Badania Eksperymentalne i Zrozumienie Pożarów Lasu

Pożary lasów stanowią jedno z najgroźniejszych i najbardziej destrukcyjnych zjawisk naturalnych, mających ogromny wpływ na ekosystemy, klimat i bezpieczeństwo ludzi. Zrozumienie dynamiki ognia, jego wpływu na środowisko oraz sposobów zapobiegania i zarządzania pożarami jest kluczowe, dlatego naukowcy na całym świecie prowadzą intensywne badania, w tym kontrolowane eksperymenty, symulacje komputerowe i długoterminowe obserwacje terenów dotkniętych ogniem.

Pożary jako Punkt Odniesienia: Tragiczne Lekcje Historii

Skutki dużych, niekontrolowanych pożarów lasów dostarczają cennych danych i motywują do dalszych badań. Przykładem jest historyczny pożar w Polsce, który uświadomił skalę zagrożenia.

Pożar w Rudach Raciborskich (1992)

Pożar lasu w nadleśnictwie Rudy Raciborskie, mający miejsce w 1992 roku, uznawany jest za największy pożar w Polsce oraz Europie Środkowej po II wojnie światowej. Latem 1992 roku w lasach w okolicach Kuźni Raciborskiej paliło się kilkadziesiąt razy, a pod koniec sierpnia, z powodu ekstremalnej suszy, wybuchało po kilka pożarów dziennie. Warunki meteorologiczne były wyjątkowo sprzyjające rozprzestrzenianiu się ognia - zanotowano temperatury ponad 32 °C, a 30 sierpnia w Kaliszu i Łodzi nawet 38 °C. Prawdopodobną przyczyną zapłonu była iskra spod kół hamującego pociągu towarowego, jadącego z Pawłowic Górniczych do Huty Częstochowa, która wywołała katastrofę wczesnym popołudniem 26 sierpnia.

Ogień udało się ugasić dopiero cztery dni później, a jego dogaszanie trwało do 12 września. W akcji gaśniczej dużą rolę odegrało masowe użycie 26 samolotów PZL M18 Dromader, zrzucających wodę na czoło ognia. Ponadto w gaszeniu pożaru brało udział około 1100 samochodów pożarniczych, śmigłowce, 50 cystern kolejowych i 6 lokomotyw, a także sprzęt ciężki, w tym czołgi inżynieryjne, pługi i spychacze.

W pożarze zginęły 2 osoby - strażacy: aspirant Andrzej Kaczyna z Komendy Rejonowej Straży Pożarnej w Raciborzu, pośmiertnie awansowany do stopnia młodszego kapitana, oraz druh Andrzej Malinowski z OSP Kłodnica z Kędzierzyna-Koźla. Ofiarą została również osoba postronna, 23-letnia Gabriela Dirska, śmiertelnie przygnieciona przez wóz strażacki, który wpadł w poślizg. Do szpitala odwieziono 50 osób, a około 2000 osób otrzymało pomoc na miejscu. Spłonęło 15 wozów gaśniczych i 26 motopomp, a rozgrzany popiół zniszczył 70 kilometrów węży strażackich. Łącznie spłonęło 9062 ha, w tym 6212 ha w ówczesnym województwie katowickim i 2850 ha w ówczesnym województwie opolskim. Zniszczenia na terenie nadleśnictw Rudy Raciborskie, Rudziniec i Kędzierzyn miały cechy klęski ekologicznej.

Od 1993 roku w sierpniu w Raciborzu odbywa się dwudniowy Memoriał im. mł. kpt. A. Kaczyny i dh. A. Malinowskiego. Książka Dawida Iwańca, "Ogień wyszedł z lasu", stanowi reporterską rekonstrukcję tych wydarzeń, podkreślając zarówno walkę ludzi z żywiołem, jak i historię zapaści lokalnego ekosystemu związaną z horrendalną emisją trujących gazów i pyłów oraz rabunkową gospodarką leśną.

Kontrolowane Eksperymenty i Symulacje

Aby lepiej zrozumieć zachowania ognia i jego interakcje ze środowiskiem, naukowcy przeprowadzają kontrolowane eksperymenty w warunkach polowych oraz rozwijają zaawansowane modele komputerowe.

Badania Prof. Claire Belcher w Dorset

W ramach pracy badawczej w Dorest w Wielkiej Brytanii, profesor Claire Belcher z Uniwersytetu w Exeter, wspólnie z zespołem, celowo podpala lasy, pola i inne tereny dzikie. Są to kontrolowane pożary, dzięki którym naukowcy dowiadują się więcej o zachowaniu ognia i jego wpływie na środowisko. Prof. Belcher, wspólnie z dr Alicją Bonk i prof. dr. hab. Wojciechem Tylmannem, stara się również opisać pożary z przeszłości na podstawie skamielin. Badania te dostarczają cennych informacji, np. na temat reakcji ekosystemu na globalne ocieplenie w Jurze, około 200 milionów lat temu, kiedy średnia temperatura wzrosła o 4 stopnie Celsjusza.

Te dane pomagają w zrozumieniu, jak natura zareaguje na obecny wzrost średniej temperatury. Badane są także adaptacje roślin, które pomagają im przetrwać pożary, wiele z nich wyewoluowało setki milionów lat temu w okresie kredowym, kiedy ogień był powszechny. Naukowcy próbują ustalić, w jakich środowiskach i przy jakiej częstotliwości występowania pożarów adaptacje tych roślin zaczęły się formować. Niedawno prof. Belcher wzięła udział w spotkaniu brytyjskiego parlamentu, omawiając problem regulacji użycia ognia i zarządzania ekosystemem, podkreślając, że tak długo, jak ogień jest częścią planety, ekosystemy przetrwają, a ludzie muszą nauczyć się z nim żyć.

Eksperymentalny pożar miał miejsce także w New Jersey w USA. W trakcie zajęć praktycznych studenci i badacze korzystają z bezpłatnego oprogramowania BehavePlus, stworzonego przez Missoula Fire Lab w Stanach Zjednoczonych. Program ten symuluje i przewiduje zachowania ognia w danym środowisku, dostarczając bezcennych informacji.

Nowoczesne Modele Komputerowe

Saudyjscy naukowcy opracowali nowy, komputerowy model płonących lasów, który znacznie lepiej niż poprzednie odwzorowuje drzewa, zachowanie ognia, pary wodnej czy deszczu. Wiedza o tym, w którą stronę przemieści się pożar, czy będzie się rozprzestrzeniał, czy raczej wygasał, to bezcenne informacje dla strażaków. Torsten Hädrich, jeden z badaczy, podkreśla, że ich praca może sprawić, że rzeczywiste pożary lasów staną się bardziej przewidywalne dzięki symulacjom możliwych scenariuszy na podstawie danych leśniczych. Najtrudniejsze jest uchwycenie skomplikowanej dynamiki, gdzie symulacja musi obejmować palenie się drzew i zachowanie płynów, uwzględniając czynniki środowiskowe, takie jak zadrzewienie, teren czy wiatr.

Nowy model przedstawia drzewa jako złożone, rozgałęzione struktury. W zależności od potrzeb, drzewo może być odwzorowane w wysoce realistycznym modelu lub w uproszczonej formie, która pozwala na przyspieszenie obliczeń. Naukowcy zamierzają również dodać symulację iskier latających w powietrzu oraz roznoszenie ognia przez trawę, niewielkie rośliny i odłamane gałęzie przy samej ziemi, a także testować swoje podejście, korzystając ze zdjęć satelitarnych realnych pożarów.

Ekologiczne Konsekwencje i Adaptacje: Puszcza Białowieska

Pożary w lasach mają złożone konsekwencje, a niektóre gatunki mogą na nich wręcz skorzystać, co potwierdzają wyniki badań prowadzonych w Puszczy Białowieskiej.

Badania Chrząszczy po Pożarze

W końcu kwietnia 2009 roku w północnej części Białowieskiego Parku Narodowego wybuchł pożar, wzniecony najpewniej przez człowieka. Ogień zajął około 7 ha lasu, nie obejmował koron drzew, ale uśmiercił dominujące tam świerki (niemal wszystkie) i ponad jedną dziesiątą sosen. Na pożarzysku nagromadziło się sporo martwego drewna, co naukowcy wykorzystali do badań chrząszczy (Coleoptera). Prof. Jerzy M. Gutowski z Instytutu Badawczego Leśnictwa (IBL) i współpracujący z nim naukowcy badali ten teren przez dziesięć lat, co pozwoliło poznać zestaw gatunków obecnych w odradzającym się lesie i dynamikę całego zespołu chrząszczy.

Badania prowadzili specjaliści-koleopterolodzy z IBL, Katedry Ochrony Lasu SGGW w Warszawie, Instytutu Biologii Uniwersytetu Opolskiego, Instytutu Biologii Ssaków PAN w Białowieży oraz Instytutu Systematyki i Ewolucji Zwierząt PAN w Krakowie. Bezpośrednio po pożarze zespoły chrząszczy na powierzchni spalonej i niespalonej różniły się wyraźnie, ale z upływem czasu stawały się coraz bardziej podobne. Na badanym terenie zidentyfikowano niemal 28 tysięcy osobników chrząszczy, należących do 630 gatunków. Stwierdzono trzy gatunki nowe dla polskiej fauny i aż 11 gatunków nowych dla Puszczy Białowieskiej.

W spalonym miejscu bogactwo gatunkowe na poziomie alfa (średnia liczba gatunków w pojedynczej próbie) oraz zagęszczenia chrząszczy były wyższe niż w takim samym lesie niedotkniętym pożarem. Zauważono również różnicę w różnorodności gamma (suma gatunków dla wszystkich pojedynczych prób), która na pożarzysku była znacznie wyższa.

Pożar jako Czynnik Wzbogacający Ekosystem

Wbrew potocznej opinii, pożar lasu nie zawsze jest wielkim kataklizmem. Dla wielu leśnych gatunków pożar paradoksalnie jest lepszy niż jego brak. Nagle, w wyniku działania ognia, pojawia się dużo drzew osłabionych czy martwych, co przyciąga bezkręgowce - ważne źródło pokarmu dla ptaków, takich jak dzięcioły, które lubią drzewa uszkodzone i chętnie kują w nich dziuple. Zwierzęta leśne z klimatu borealnego i z Europy Środkowej są przystosowane do tego rodzaju zaburzeń.

Wcześniejsze badania naukowców z Polski i Szwecji, prowadzone pod kierunkiem dr. Grzegorza Mikusińskiego, wykazały, że zaraz po pożarze w lasach nadal tętni życie. Porównano fragmenty pożarzyska poddane wycince z miejscami nieuprzątniętymi i pozostawionymi naturze. Okazało się, że większe bogactwo ptasiej fauny (liczebność ptaków, a także w nieznacznym stopniu różnorodność gatunków) dotyczyło części lasu spalonych i pozostawionych bez ingerencji. W spalonym lesie wyłączonym z ingerencji obserwowano gatunki leśne, takie jak sikory bogatki, czubatki i czarnogłówki, gile, drozdy (paszkoty) czy dzięcioły trójpalczaste. Na terenach uprzątniętych pojawiły się natomiast gatunki związane z krajobrazem otwartym, m.in. pokląskwy, pliszki siwe, gąsiorki czy świergotki.

Naukowiec prof. Jerzy M. Gutowski podkreśla znaczenie martwych drzew po przejściu ognia - pozostają one ważnym, abiotycznym elementem środowiska: wciąż dają nieco cienia i pomagają utrzymać wyższą wilgotność gleby. Badania w Puszczy Białowieskiej, lesie o dużym stopniu naturalności, pozwoliły ocenić niektóre skutki pożaru. Autorzy tych analiz sugerują, by lasy po przejściu ognia częściej zostawiać bez interwencji: nie wycinać drzew, nie uprzątać terenu ani sztucznie go nie obsadzać. Takie podejście daje pole do rozwoju różnorodności gatunków związanych z martwym drewnem i sprzyja naturalnej regeneracji lasu. Dr Żmihorski zaznacza, że usuwanie nadpalonych drzew i sadzenie nowych, zamiast przyspieszyć regenerację lasu, w rzeczywistości ją opóźnia. Podkreśla on konieczność innego traktowania lasów o charakterze naturalnym i tych gospodarczych po przejściu ognia.

Globalne Trendy i Wyzwania

Wzrost średniej temperatury na świecie oraz sposób zarządzania lasami przez człowieka znacząco wpływają na częstotliwość i intensywność pożarów.

Zmiany Klimatyczne i Działalność Człowieka

Od XIX wieku średnia temperatura na świecie wzrosła o ponad jeden stopień Celsjusza. Na to zjawisko wpływają zmiany klimatyczne i działalność człowieka. Ogromne pożary lasów, które miały miejsce w Stanach Zjednoczonych, szczególnie na Zachodnim Wybrzeżu, są wynikiem bardzo długich okresów suszy oraz sposobu zarządzania lasami przez ostatnie sto lat. Specjalne służby gasiły wszelkie płomienie jeszcze tego samego dnia, przez co lasy rosły i rosły, stając się zbyt gęste. Pożary, mając tyle paliwa, osiągały monstrualne rozmiary. Podobne zjawisko możemy zaobserwować na Południu Europy, gdzie porzucenie upraw na wzgórzach sprawiło, że roślinność stała się gęsta i podatna na pożary. W regionach z większą ilością łatwopalnego materiału i suszami spowodowanymi zmianami klimatycznymi występują tzw. „mega-pożary”.

Ilość dwutlenku węgla, która powstała w wyniku australijskich pożarów lasów w 2021 roku, przewyższała roczną emisję tego związku chemicznego do atmosfery przez całe Niemcy. Przeważnie takie zjawisko nie ma miejsca, ponieważ pożary terenów dzikich zazwyczaj mają neutralny wpływ na środowisko, jednak mega-pożary mogą być wyjątkiem. W Indonezji występowały również ogromne pożary torfowisk. Pożary lasów to jedne z najważniejszych zaburzeń w lasach Europy Północnej, którym sprzyja susza i beztroska człowieka, choć powstają również po uderzeniu pioruna. Eksperci nie mają wątpliwości, że wskutek globalnych zmian klimatu pożary będą coraz częstsze i bardziej intensywne.

Pyrocen: Epoka Ognia i Pirofobia

Według Stephena J. Pyne’a, ludzie rozwinęli się podczas Pyrocenu, epoki ognia. Nasza relacja z tym żywiołem wpierw była symbiotyczna, ale obecnie dostrzegamy wady naszych nowych wynalazków, takich jak silnik spalinowy. Pyrocen ma dwie definicje: po pierwsze, to epoka, w której człowiek korzysta z ognia, a po drugie, utrata kontaktu ludzi z ogniem. Na początku tego okresu nie naruszaliśmy ziemskiego ekosystemu, ale teraz stworzyliśmy tzw. „reżimy pożarowe” - rejony, które płoną w sposób nienaturalny. Stephen Pyne zasugerował, że ludzkość cierpi na pirofobię, bojąc się ognia, ponieważ nigdy go nie widzi, a kiedy zobaczy pożar, na przykład lasu, reaguje paniką.

Projekty Badawczo-Rozwojowe: Detekcja Pożarów

W celu zwiększenia bezpieczeństwa pożarowego lasów rozwijane są innowacyjne technologie i systemy detekcji.

Projekt „Smoke Detection”

Projekt „Smoke Detection” to inicjatywa realizowana w ramach konsorcjum naukowego, którego liderem jest przedsiębiorstwo Taxus IT Sp. z o.o., a partnerem Instytut Badawczy Leśnictwa (IBL). Celem projektu jest podniesienie konkurencyjności przedsiębiorstwa wskutek zwiększenia aktywności badawczo-rozwojowej. Projekt, zrealizowany w latach 2018-2019 z finansowaniem z Regionalnego Programu Operacyjnego Województwa Mazowieckiego, polega na opracowaniu udoskonalonego systemu „Smoke Detection”, służącego do automatycznej detekcji pożarów w lasach na podstawie obrazu z kamer. Grupę docelową stanowią podmioty odpowiedzialne za zarządzanie lasami, w tym nadleśnictwa i prywatni właściciele lasów w Polsce i za granicą.

W ramach projektu zrealizowano kluczowe zadania:

• Badania nad efektywną metodą określania lokalizacji na mapie wybranego punktu na podstawie obrazu z jednej kamery (realizowane przez Lidera), prowadzące do opracowania technologii precyzyjnej lokalizacji obiektu.
• Badania ryzyka rozprzestrzeniania pożaru w zależności od lokalnych warunków meteorologicznych, drzewostanowych oraz precyzji ustalenia miejsca pożaru (realizowane przez Partnera - IBL), co obejmowało analizy wielkości i rodzajów pożarów.
• Badania nad uwzględnieniem w detekcji dymu informacji o lokalnych warunkach meteorologicznych i drzewostanowych (Lider), a także eliminacją wpływu oświetlenia w procesie detekcji dymu (Partner - IBL). Wynikiem było udoskonalenie algorytmu detekcji dymu, umożliwiające uzyskanie niskiej liczby fałszywych alarmów niezależnie od warunków pogodowych.
• Prace rozwojowe polegające na implementacji zdobytej wiedzy w prototypie udoskonalonego systemu do automatycznej detekcji dymu (Lider), zakończone opracowaniem i przetestowaniem prototypu.

IBL wniósł istotny wkład, zdobywając wiedzę o ryzyku rozprzestrzeniania pożaru i opracowując algorytm rozróżniający chmury od dymu.

Lasy Eksperymentalne: Teakettle (USA)

Programy badań długoterminowych w specjalnie wydzielonych lasach eksperymentalnych dostarczają unikalnych danych na temat wpływu różnych strategii zarządzania i naturalnych zdarzeń na ekosystem leśny.

Historia i Znaczenie Lasu Eksperymentalnego Teakettle

W ubiegłym stuleciu amerykańska Służba Leśna wdrożyła program testowania strategii ratowania prastarych, ogromnych drzew. Wydzielony obszar, położony na wschód od miasta Fresno, nazwano Lasem Eksperymentalnym Teakettle. Jest to jeden z 76 lasów eksperymentalnych utworzonych przez rząd federalny do badań ekologicznych. Naukowcy zgrabili ściółkę z igieł sosnowych i innych łatwopalnych resztek z pni drzew, aby odtworzyć warunki leśne sprzed XIX wieku. Przez wiele lat monitorowano około 40 tysięcy oznakowanych drzew, testując na nich różne metody zwalczania pożarów czy przerzedzania lasów.

Niestety, we wrześniu Las Eksperymentalny Teakettle został brutalnie przerwany przez potężny pożar (Garnet Fire), wywołany burzą z piorunami, w którym spłonęło 3 tysiące hektarów. Malcolm North, ekolog Służby Leśnej i główny badacz Teakettle przez 30 lat, relacjonuje, że podczas obserwacji ze śmigłowca rejonów, gdzie pożar został w większości ugaszony, „czarne patyki pokrywają grzbiety drzew i zbocza wzgórz”. Prof. Scott Stephens, ekspert ds. pożarnictwa z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley, zwraca uwagę, że „Teakettle ma ogromną wartość naukową ze względu na ogromną ilość danych zebranych w ciągu ostatnich 30 lat”. Fakt, iż „został utracony, jest tragedią dla nauki”. Gazeta zaznacza, że lasom pierwotnym na zachodzie USA grozi wymarcie w ciągu najbliższego półwiecza, co dodatkowo podkreśla wagę prowadzonych tam badań i konieczność zrozumienia dynamiki pożarów.

tags: #eksperymentalny #pozar #lasu