Математика огня: прогнозирование природных пожаров

Основные типы пожаров

По словам Дениса Касымова, пожары бывают нескольких типов:

1. Низовой лесной пожар. Он составляет 90% от общего количества. Горение происходит на нижнем ярусе леса, высота пламени и скорость распространения небольшие. Этот тип пожара делится на беглые и устойчивые. Беглые происходят весной, а устойчивые — летом.
2. Верховой лесной пожар. Горение осуществляется по кронам. Также делятся на беглые верховые (ураганные) и устойчивые верховые (повальные). При беглом верховом пожаре горение по кронам опережает горение в нижнем ярусе леса. При устойчивом верховом горение идет равномерно.
3. Торфяные, или почвенные, пожары. Горение находится в почве, поэтому оно возможно даже зимой. Такие пожары могут гореть годами.

Борются с пожарами разными способами. Если очаг небольшой, то используется захлестывание, заделка грунтом. Если очаг больше, то проводится заливка водой или растворами химикатов. Если возгорание возникает на территории, до которой трудно добраться, то применяется лесопожарная техника. Далее — авиатушение.

Математическое моделирование лесных пожаров

Денис Касымов рассказывает, что они в рамках своего факультета изучают прогноз развития пожара, анализируют механизмы возникновения и распространения, предлагают техники тушения на основании математического моделирования. В 1978 году на мехмате Томского государственного университета возникла кафедра физической и вычислительной техники. На тот момент профессор Гришин впервые применил математическую модель динамики пожара. Уже через год проводился первый эксперимент с использованием контактных датчиков и системы газоанализа в максимально приближенных к реальности условиях.

На базе механико-математического факультета действует лаборатория моделирования прогноза лесных пожаров и катастроф. Денис отметил, что в последнее время они очень заинтересовались пятнистыми пожарами, когда лес начинает активно гореть, появляются разного рода горящие фрагменты, которые поднимаются вверх и переносятся на десятки километров, провоцируя там новые очаги возгорания.

Кроме того, идет активное сотрудничество с другими странами. Так, в 2014 году Денис Касымов с коллегой отправился в США, где они провели крупномасштабный эксперимент. Суть его заключалась в том, что они закопали в лесу большое количество аккумуляторов, чтобы следить за очагом возгорания. Для этих целей даже была создана специальная установка — генератор горящих и тлеющих частиц. Он решает такие задачи, как пожарная безопасность строительных конструкций, моделирование процесса генерации частиц и переноса в атмосфере.

По словам Дениса Касымова, важным моментом является поиск загоризонтных пожаров, т. е. тех пожаров, которые не видно по дымовому шлейфу. По маркерным газам его удается определить, используя специальное газоанализирующее оборудование. С помощью современных способов расчета динамики пожара удается понять, как в условиях пятнистых пожаров себя ведут строительные конструкции, и какова вероятность, что они могут загореться.   

В дополнение к теме

Причины пожаров

Чтобы составлять модели пожара, предупреждать возгорания и бороться с ними, нужно знать, из-за чего они происходят. Основные причины возникновения пожаров:

• неосторожность при обращении с огнём;
• неосторожное курение;
• детские игры с источниками огня;
• несоблюдение правил безопасности при электромонтажных работах и эксплуатации электроприборов, газовых приборов, печного отопления;
• сжигание мусора или разведение костров слишком близко к постройкам;
• использование воспламеняющихся жидкостей для розжига.

Неосторожное обращение является причиной пожаров в большинстве случаев. Небрежно брошенная спичка или не затушенная сигарета – вот примеры такого обращения. До 15% всех пожаров в России происходит по вине детей. Они разжигают костры без контроля взрослых, что приводит к лесным пожарам. Дети бросают в огонь пиротехнические изделия или аэрозольные баллоны, что может привести к трагическим последствиям. Подростковое курение, когда ребёнок старается быстро избавиться от сигареты при виде взрослого и бросает окурок куда попало, также часто приводит к возгоранию.

Большой проблемой является некорректная эксплуатация бытовых приборов или электропроводки. Газовые плиты, электрические чайники, электроплитки часто становятся причинами трагедий. Неисправная проводка или неправильная её эксплуатация опасна, так как когда ток проходит по проводнику, он выделяет тепло. Если нагрузка на сеть нормальная, то тепло успевает рассеиваться и не нагревает проводник. Если же нагрузка превышает норму, например в одну розетку включаются несколько работающих приборов, это становится опасным, потому что проводник перегревается, а изоляция загорается. Нагрев происходит и там, где ослабли контакты. Если соединяются два проводника без изоляции, случается короткое замыкание, при котором происходит плавление металлических жил и выделение большого количества тепла. Могут возгораться лампы накаливания, особенно если они соприкасаются с бумажными или тканевыми абажурами. Также опасны разрушение колбы из-за удара и плохой контакт цоколя с патроном.

Часто пожары возникают из-за небрежного обращения с газом, а именно из-за утечек, которые становятся возможными при нарушении герметичности трубопроводов и соединений. Также иногда причиной возникновения взрывов и воспламенения становятся неисправные или плохо закрытые горелки газовых плит и духовок. Ни в коем случае нельзя разрешать пользоваться газовым оборудованием детям. При появлении минимального запаха газа нужно найти источник, провести проветривание помещения и не пользоваться зажигалками и спичками. Ремонтировать газовые трубы, шланги, приборы должны только специалисты, имеющие для этого разрешения и допуски. Пожарные в Москве и регионах часто выезжают на вызовы, когда взрываются газовые баллоны.

Природные явления вызывают возгорания заметно реже, чем халатность человека. Гроза, особенно сухая, то есть проходящая с молниями, но без дождя или с минимальным его количеством, может вызвать сильное горение. В текущем году известно о нескольких таких случаях. Этот фактор также необходимо учитывать при расчётах, математическом моделировании, составлении прогнозов.

Причины пожаров бывают разными:

• неосторожные;
• умышленные;
• самовозгорание;
• поломка оборудования;
• природные явления.

При отслеживании динамики развития пожара, создании моделей и прогнозировании важно учесть различные параметры.

Пожары бывают бытовыми, промышленными и природными, последние делятся на лесные, торфяные, степные. Провоцировать возгорание могут:

• халатность, неумелое или небрежное обращение с газовыми и электрическими приборами, несоблюдение правил противопожарной безопасности;
• нагревание горючих материалов до предельных температур;
• открытый огонь;
• поддерживающие горение вещества: керосин, бензин, газ, солярка, масляные средства;
• тёплая погода, доступ кислорода и ветер поддерживают и увеличивают площадь, интенсивность горения;
• скопление частиц металлов при металлообработке может самовозгораться.

Чтобы не допустить возгорания, важно соблюдать технику безопасности, не хранить горючие вещества на малой площади, позаботиться о герметичности газовых трубопроводов, изоляции электропроводки. Нельзя эксплуатировать неисправные приборы и разрешать пользоваться ими детям. Человек – наиболее частая причина пожара.

У всех возгораний разное начало, развитие, течение. Рассчитать время и динамику распространения огня можно, применяя интегральный метод. Это поможет быстрее и качественнее организовать и провести тушение, спасти здания, леса, человеческие жизни.