Математика против огня: новый способ борьбы с лесными пожарами

Лесные пожары — одно из самых опасных и разрушительных стихийных бедствий, которые угрожают экосистемам и человеческим поселениям. Каждый год в мире сгорает миллионы гектаров лесов, вызывая огромный экономический и экологический ущерб. Поэтому борьба с лесными пожарами — важная и актуальная задача, которая требует применения современных научных подходов и технологий.


Один из таких подходов — математическое моделирование процессов распространения лесных пожаров. С помощью математических моделей можно прогнозировать поведение огня, его скорость, направление и интенсивность, а также оценивать эффективность различных способов тушения пожаров. Однако создание точных и надежных моделей — сложная и многогранная задача, которая учитывает множество факторов, таких как тип и состав лесного топлива, температура и влажность воздуха, скорость и направление ветра, рельеф местности и т.д.

Ученые из Томского политехнического университета предложили новую комплексную математическую модель для расчета физико-химических процессов, происходящих при воздействии пламени пожара на поверхность лесных горючих материалов — растений, мхов, опавших веток и листвы, часть которой увлажнена водой или специальными тушащими составами. Модель позволяет просчитать распределение температур в каждой точке горючего материала и скорость движения газов вблизи его поверхности.

Как работает модель

Особенность предложенной политехниками модели заключается в том, что здесь учтено большинство физических процессов, проходящих при нагреве увлажненных лесных горючих материалов, оказывающих прямое влияние на теплообмен и пиролиз (термическое разложение) лесного топлива. Получаемые с помощью нее данные в перспективе помогут составлять более оптимальную схему тушения лесных пожаров.

Исследование проводится при поддержке гранта Российского научного фонда под руководством профессора Гения Кузнецова. Результаты работы ученых опубликованы в журнале Fire.


— Гений Кузнецов, профессор кафедры физики высоких технологий и энергетики Томского политехнического университета.

Для создания модели ученые использовали метод конечных элементов, который позволяет решать сложные дифференциальные уравнения на нерегулярных сетках. С помощью этого метода они разбили лесной горючий материал на множество маленьких элементов и рассчитали температуру и давление в каждом из них. Затем они связали эти элементы друг с другом и с окружающей средой, учитывая теплопоток от пламени, конвективный и излучательный теплообмен, испарение и конденсацию воды, а также химические реакции пиролиза.

Как тушить лесной пожар

Один из перспективных способов борьбы с лесными пожарами — создание перед фронтом горения линии торможения. Это можно сделать за счет смачивания слоя лесных горючих материалов на определенную глубину водой или специализированными составами на водной основе. Такую линию можно создать, распыляя воду с самолета или наземного оборудования.

Фронт горения, достигая этой контрольной линии, останавливается до тех пор, пока смоченная часть лесного топлива не станет полностью сухой, после чего продолжает движение с меньшей скоростью. Эта скорость зависит от глубины увлажнения, концентрации влаги в лесном топливе и протяженности контрольной линии.

Математическое моделирование в данном случае может стать действенным инструментом анализа условий и характеристик локализации лесных пожаров. С помощью модели можно определить оптимальные параметры для создания эффективной линии торможения, а также оценить время и ресурсы, необходимые для ее поддержания.


— Андрей Шмелев, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физики высоких технологий и энергетики Томского политехнического университета.

Ученые планируют дальше развивать свою модель, добавляя новые факторы и процессы, которые могут повлиять на распространение лесных пожаров. Например, они хотят учесть влияние топографии местности, атмосферной турбулентности, химического состава лесного топлива и его влажности, а также различных типов пожаров (коронный, наземный, подземный). Также они намерены сравнить свою модель с другими существующими моделями и провести новую серию экспериментов.