах, а также в результате повышения температуры
почвы. Величина микробного дыхания на участках сгоревшей черной
ели может быть оценена как равная 14,7 тонн С/га на протяжении
10 лет после пожара. Это указывает на то, что микробное дыхание
на участках сгоревшего елового леса в цен-тральной части Аляски
является главным источником поступления СО2 из почвы в ат-мосферу.
Бореальные леса представляют собой второй по важности биом
на Земле, что оп-ределяет их ключевую роль в формировании
динамики глобальной окружающей среды, в том числе - климата.
На основе численного моделирования ранее было проанализиро-вано
воздействие на климат изменений протяженности бореальных лесов,
обусловлен-ных потеплением климата в высоких широтах, но не
уделялось внимания изменениям пространственной структуры энергообмена
в экосистемах бореальных лесов. Как пока-зали многие разработки,
потепление климата ведет к повышению вероятности лесных пожаров.
В этой связи не были, однако, изучены климатические последствия
обуслов-ленных пожарами изменений характеристик поверхности
суши. Между тем, пожары порождают изменения различных характеристик
экосистем, которые могут оказывать, существенное влияние на
энергообмен между подстилающей поверхностью и атмосфе-рой.
Происходит, например, спад альбедо поверхности, а потеря растительности
ведет к уменьшению эвапотранспирации. Оба эти изменения обусловливают
возрастание температуры поверхности и потока явного тепла
(турбулентного теплообмена). Следст-вием потери деревьев оказывается
уменьшение шероховатости подстилающей поверх-ности, а результатом
повышения температуры - рост теплового излучения поверхности.
В связи с отмеченными обстоятельствами Chambers и Chapin [12]
осуществили градиентные микрометеорологические наблюдения
(при помощи установленной на мачтах аппаратуры) летом, при
отсутствии осадков, на шести участках выгоревшего леса (черной
ели), где с момента пожара прошло от 0 до 14 лет. Обработка
подученных результатов показала, что в результате пожара происходило
первоначальное уменьше-ние минимального альбедо с 0,09 до
0,06, вслед за которым наступал быстрый рост альбедо до 0,135,
обусловленный сукцессионным развитием растительности. В услови-ях
ясного неба, в околополуденные часы совместное влияние повышения
температуры подстилающей поверхности и изменения структуры
древостоя обусловливает умень-шение радиационного баланса
поверхности примерно на 9,3 % (около 70 Вт/м2) в тече-ние
первых 10 лет после начала сукцессии. Спад среднесуточного
радиационного ба-ланса составлял 5,5 %. В околополуденное
время поток тепла в почву удваивался по сравнению с измеренным
на соседнем неповрежденном пожаром участке леса, хотя среднесуточное
возрастание было существенным только в течение первых нескольких
лет после пожара.
Вызванное лесным пожаром уменьшение радиационного баланса,
усиление по-ступления тепла в почву и снижение отношения Боуэна,
происходившие в течение пер-вого десятилетия сукцессии, могли
порождать спад турбулентного потока тепла в пол-день до 80
Вт/м2 по сравнению с условиями неповрежденного древостоя.
Контраст в потоках явного тепла и шероховатости на границах
неповрежденного и пострадавшего от пожара леса мог индуцировать
связанную с этим мезомасштабную циркуляцию и вызывать усиление
конвекции. Поскольку размеры площади выгоревшего леса часто
превосходят 104 га, следствием пожаров может быть локальное
изменение климата. Учитывая многочисленность лесных пожаров
в центральной части Аляски, не исклю-чено и воздействие пожаров
на климат в региональных масштабах.
4. Лесные пожары и круговорот углерода
Грубые лесные остатки (СWD) являются обращающей на себя внимание
и важ-ной характеристикой всех лесных экосистем - от бореальных
до тропических. СWD оказывают влияние на круговороты биогенов,
образование гумуса, запасание углерода, частоту возникновения
лесных пожаров, круговорот воды и составляют среду обитания
для гетеротрофных и автотрофных организмов. Обычно наличие
мертвых деревьев и СWD не учитывается при определении бюджетов
углерода, хотя за последнее время привлекла внимание важность
этих резервуаров углерода как бореальных запасов угле-рода.
Bond-Lamberty и др. [11] выполнили исследование распределения
и динамики дыхания древесных остатков (WD) в условиях хронологической
последовательности при пожарах в бореальном лесу, состоящем
преимущественно из черной ели, в север-ной части провинции
Манитоба (Канада). Рассматриваемая хронологическая последо-вательность
включала семь древостоев, подвергавшихся пожару в период с
1870 г. по 1998 г. Каждый из древостоев включал отдельные
хорошо и плохо дренированные уча-стки. Целями обсуждаемой
разработки были: 1) количественное описание распределе-ния
WD (с учетом диаметра остатков деревьев и класса распада);
2) прослеживание эволюции выбросов СО2 отдельными WD и численное
моделирование влияния влажно-сти, размеров и уровня распада
остатков деревьев на дыхание; 3) оценки годового ды-хания
WD и расчеты постоянной распада для каждого из рассмотренных
участков.
Биомасса грубых древесных остатков варьировала от 1,4 до 177,6
Мг/га, как пра-вило, убывая по мере увеличения возраста. Более
сильно распавшиеся WD характери-зовались значительно более
высокой влажностью, более низкой плотностью и более высокой
скоростью дыхания, чем менее распавшиеся WD. Уровень влажности
и кате-гория распада могли служить существенными предикторами
дыхания при влажности меньше 43 %. При более высокой влажности
она переставала быть существенной, но приобретал важное значение
дренаж почвы древостоя: на более сухих участках проис-ходило
возрастание дыхания за счет WD. Учет года пожара не играл
важной роли для оценок дыхания. Рассчитанные значения годовых
выбросов углерода в зависимости от WD изменялись в пределах
0,11-1,92 МгС/га год. Значения вычисленной годовой ско-рости
распада k изменялись в условиях рассматриваемой хронологической
последова-тельности от 0,01 до 0,06. Это означает, что отдельная
экспоненциальная модель распа-да не является приемлемой для
всего массива рассматриваемых данных. Прямые расче-ты k по
данным измерений дыхания древесины могут быть полезными при
анализе межгодовой изменчивости значений k.
Главный вывод состоит в том, что древесные остатки являются
существенным резервуаром углерода и источником потока СО2
для различных ландшафтов (следова-тельно, - как фактор годовых
выбросов углерода), а скорость распада остатков зависит от
дренажа грунта и от времени. Модели экосистем и бюджета углерода,
в которых не учитывается наличие древесных остатков, характеризуются
игнорированием сущест-венного компонента потоков углерода,
особенно в таких регионах как бореальные леса, где пожары
являются регулярными.
Оценки воздействий изменения климата на связанный с динамикой
экосистемы годовой куммулятивный суммарный обмен углекислым
газом (NЕЕ) в северном полу-шарии привели к значениям порядка
1 ГтС (гигатонны углерода) или более. Согласно Третьему Отчету
МГЭИК (Межправительственной группы экспертов по проблеме из-менений
климата), антропогенно обусловленное повышение температуры
воздуха в бореальных лесах должно быть сильнее зимой, чем
летом. Отсюда следует, что измене-ние климата окажет противоречивое
влияние на NЕЕ в бореальной зоне, проявляясь, с одной стороны,
в возрастании продолжительности вегетационного сезона и, следова-тельно,
- в усилении куммулятивного фотосинтеза, а, с другой стороны
(и, возможно, что это более существенно), - в смягчении зим
и усилении почвенного дыхания. По-следнее особенно важно,
поскольку в бореальной зоне около 84 % запасов углерода сосредоточено
в органическом веществе почв.
В связи с этим большую актуальность приобретают комплексные
исследования влияния фотосинтеза и дыхания на углеродный бюджет
экосистем, а также обуслов-ленной динамикой климата сезонности
и межгодовой изменчивости NЕЕ в бореальных лесах. Многие бореальные
экосистемы являются источниками углерода зимой и стока-ми
летом (в период вегетационного сезона). Suni и др. [45] выполнили
исследование межгодовой изменчивости куммулятивного обмена
СО2 для экосистем в зависимости от вариаций климата на примере
пяти вегетационных сезонов. Прямые (флуктуацион-ные) измерения
потока СО2 производились в период с апреля 1996 г. по апрель
2001 г. в сосновом лесу (Scots pine) на юге Финляндии. Наиболее
репрезентативным индикато-ром начала сезона роста экосистемы
оказалась температура воздуха, а окончания сезо-на вегетации
- продолжительность светового дня. Анализ результатов наблюдений
по-казал, что лес служит стоком углерода при наличии лишь
слабой межгодовой изменчи-вости. Уровень усвоения углерода
в течение четырех сезонов вегетации изменялся на 80 гС/м2,
варьируя от 230 до 310 гС/м2. Оценки выбросов углерода зимой
привели к значениям от 60 до 90 гС/м2. Межгодовая изменчивость
сезонного обмена углеродом (весна, лето, осень) составляла
от 30 гС/м2 осенью и весной и до 80 гС/м2 летом. Учет вариаций
метеорологических параметров позволил лишь частично объяснить
изменчи-вость куммулятивных значений NЕЕ для различного времени
года и для сезона вегета-ции. Значительный вклад как дневных,
так и ночных потоков СO2 в формирование об-мена углеродом
отображает значимое воздействие на формирование NЕЕ как фотосин-теза,
так и дыхания. Полученные результаты свидетельствуют, в целом,
о сложности взаимосвязи между климатом и NЕЕ.
Предполагается, что бореальные леса являются регионом стока
углерода. Однако следствием характерных для них пожаров может
оказаться трансформация бореальных лесов в источники С за
счет прямых выбросов С при сгорании биомассы и косвенных воздействий
пожаров на тепловой и водный режим, а также на структуру и
функциони-рование экосистем. За последние несколько десятилетий
частота пожаров в бореальных лесах возросла и может еще более
увеличиться в условиях продолжающегося глобаль-ного потепления
климата. Это должно привести к сокращению времени восстановления
экосистем в периоды между пожарами, а также к усилению выбросов
в атмосферу пар-никовых газов. Поток СО2 от поверхности грунта
(Rs) является вторым по важности потоком углерода в бореальных
лесах, что определяет его роль в формировании гло-бального
круговорота углерода. Величина Rs изменяется под влиянием
различных про-цессов: 1) возникновение пожаров приводит к
частичной ликвидации растительного покрова и к понижению альбедо
поверхности почвы (последнее обусловливает повы-шение температуры
поверхности и усиление скорости разложения остатков раститель-ности);
2) пожар прерывает процесс накопления органического вещества
почвы и изме-няет баланс между поступлением детрита и гетеротрофным
дыханием (в результате поступления большого количества детрита);
3) пожар порождает изменения сукцессии растительности и состава
ее видов, а также качества подстилки.
С целью лучшего понимания воздействия лесных пожаров на круговорот
углеро-да в бореальных лесах Wang и др. [47] выполнили измерения
и численное моделирова-ние Rs для черной ели (Picea mariana)
на примере послепожарной хронологической по-следовательности
для серии семи лесных пожаров на севере провинции Манитоба
(Ка-нада) в условиях хорошего и плохого дренажа грунта. Задачи
исследований состоял в том, чтобы: 1) количественно охарактеризовать
зависимость Rs от температуры почвы для лесов различного возраста;
2) изучить послепожарную сукцессионную динамику древостоев;
3) оценить годовой поток СO2 от поверхности почвы. Поток СО2
сильно зависел от условий дренажа и возраста древостоя. Имела
место положительная корре-ляция потока СО2 с температурой
почвы (Rs = 0,78), причем результаты численного мо-делирования
потока сильно различались в зависимости от сочетания уровня
дренажа и возраста древостоя.
В период сезона вегетации поток СO2 от хорошо дренированного
грунта был зна-чительно больше, чем от плохо дренированного
грунта. Средние годовые значения по-тока СO2 от почвы в различные
годы составили: 226 (1998 г.); 412 (1995 г.); 357 (1989 г.);
413 (1981 г.); 350 (1964 г.); 274 (1930 г.) и 244 гС/м2 год
(1870 г.) в условиях хоро-шо дренированных грунтов и, соответственно,
- 146, 380, 300, 303, 256, 233 и 264гС/м2 год в случае плохо
дренированных грунтов. В зимнее время года (с 1 ноября до
30 ап-реля) значения потока СO2 варьировали в пределах 5-19
% по отношению к годовому потоку. По-видимому, уменьшение
потока на участках, недавно подвергшихся пожару, было обусловлено
главным образом уменьшением уровня дыхания за счет корней
де-ревьев. На протяжении всей рассмотренной хронологической
последовательности по-жаров произошли изменения потока СO2
от почвы примерно в два раза при достижении максимальных значений
до смыкания зон деревьев, когда почва была наиболее теплой
и происходило накопление как надземной, так и подповерхностной
биомассы. Наблю-даемый спад потока СО2 в случае более старых
древостоев можно объяснить более низ-кой температурой почвы,
что обусловлено накоплением теплоизолирующего органиче-ского
вещества и другими факторами.
Бореальные леса занимают территорию площадью около 14 млн.
км2 в циркумпо-лярной полосе широт 50°-70° с.ш., что составляет
примерно 10 % всей глобальной по-верхности суши. Эти леса
содержат непропорционально большое количество почвен-ного
углерода, благодаря климатическим условиям, которые неблагоприятны
для про-цессов разложения органики. Среднегодовая температура
в бореальных лесах близка к 0 °С при слабом дренаже почвы,
обусловленном доминированием низменностей. Ха-рактерными особенностями
рассматриваемой полосы широт являются широко распро-страненная
вечная мерзлота и изолированность глубоких почвенных горизонтов
от летнего прогревания, обусловленная наличием мхов и тонких
корней ("мелкого" угле-рода), которые сгорают при
лесных пожарах, но восстанавливаются в последующие десятилетия.
Подобная теплоизоляция способствует сохранению вечной мерзлоты,
что осложняет дренаж грунта и замедляет процессы разложения
органического вещества, запасенного в глубоких слоях грунта
под слоем мха. Измеренная в июле и августе 1996 г. интенсификация
дыхания за счет глубоких слоев достигала примерно 10 кгС/га
су-тки. Подобное усиление дыхания коррелировало с повышением
температуры глубоких слоев. Таким образом, органическое вещество
глубоких слоев грунта характеризуется лабильностью при связанной
с низкой температурой малой скорости разложения.
В связи с отмеченными обстоятельствами Hirsch и др. [23] проанализировали
полученную на сети автоматизированных измерений информацию
об изотопном соста-ве продуктов дыхания почвы. Полученные
результаты подтверждают предположение о том, что обусловленное
глубокими слоями грунта дыхание на участке леса из черной
ели, использованном в рамках программы ВОRЕАS, чувствительно
к процессу таяния почвы и б?лыпая часть потока СО2 связана
с разложением старого органического веще-ства, но не просто
с дыханием корней. В течение лета 1999 г. дыхание глубоких
слоев грунта характеризовалось линейной зависимостью от температуры
на глубине 50 см при наклоне, равном 0,2 кгС/га сутки °С.
Позднее доминирующее влияние на дыха-ние оказывало разложение
старого органического вещества грунта, образовавшегося из
атмосферного СО2 столетия тому назад.
Надежные измерения обмена СО2 между различными экосистемами
суши и атмо-сферой сохраняют высокий уровень приоритетности,
ввиду большого внимания к СО2 как к парниковому газу в контексте
проблемы "глобального потепления". Главное внимание
уделяется в связи с этим анализу возможностей замыкания глобального
ба-ланса углерода и оценкам роли антропогенных выбросов СО2
в формировании биогео-химических круговоротов. Подобные разработки
ведутся, в частности, в рамках таких международных программ
как АmeriFlux (Сев .Америка), СаrboEurope и FLUXNET, причем
главную роль в осуществлении данных наблюдений играет использование
ус-танавливаемой на мачтах и самолетах аппаратуры для прямых
(корреляционных) изме-рений потока СО2, а также измерений
в лабораторных кюветах и камерах (в последнем случае исследуется
газообмен для различных элементов растений (листья, стебли,
вет-ви) и растений в целом).
Smith и др. [42] обсудили результаты количественных сравнений
измеренных значений потока СО2 в пространственных масштабах
от ветви и сообщества до обшир-ных участков растительности
(данные наблюдений на башне и с самолета). При этом главное
внимание было уделено обеспечению сравнимости данных при минимальности
выборок в случае локальных измерений. Влияние временн?й неоднородности
учитыва-лось путем использования повторных наблюдений в идентичные
дни через двухчасо-вые промежутки времени с высокими и низкими
значениями потоков СО2 (на разных стадиях вегетационного сезона).
Измерения потоков СО2 (мкмолей/м2 с) в условиях высокогорной
экосистемы степной полыни в юго-восточной части штата Вайоминг
(США) выполнены с использованием четырех методик: кюветы (измерения,
относя-щиеся к отдельному листу), камеры (данные для сообщества
растительности), башня и самолет (в последних двух случаях
сделаны корреляционные прямые измерения). На участке интенсивных
измерений и вдоль траектории самолета определялись однород-ность
видового состава растений, плотность растительности и площадь
листьев на еди-ницу площади подстилающей поверхности, а также
топографическая изменчивость.
Сравнения потоков СО2 производились в дни с относительно высокой
и низкой влажностью почвы. В совпадающие дни расхождение между
потоками СО2, определен-ными с применением четырех методик
(4,0-4,6 мкмолей/м2 с) за одинаковые проме-жутки времени (09-11
час), изменялось в пределах ±9 % (при максимальном расхожде-нии,
равном 23 %). Данные наземных измерений в пределах временн?го
различия ±1 суток по отношению к самолетным данным отличались
в пределах от ±7 % (минималь-но) до ±38 % (максимально). При
двухнедельном сдвиге по времени соответствующие различия возрастали
до ±31 % (±38 %). Таким образом, в почти идеальных топографи-ческих
условиях и при однородном растительном покрове временн?я неоднородность
данных измерений, составляющая всего несколько дней, обусловливает
различия изме-ренных потоков СО2, которые превосходят расхождения
данных, полученных с исполь-зованием четырех методик.
5. Лесные пожары и климат
Для прогноза роли динамики экосистем суши в глобальных изменениях
необхо-димо располагать информацией, в частности, о главных
процессах на поверхности су-ши, которые влияют на формирование
климата. Понимание актуальности этой задачи стимулировало
разработку имитационных численных моделей с учетом соответствую-щих
обратных связей, которые позволяют, в частности, воспроизвести
влияние полей температуры и влажности на обмен малыми газовыми
компонентами между подсти-лающей поверхностью и атмосферой
с учетом изменяющихся свойств поверхности. Поскольку в разработанных
до сих пор моделях не было принято во внимание такого существенного
фактора как лесные пожары, Hinzman и др. [22] предприняли
полевой наблюдательный эксперимент FROSTFIRE с целью проанализировать
влияние метео-рологических условий и особенностей растительного
покрова на динамику пожара и на соответствующие обратные связи
по данным искусственного лесного пожара на пло-щади 970 га
в регионе водосбора центральной части Аляски (поблизости от
г. Фербен-кса). Типичные особенности этого региона состоят
в наличии бореальных (преимуще-ственно еловых) лесов и "пятнистой"
(прерывающейся) вечной мерзлоты. Детальное послепожарное исследование
участка сгоревшего леса показало, что, в целом, динами-ка
и последствия искусственного пожара вполне соответствовали
особенностям при-родного лесного пожара.
Прерывающиеся зоны вечной мерзлоты принадлежат к числу регионов,
которые наиболее чувствительны к глобальному потеплению климата.
Эти зоны в значительной степени перекрываются с циркумполярным
поясом бореальных лесов в северном по-лушарии. Термическое
состояние вечной мерзлоты в рассматриваемых зонах очень не-устойчиво,
поскольку температура часто оказывается близкой к -1 °С или
даже выше. Пространственное распределение вечной мерзлоты
в сильной степени зависит от таких факторов как типы ландшафта,
почв и растительного покрова. Наиболее важным фак-тором, контролирующим
деградацию или развитие вечной мерзлоты, является наличие
и толщина поверхностного органического слоя почвы. Если этот
слой оказывается уда-ленным, то происходит уменьшение альбедо
и возрастание теплопроводности поверх-ностного слоя почвы
с примерно 0,2 до 1,0 Вт/м К.Лесные пожары в бореальных лесах
наиболее сильно влияют на толщину органического слоя почвы.
Пожары являются од-ним из природных компонентов динамики экосистем
бореальных лесов. В течение вто-рой половины 20-го века площадь
пожаров в северо-американских бореальных лесах возросла с
1 млн. га/год (1950 г.) до почти 3 млн. га/год (2000 г.).
Воздействия пожаров на лесные экосистемы проявляются как влияние
на тепловой и водный балансы и веч-ную мерзлоту через посредство
как кратковременных, так и долговременных процес-сов. Типичный
период возвратных пожаров в бореальных лесах варьирует в пределах
29-300 лет в зависимости от условий климата и антропогенных
воздействий. Что каса-ется кратковременных процессов, связанных
с влиянием пожаров на влажность и теп-ловой режим почвы, то
они изучены сравнительно хорошо. Возникновение пожара сра-зу
сопровождается увеличением влажности почвы за счет спада эвапотранспирации,
но через два года после пожара на выгоревшей территории иногда
наблюдался спад влаж-ности почвы. Послепожарная ситуация характеризуется
значительным перераспределе-нием компонентов теплового баланса
подстилающей поверхности. Это происходит, в частности, из-за
уменьшения альбедо поверхности и, соответственно, - роста
погло-щенной коротковолновой радиации с последующим увеличением
явного и скрытого потоков тепла. Все это приводит к спаду
радиационного баланса, но к усилению посту-пления тепла в
почву.
По данный наблюдений последствий лесных пожаров (в том числе
двух контро-лируемых пожаров) в 11 пунктах, расположенных
в бореальных лесах Внутренней Аляски, Yoshikawa и др. [51]
проанализировали влияние пожаров на: 1) поступление к поверхности
почвы тепла за счет теплопроводности и конвекции; 2) удаление
мха как теплоизолирущего слоя; 3) тепловой баланс; 4) влажность
почвы; 5) толщину активного слоя почвы. Перенос тепла к почве
посредством теплопроводности к слою вечной мерзлоты оказался
несущественным во время пожара, но сразу после пожара могло
происходить возрастание теплопроводности почвы до 10 раз и
спад альбедо до 50 % (в зависимости от степени выгорания поверхностного
органического слоя почвы).
В зависимости от толщины остающегося органического слоя сильно
изменяются процессы деградации и восстановления слоя вечной
мерзлоты. Если в течение пожара уменьшения толщины органического
слоя не произошло, то в этом случае не возникает и изменений
активного слоя (того слоя над вечной мерзлотой, где ежегодно
происходят процессы таяния и замерзания), несмотря на спад
альбедо. Любое значительное воздей-ствие на поверхностный
органический слой порождает возрастание потока тепла через
активный слой к слою вечной мерзлоты. Примерно через 3-5 лет
после того, как актив-ный слой подвергался сильному возмущающему
воздействию, происходит такое уве-личение его толщины, при
котором в течение последующей зимы не возникает полного замерзания
слоя. В результате образуется толик - незамерзающий слой под
сезонно за-мерзающей почвой и над слоем вечной мерзлоты. Растаявший
слой толщиной 4,15 м наблюдался, например, на участке выгоревшего
леса в 1983 г. Расчеты показали, что, если после лесного пожара
сохраняется органический слой толщиной более 7-12 см, то термическое
воздействие на вечную мерзлоту оказывается минимальным.
6. Экология лесов
Лесные пожары очень существенно влияют на экологию лесов,
включая форми-рование круговорота углерода. Пожары инициируют
новую сукцессию полога леса и, таким образом, регулируют аккумуляцию
углерода, определяемую первичной продук-цией. Пожары воздействуют,
помимо этого, на тепловой режим почвы, что, в свою оче-редь,
оказывает влияние на процессы дыхания почвы. Наконец, следствием
лесных по-жаров оказывается их влияние на круговорот углерода
в региональных и глобальных масштабах, обусловленное выбросами
углерода в атмосферу и последующим дальним переносом. French
и др. [20] разработали модель, позволяющую рассчитать выбросы
малых газовых компонентов в атмосферу при лесных пожарах и
их влияние на форми-рование круговорота углерода. Эта модель
применена для вычислений выбросов трех углеродсодержащих МГК
(СО2, СО, СН4) за счет пожаров в бореальных лесах Аляски (на
площади 223220 га) в период 1950-1999 гг. Проанализировано
влияние на развитие пожаров двух факторов: доли израсходованного
при пожарах углерода, а также относи-тельной роли процессов
горения и тления. Расчеты показали, что за последние 50 лет
в атмосферу ежегодно выбрасывалось, в среднем, 4,5 тераграмм
углерода (ТгС). В годы с интенсивными лесными пожарами уровень
выбросов возрастал до 38 ТгС, а минималь-ный уровень понижался
до 0,36 ТгС в 1989 г. Таким образом, имела место сильная межгодовая
изменчивость выбросов общего углерода и различных углеродсодержащих
соединений. При этом годовые выбросы общего углерода практически
полностью зави-сели от площади выгоревшего леса. Соотношение
между горением и тлением оказыва-ло существенное влияние на
уровни выбросов СО и СН4. Полученные оценки свиде-тельствуют
о важном вкладе пожаров в бореальных лесах Аляски, происходивших
в течение второй половины 20-го века, на выбросы углеродсодержащих
газов в атмосфе-ру.
В июне 1999 г. в регионе центральной гористой части Аляски
(поблизости от г. Фербенкса) был осуществлен экспериментальный
лесной пожар на площади 11 км2 (по проекту FROSTFIRE), главная
цель которого состояла в изучении воздействий пожаров на экосистемы
бореальных лесов и в анализе возможностей экстраполяции полученных
результатов в региональных масштабах. Формирование после пожара
вторичной сук-цессии является главным процессом, ответственным
за изменение структуры и видово-го состава лесов. Значительную
часть наблюдаемых изменений густоты (плотности) лесов, живой
биомассы, термических свойств почвы, резервуаров и потоков
углерода и биогенов в экосистемах можно объяснить как результат
длительной послепожарной эволюции.
В этой связи Fastie и др. [19] предприняли восстановление
истории лесных пожа-ров (их пространственно-временн?й изменчивости)
в регионе осуществления проекта FROSTFIRE с использованием
разнообразной наземной информации о состоянии лесов и данных
аэрофотосъемки. Полученные результаты показали, что за период
1896-1925 гг. в регионе водосбора FROSTFIRE влиянию пожаров
подверглось 93 % лесов, а в из-бранном контрольном районе
водосбора - 47 %. За весь период 19 века и позднее в 20 столетии
не было обнаружено необычно мощных пожаров. Возникновение
пожаров в начале 20 столетия могло быть связано с горными
разработками. За последние 200-250 лет ни в одной части исследованного
региона сильные лесные пожары не возникали более одного раза,
что свидетельствует о завышенности полученных ранее данных
о частоте пожаров. В березовых и черно-еловых лесах восстановление
их видового со-става после пожаров происходило за несколько
десятилетий после пожара. Однако бе-резовые леса на южных
склонах не обнаружили признаков восстановления на протяже-нии
200 лет после пожара.
Применение газовохроматографической методики анализа состава
проб воздуха на содержание различных малых газовых компонентов
открыло новые возможности. Эти возможности были использованы,
в частности, для измерений концентрации де-сятков различных
органических соединений (алканов, алкенов, алкинов и ароматиче-ских
МГК), результаты которых привели к обнаружению устойчивого
возрастания концентрации многих МГК на протяжении двух последних
десятилетий. В настоящее время группа сотрудников Калифорнийского
университета в г. Ирвине (USI) регулярно осуществляет мониторинг
содержания около 100 летучих органических соединений с использованием
как наземных, так и самолетных проб. Choi и др. [13] обсудили
резуль-таты анализа взятых с реактивного самолета Gulfstream
в период 28 августа - 14 сен-тября 1999 г. проб воздуха на
содержание углеводородных и галогенуглеродных соеди-нений
в рамках второго самолетного Эксперимента по изучению продуктов
сжигания биомассы и разрядов молний (ВIBLE-В).
С целью определения концентрации не связанных между собой
соединений вы-полнены обработка данных наблюдений г использованием
методики главных компо-нентов (РСА) . Задачи, поставленные
перед полевыми наблюдательными эксперимен-тами по программе
ВIВLЕ-В, состояли в изучении МГК как продуктов сжигания био-массы
и молниевых разрядов с учетом их химической трансформации,
происходящей в атмосфере в регионе западной периферии Тихого
океана. При этом маршруты полетов пересекали районы континентального
муссона, а также области атмосферы с преобла-данием МГК городского
и промышленного происхождения (продукты сгорания, хло-рированные
компоненты (СНСl3, СН2Сl2 и др.) и этаны, ксилены и алканы
с длинными цепями - до С7). Случаи с повышенной концентрацией
пентана отображали существо-вание продуктов выбросов, обусловленных
двигателями.
Как правило, наличие групп этил- и пропилнитратов указывало
на важность про-цессов окисления в среде с высокой концентрацией
окислов азота NОx, т.е. на сущест-венное воздействие городов
или молний. В условиях атмосферы над тропическим океаном наиболее
заметными были метилнитраты и соединения брома, а иногда -
ди-метилсульфид и метилиодид. При полетах над австралийским
континентом зарегистри-рованы сигнатуры сжигания биомассы.
Бросалось в глаза отсутствие отчетливых сиг-натур выбросов
метана ветландами и утечек пропана. Наиболее характерной особенно-стью
всех рассматриваемых результатов наблюдений было обнаружение
антропоген-ных источников МГК.
7. Пожары в саваннах
Пожары в саваннах и их замещение сельскохозяйственными культурами
или рас-тительностью пастбищ приводят к кратко- и(или) долговременным
изменениям круго-воротов биогенов и углерода. В связи с этим
в период г сентября 1999 г. по ноябрь 2000 г. Kisselle и др.
[28] выполнили измерения потоков окиси углерода между почвой
и ат-мосферой в центральной части Бразилии при различной степени
повреждения саванн пожарами. Главное внимание было сконцентрировано
на двух участках, покрытых сеrrado stricto sensu(s) при доле
поверхности, занятой растительностью, в пределах 20-50 %,
и (кустарники).
В работе [28] рассмотрена растительность, которая либо подвергалась
пожарам через каждые два года, либо в течение 26 лет была
защищена от пожаров. Анализ ре-зультатов измерений выбросов
СО в атмосферу в условиях прозрачных камер выявил наличие
годового хода выбросов с максимумом в период конца сухого
сезона и перехо-да к влажному сезону (август-октябрь) и минимумом
в конце влажного сезона (февраль -апрель). Дневные значения
потока СО в условиях прозрачных камер были всегда больше величин,
наблюдавшихся в непрозрачных камерах. Суточный ход характеризо-вался
отрицательными потоками (из атмосферы в почву) во всех случаях
ночью и по-ложительными - днем (в условиях прозрачных камер).
Скорость осаждения СО, наблю-давшаяся в непрозрачных камерах,
опускалась ночью до 0,002-0,014 см/с, что соответ-ствует нижнему
пределу для тропических, умеренных и высоких широт. Не было
обна-ружено существенных различий между среднегодовыми величинами
дневных потоков СО на не подвергшихся пожарам участках сеrrado
и саmро sujo (160 109 и 190 109 моле-кул/см2 с, соответственно).
Пожары порождали значительное возрастание выбросов СО поверхностью
почвы на участках cerrado. Данные измерений, полученные через
30 суток после пожара, по-казали, что образование СО дном
оказалось более, чем в 10 раз, превышающим значе-ние для не
подвергшегося пожару сеrrado ss (812,8 109 и 76,8 109 молекул/см2
с, со-ответственно). Послепожарные выбросы СО превосходили
наблюдавшиеся до пожара в условиях как непрозрачных, так и
прозрачных камер. Это свидетельствует о том, что следствием
пожаров было образование фотохимически и термически активных
пред-шественников СО. Сильный спад выбросов СО обусловливало
удаление подстилки и остатков растительности с не подвергшихся
пожарам участков campo sujo и с пастби-ща. Наблюденные значения
потоков СО на пострадавших от пожаров участках (по дан-ным
для непрозрачных камер) оказались, в целом, близкими к полученным
ранее в ре-зультате аналогичных измерений в саваннах Венесуэлы
и Африки.
8. Обмен между тропосферой и стратосферой
Обычно тропопауза рассматривается как барьер для перемешивания
между тро-посферой и стратосферой. Хотя иногда "башни"
мощных кучевых облаков проникают в стратосферу, наиболее эффективным
механизмом поступления вещества из тропо-сферы с стратосферу
служат, вероятно, вулканические извержения. Анализ результатов
недавних спутниковых наблюдений выявил, однако, связь между
аномальными аэро-зольными слоями в стратосфере в 1998 г. и
лесными пожарами летом в северном полу-шарии. В связи с этим
Fromm и Servranckx [21] высказали предположение, что подоб-ный
тропосферно-стратосферный перенос (ТSТ) мог быть обусловлен
воздействием экстремально интенсивной конвекции. Поскольку
аналогичная ситуация возникла ле-том 2001 г. в Канаде, предпринят
детальный анализ этой ситуации, который привел к однозначному
выводу о формировании плотного дымового облака в верхней тропосфе-ре
и в нижней тропосфере (UТ/LS) в результате возникших в Канаде
в мае 2001 г. лес-ных пожаров и воздействия "взрывной"
конвекции на распространение дымов от по-жаров. Таким образом,
при определенных метеорологических условиях может возни-кать
значительный перенос вещества из планетарного пограничного
слоя в UT/LS, обу-словленный как непосредственно вертикальной
адвекцией, так и процессом разруше-ния гравитационных волн.
По-видимому, такого рода явление возникает в средних и высоких
широтах северного полушария достаточно регулярно. Остается,
однако, неяс-ным, каких высот может достигать дымовое облако
и каков его химический состав.
В связи с обнаружением поступления продуктов сгорания органики
в верхнюю тропосферу и даже в стратосферу Андрианов и др.
[1] предприняли численное модели-рование "огненного смерча",
возникающего иногда в атмосфере в благоприятных для этого
метеорологических условиях.
Заключение
Анализ информации о лесных пожарах демонстрирует разнообразную
и противо-речивую природу этого явления. С одной стороны,
- лесные пожары - это стихия при-родного (а иногда и антропогенного)
происхождения, причиняющая серьезный матери-альный ущерб.
С другой стороны, - пожары - необходимый компонент эволюции
лесов, обеспечивающий их обновление. Еще один не менее важный
аспект связан с выброса-ми в атмосферу во время лесных пожаров
разнообразных малых газовых и аэрозольных компонентов, оказывающих
существенное влияние на протекающие в атмосфере хими-ческие
и другие процессы (стоит напомнить в этом контексте о влиянии
на климат по-жаров, обусловленных ядерными взрывами в атмосфере
[30], а также о динамике тро-посферного озона [31]). Особого
внимания заслуживает проблема гетерогенных хими-ческих реакций
на частицах водного (облака) и твердого аэрозоля. Критически
важная роль динамики облачного покрова в формировании климата
диктует потребность в де-тальном изучении сложных взаимодействий
между атмосферным (в том числе дымо-вым) аэрозолем и облаками.
С точки зрения проблемы климата существенно учитывать не только
влияние последствий лесных пожаров на климат, но и обратное
воздействие изменений климата на условия возникновения лесных
пожаров. Мы имеем дело, таким образом, с исключительной сложности
проблемой понимания интерактивной совокуп-ности разнообразных
физических, химических и биологических процессов. Магист-ральный
путь решения этой задачи - получение необходимых данных наблюдений
и применение методологии численного моделирования системы
"природа - общество". Пока-что мы находимся еще
в начале этого пути. Важным шагом в этом направлении является
программа EFEU изучение воздействий горения растительности
(лесные по-жары, сжигание биомассы и др.) на состав и циркуляцию
атмосферы. Эта программа была кратко описана в работе Wurzler
и Simmel [50].
