Недельные вариации лесных пожаров в Якутии Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

ЭКОЛОГИЯ

УДК 551.5

Недельные вариации лесных пожаров в Якутии

В. С. Соловьев

Приводятся результаты спутникового мониторинга лесных пожаров на территории Якутии в 1998-2007 гг. Показано наличие короткопериодических (недельных) вариаций активности лесных пожаров: в середине и конце недели общая площадь лесных пожаров заметно повышается, особенно это характерно для июня и сентября. Сделано предположение, что максимум в середине недельного цикла активности лесных пожаров в большей степени обусловлен грозовыми разрядами, а приходящийся на конец недели - человеческой деятельностью.

The results of remote sensing offorest fires in Yakutia for 1998-2007 are presented in article. The presence of weekly variations offorest fires activity is established: the fires activity is increased in middle and end of week, especially in June and September. The assumption is made, that the maximum in the middle of a weekly forestfires activity cycle in a greater degree is caused by lightning discharges, but weekend maximum - human activity.

Ключевые слова: спутниковый монитринг, лесные пожары, космоснимки, грозы, авиалесоохрана.

Введение

Лесные пожары относятся к числу наиболее катастрофических природных явлений. Например, в России ежегодно возникает пожаров на общей площади от 2 до 12 млн. га, большая часть которых приходится на Сибирь, в частности на Якутию, площадь лесов которой по данным учета лесного фонда составляет 257,8 млн. га, в том числе покрытая лесом 145,3 млн. га. Кроме прямого ущерба от лесных пожаров - повреждение растительности, нарушение лесных экосистем, уничтожение деловой древесины и пр.; в результате пожаров в атмосферу поступает огромное количество продуктов горения - аэрозольных частиц и соединений углерода, способствующих парниковому эффекту.

Естественными причинами возникновения пожаров являются грозовая активность и другие природные явления, приводящие к возгоранию очагов пожаров (например, вулканическая деятельность). Однако в условиях экстенсивного развития добывающей промышленности и освоения новых территорий, расширения транспортной и магистральной инфраструктуры, развития сети населенных пунктов и т.д. все большее количество лесных пожаров происходит по вине человека.

СОЛОВЬЕВ Владимир Степанович - к.ф.-м.н., зав. лабораторией ИКФИА СО РАН.

В зависимости от степени освоенности территории и плотности населения может превалировать один из факторов - природный или антропогенный. Например, по данным Центральной базы авиационной охраны лесов Российской Федерации, в густонаселенной европейской части по вине человека возникает до 98% пожаров, а в удаленных северных районах этот показатель может оказаться заметно ниже 50%.

Данная работа посвящена исследованию короткопериодических (недельных) вариаций лесных пожаров на территории Якутии, обнаруженных по данным спутникового мониторинга.

Исходные данные и методика исследований

В работе использованы данные метеорологических спутников КОЛА (США), полученных на приемной станции СКАНОР в Институте космо-физических исследований и аэрономии им. Ю.Г. Шафера СО РАН [1-6].

Полярные спутники КОЛА вращаются на высотах ~820-860 км по круговым солнечно-синхронным орбитам с периодом ~100 мин. Орбитальный сегмент системы КОЛА состоит, как правило, из группы в несколько спутников: в настоящее время их четыре (КОЛА 15, 16, 17, 18). Такое количество одновременно действующих спутников позволяет с высокой частотой осуществлять мо-

ниторинг подстилающей поверхности и своевременно обнаруживать очаги лесных пожаров.

Основным бортовым инструментом является пятиканальный (в усовершенствованной версии шестиканальный) сканирующий радиометр AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer), регистрирующий радиацию в видимом (0,58-0,68 мкм), двух инфракрасных (0,725-1,00 мкм, 3,55-3,93 мкм) и двух тепловых диапазонах (10,30-11,30 мкм, 11,50-12,50 мкм). Полученные калиброванные данные позволяют восстанавливать ряд физических параметров подстилающей поверхности - температуру, влажность, альбедо и др. Ширина скана (полосы обзора прибора AVHRR) составляет около 2500 км, пространственное разрешение в точке надира - 1,1 км.

Даже при таком невысоком пространственном разрешении (~1 км) прибор AVHRR позволяет обнаруживать объекты с аномально высокой температурой (очаг огня, пожара и др.) размером до 30х30 м. Например, на зимних космоснимках районов нефтегазовых промыслов нередко можно увидеть «горячие» пикселы от отдельных газовых факелов. Это результат высокой температурной чувствительности датчиков прибора AVHRR.

Обнаружение очагов пожаров на спутниковых мультиспектральных снимках осуществляется с помощью многоступенчатого порогового алгоритма детектирования. Все пороговые алгоритмы построены по принципу выделения зоны потенциальных очагов пожаров по некоторому пороговому значению радиояркостной температуры в третьем канале радиометра AVHRR. На следующих этапах с помощью пороговых значений в других каналах или в комбинациях каналов производится устранение ложных сигналов - объектов, сходных по температуре третьего канала с очагами пожаров. Многоступенчатый алгоритм детектирования очагов лесных пожаров, разработанный в ИСЗФ СО РАН (г. Иркутск) позволяет с высокой степенью достоверности обнаруживать очаги пожаров. Тем не менее надо учитывать, что сильная экранирующая облачность или неблагоприятные условия съемок (время, орбитальное положение спутника и пр.) могут затруднить обнаружение лесного пожара.

Статистические данные эффективности обнаружения показывают, что крупные лесные пожары размером более 100 га обнаруживаются практически всегда, даже сильная задымленность или экранирующая облачность не являются по-

мехой для их детектирования; пожары площадью 10-100 га обнаруживаются с вероятностью 70%, площадью 1-10 га - в 40% случаев, площадью менее 1 га - в 20% случаев [6]. На вероятность обнаружения небольших очагов большое влияние оказывают задымленность, экранирующая облачность и неблагоприятные условия спутниковой съемки (время съемок, орбитальное положение спутника и пр.).

Обсуждение результатов

В качестве исходных данных были использованы данные AVHRR/NOAA, полученные за период 1998-2007 гг. Рассматривались лесные пожары, обнаруженные по космоснимкам только на территории Якутии. Необходимо отметить, что 2002 г. был одним из самых пожароопасных за рассматриваемый период - общая площадь пожаров составила 775 тыс. га.

Результаты спутникового мониторинга пожаров представлены на рис. 1(а, б, в, г), соответственно, для июня, июля, августа и сентября. По вертикальной оси отложена площадь пожаров в км2, а по горизонтальной - дни недели. Рассмотрены два периода усреднения данных - 1998-2007 гг. и 2002 г., результаты которых показаны на каждом из четырех рисунков: по левой вертикальной оси отложены данные, относящиеся к первому периоду, по правой - ко второму. На всех рис. 1 сплошной линией с интервалами доверия (вертикальные отрезки) показаны усредненные недельные вариации за 1998-2007 гг., штриховой - усредненные недельные вариации за 2002 г.

Легко заметить, что в июне (рис. 1, а) и сентябре (рис. 1, г) лесопожарная активность в конце недели резко вырастает, достигая ярко выраженного максимума. Второй, но меньший максимум в недельных вариациях можно выделить в середине недели, хотя в сентябре 2002 г. он не просматривается. Июльские и августовские недельные вариации (рис. 1, б, в соответственно) для обоих периодов усреднения имеют более сложный характер, разброс данных достаточно велик.

Многолетние исследования радиочастотных шумов в ОНЧ-диапазоне, генерируемых в подавляющем большинстве случаев грозовыми разрядами, показали наличие недельной зависимости - в середине недели наблюдается максимум грозовых разрядов [7]. Также, согласно этим исследованиям, сезон гроз в Якутии начинается со второй

СОЛОВЬЕВ

Пнд Втр Срд Чтв —•—Июнь 1998-2007 гг.

а

Птн Суб Век -о-Июнь 2002 г.

500

а

^-400

300

3 200 100

2500

г

X

- 2000 * п о о (Ч

- 1500 *

- 1000СЯ

- 500

Пнд Втр Срд Чтв Птн Суб Век -•-Август 1998-2007 гг. - -Август 2002 г. в

Пнд

Втр Срд Чтв Июль 1998-2007 гг.

б

Птн Суб Век ■-—Июль 2002 г.

Рис. 1. Недельные вариации общей площади лесных пожаров в Якутии: а - в июне; б - в июле; в - в августе; г - в сентябре

декады июня, максимум приходится на третью декаду июля, а конец - на вторую треть августа.

Учитывая такой временной характер грозовой активности и наблюдаемые недельные вариации лесных пожаров, можно предположить, что максимум лесных пожаров, приходящийся на середину недели в июне, в большей степени обусловлен грозовой активностью. В то время как повышенная активность пожаров в конце недели предположительно обусловлена человеческим фактором, т.к. именно эти дни резко возрастает антропогенная нагрузка на природную среду, особенно в начале и конце лета: турпоходы, загородные пикники, сбор ягод, грибов, рыбалка, охота, сельскохозяйственная деятельность и пр. В середине лета в связи с ростом степени пожароопас-ности лесов административные запреты существенно ограничивают выезды в лес, разведение открытого огня (костров, палов), проведение се-

льскохозяйственных работ и других мероприятий, способных инициировать пожары.

Пространственно-временные масштабы лесных пожаров, являющихся результатом совокупности природных, метеорологических и техногенных факторов, сильно варьируют в течение пожароопасного сезона май-сентябрь. Как показывает практика, пожары в начале сезона имеют меньшую продолжительность и размеры, во многом это обусловлено отсутствием необходимых предпосылок для крупномасштабных и продолжительных пожаров - горючий материал еще «не дозрел» до нужной кондиции и не самые «благоприятные» метеоусловия (среднесуточные температуры воздуха невысоки).

В конце пожароопасного сезона продолжительность пожаров также невелика - виной тому обычные для конца лета проливные дожди, не дающие разгораться очагам лесных пожаров.

г

Сезонный максимум пожаров выпадает на июль и начало августа [6], когда степень пожароопас-ности лесов очень высока. Пожары в этот период характеризуются большей устойчивостью, динамичностью и продолжительностью. Очевидно поэтому на рис. 1, б, в (июль, август) сложно выделить недельные вариации, обусловленные грозовой и антропогенной активностью, используя данный экспериментальный материал; требуются дальнейшие исследования с привлечением дополнительных данных.

Необходимо также учитывать крайне важную роль Авиалесохраны, призванную бороться с лесными пожарами, что и делается этой организацией достаточно эффективно. Однако активность Авиалесохраны в основном распространяется на охраняемые территории, составляющие около половины площади Якутии. К тому же работа «ави-алесопожарников» в основном акцентируется на малые очаги возгорания, борьба с которыми наиболее эффективна, и на те, которые потенциально опасны для населенных пунктов, хозяйственных и промышленных объектов, поэтому вклад антропогенного фактора в лесопожарную активность ими частично нейтрализуется.

Аналогичные работы ведутся в Томске [8]. На рис. 2 представлены результаты модельных расчетов распределения количества пожаров по дням недели и статистические данные по числу пожаров в Томской области. По вертикальной оси отложено число очагов пожаров, по горизонтальной - дни недели; сплошной линией показаны данные лесничества, штриховой - модельный расчет. Видно, что на этих кривых также присутствуют два максимума - в конце и середине недели.

Рис. 2. Недельные вариации числа лесных пожаров в Томской области: 1 - статистические данные Тимирязевского лесничества, 2 - модельный расчет

Выводы

Данные спутникового мониторинга за 19982007 гг. и анализ временной динамики лесных пожаров показывают, что в картине лесопожарной активности наблюдается недельная зависимость. В недельном цикле вариаций общей площади лесных пожаров присутствуют два максимума - в середине и конце недели. Особенно отчетливо они прослеживается в начале и конце пожароопасного сезона (июнь, сентябрь). Предположительно максимум в середине недели с большей степенью вероятности обусловлен природным фактором -грозами. В пользу этого предположения говорит наличие максимума грозовой активности, приходящегося на эти дни недели, а также тот факт, что в сентябре, когда грозы на территории Якутии практически не наблюдаются, максимум лесопо-жарной активности в середине недели невыразителен или отсутствует (2002 г.).

Поскольку пик антропогенной нагрузки на окружающую среду приходится на выходные дни, то очевидно предположить, что наблюдаемое повышение лесопожарной активности в конце недели обусловлено человеческим фактором: турпоходы, выезды на природу, сбор ягод, грибов, рыбалка, охота, сельскохозяйственная деятельность и пр.

Аналогичные результаты были получены и другими исследователями [8], поэтому можно предположить, что короткопериодические (недельные) вариации лесопожарной активности характерны и для больших территорий - пространств Зауралья, Сибири и Дальнего Востока.

Таким образом, лесные пожары на территории Якутии в условиях интенсивного развития промышленности, сельского хозяйства, транспортной и магистральной инфраструктуры, развития сети населенных пунктов и пр. могут создать серьезные проблемы, решение которых требует комплексного подхода в исследовании причин и закономерностей пирогенных событий, а также создания системного мониторинга общей геоэкологической обстановки Северо-Азиатского региона.

Работа поддержана грантом РФФИ 06-05-96021-р_восток_а и программой Президиума РАН №16.

Литература

1. Соловьев В.С., Лиходед А.Н. Экологический мониторинг окружающей среды по спутниковым дан-

СМИРНОВ, БОРИСОВ, СТЕПАНОВ, ФИЛИППОВ

ным // Наука и образование. - 2000. - №1(17). - С. 100103.

2. Solovyev VS., Vasilyev E.K., Solovyeva N.M. Satellite monitoring of forest fire in the territory of Yakutia and the evaluation of their consequences // Proceedings of international conference «The role of permafrost ecosystems in global climate change», Yakutsk, May 3-5 2000. - Yakutsk: Scientific Center Publishing House, 2001.

- P. 178-180.

3. Соловьев В. С. Космофизические исследования в Якутии. - Якутск: ЯФ Изд-ва СО РАН, 2001 г. - С. 302-308.

4. Solovyev VS., Kozlov V.I. The Disastrous Forest Fires in the Yakutia // Proceedings of the 1st International Conference on Hydrology and Water Resources in Asia Pacific Region (APHW2003), Kyoto, Japan, 13-15 March.

- 2003. - Р. 222-224.

5. Соловьев В.С., Козлов В.И. Исследование пространственно-временной динамики лесных пожаров и облачности в Северо-Азиатском регионе по данным спутников NOAA // Оптика атмосферы и океана. -2005. - Т. 18, № 01-02. - С. 146-149.

6. Соловьев В.С., Козлов В.И., Смирнов И.Ф. Пространственно-временная динамика лесных пожаров в Якутии // Наука и образование. - 2005. -№1(37). - С. 67-73.

7. Mullayarov V.A., Karimov R.R., Kozlov V.I., Poddelsky I.N. Possible Weekly Variations in the Thunderstorm Activity // Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. - 2005. - Vol. 67, №4. - P. 397-403.

8. Барановский Н.В. Вероятность лесной пожарной опасности и прогноз числа лесных пожаров // Известия вузов. Физика. - 2006. Т. 49, № 3. - С. 212-213.

УДК 550.388.2

Ионосферный контроль сильных землетрясений в Якутии

В.Ф. Смирнов, К.П. Борисов, А.Е. Степанов, Л.Д. Филиппов

Рассматриваются вариации ионосферы в период землетрясения, произошедшего на севере Якутии в районе Тикси с магнитудой М>4. Анализируются данные станции вертикального зондирования «Парус» в Тикси: критическая частота слоя F (foF2). По данным анализа ионосферных материалов установлено, что перед землетрясениями происходит повышение критических частот слоя F2 за 2-3 дня до землетрясения. Рассмотрено влияние тектонической активности на временные вариации полного электронного содержания ионосферы земли во время землетрясения.

The variations of the ionosphere are сonsidered at period of the earthquake happened on north Yakutiya in region Tiksi with magnitude M>4. The station data of the vertical flexing «Parus» were analysed in Tiksi: critical frequency layer F (foF2). As of analysis ionosferic material is installed that before earthquakes occurs increasing of the critical frequencies layer F2 for 2-3 days before earthquake. The considered influence tectonical to activities on temporary variation of the full electronic contents of the ionosphere of the land during earthquake.

Ключевые слова: землетрясение, сейсмоионосферная связь, геомагнитная активность, разломы.

Введение землетрясения с последующими катастрофи-

В XXI столетии стала заметно повышать- ческими последствиями пр°из°шли на Кам-

ся сейсмическая активность Земли. Крупные чатке, Сахалине, °стр°вах в Индийском °ке-__ане, в Калифорнии и других районах Земли.

Смирнов Владимир Фадеевич - к.ф.-м.н., с.н.с. икфиа В менее активных зонах также наблюдается СО РАН; борисов Кирилл Петр°вич - аспирант ЖФИА повышение сейсмической активности. Од-

ной из сейсмических зон в России является

СО РАН; СТЕПАНОВ Александр Егорович - к.ф.-м.н., с.н.с. ИКФИА СО РАН; ФИЛИППОВ Ленгвард Дмитриевич - к.ф.-м.н., вед. инженер икфиа СО РАН. Восточная Сибирь. Пояс землетрясений про-