Sawanna to formacja trawiasta strefy międzyzwrotnikowej charakteryzująca się gorącym klimatem i wyraźnie zaznaczonymi trzema porami roku: deszczową (ze średnią temperaturą 18-24 °C) oraz dwiema porami suchymi - chłodną (średnio 14-20 °C) i gorącą (26-30 °C, niekiedy nawet do 45 °C). Roślinność sawanny stanowią w większości pirofity, czyli gatunki odporne na działanie ognia. Cecha ta ma kluczowe znaczenie adaptacyjne (dostosowawcze), ponieważ na sawannach każdego roku wybuchają pożary (zwykle wzniecane przez człowieka). Sawanny występują na znacznych obszarach Afryki, pokrywając ponad 1/3 jej powierzchni, a także w Ameryce Południowej na północ i południe od strefy lasów równikowych, w Indiach, wschodniej Australii czy na pograniczu meksykańsko-amerykańskim.
Rola Ognia w Ekosystemie Sawanny
Istotnym czynnikiem utrzymującym wygląd sawanny jest ogień. Podczas pory suchej łatwo wybuchają pożary. Przeżywają tylko te gatunki roślin, które mają rozległe systemy korzeniowe (jak trawy) lub grubą korę (jak akacje czy baobaby). Młode drzewa, które mogłyby doprowadzić do zamiany sawanny na przykład w las, ulegają wypaleniu. Badania naukowców z amerykańskich uczelni sugerują, że kluczową rolę w procesie ochrony tego unikalnego krajobrazu może odgrywać sam drzewostan sawanny. Wiele wskazuje na to, że aktywnie modyfikuje on środowisko, by wywołać pożar i uchronić się przed konkurencją ze strony drzew typowo leśnych.
Rośliny Aktywnie Wzniecające Pożary
Autorami odkrycia są Brian Beckage z University of Vermont, William Platt z Louisiana State University oraz Louis J. Gross z University of Tennessee. Naukowcy stworzyli komputerowy model ekosystemu sawanny, w którym roślinność podzielono na trzy zasadnicze grupy: trawy, oporne na ogień drzewa sawanny oraz wrażliwe na pożary drzewa leśne. Dodatkowym elementem było występowanie pożarów w zależności od teoretycznego wpływu pozostałych czynników. Celem studium było ustalenie zmian w charakterystyce ekosystemu sawanny w zależności od występowania ewentualnych (dziś nieznanych) zależności pomiędzy określonymi typami roślinności i ich hipotetyczną zdolnością do wywoływania pożarów.
Jak wynika z obliczeń, jedynym spośród rozważanych wariantów sprzyjającym zachowaniu unikalnego wyglądu sawanny jest pozytywne sprzężenie zwrotne pomiędzy występowaniem drzew opornych na ogień oraz częstotliwością pożarów. Na tej podstawie autorzy uważają, że rośliny te mogą posiadać pewną nieznaną dziś zdolność do wywoływania zmian w swoim otoczeniu, które mogłyby sprzyjać pojawianiu się ognia i wypaleniu młodych drzew charakterystycznych dla ekosystemu lasu, wrażliwych na pożary. Badania te, choć będące tylko komputerową symulacją, dostarczają interesujących wskazówek dla ekologów.
Wpływ Pożarów na Glebę i Emisje Węgla
Sadzenie drzew i zapobieganie pożarom lasów niekoniecznie prowadzi do uwięzienia większej ilości węgla w glebie. Kontrolowane wypalanie lasów, którego celem jest zmniejszenie intensywności przyszłych niekontrolowanych pożarów, to dobrze znana strategia. Wynikiem dużego niekontrolowanego pożaru lasu jest erozja gleby i wypłukiwanie węgla do środowiska. Mogą minąć nawet dziesięciolecia, nim uwolniony w ten sposób węgiel zostanie ponownie uwięziony. Jednak ogień może również prowadzić do takich zmian w glebie, które równoważą utratę węgla i mogą go ustabilizować.
- Po pierwsze, w wyniku pożaru powstaje węgiel drzewny, który jest bardzo odporny na rozkład. Warstwa węgla zamyka zaś wewnątrz bogatą w węgiel materię organiczną.
- Ponadto, ogień może zwiększyć ilość węgla ściśle powiązanego z minerałami w glebie.
Jeśli odpowiednio dobierze się częstotliwość i intensywność pożarów, ekosystem może uwięzić olbrzymie ilości węgla. Gdy pożary są częste i intensywne, a tak się dzieje w przypadku gęstych lasów, wypalane są wszystkie martwe rośliny. Ta martwa materia organiczna rozłożyłaby się i węgiel trafiłby do gleby. Tymczasem w wyniku pożaru zostaje on uwolniony do atmosfery. Bez obecności ognia martwa materia organiczna jest rozkładana przez mikroorganizmy i uwalniana w postaci dwutlenku węgla lub metanu. Gdy jednak dochodzi do niezbyt częstych i niezbyt intensywnych pożarów, tworzy się węgiel drzewny oraz dochodzi do związania węgla z minerałami w glebie. Autorzy badań mówią, że odpowiednio zarządzane wypalanie może doprowadzić do zwiększenia ilości węgla uwięzionego w glebie. Gdy rozważamy drogi, jakimi ekosystem przechwytuje węgiel z atmosfery i go więzi, zwykle uważamy pożary za coś niekorzystnego. Naukowcy mają jednak nadzieję, że badania pozwolą odpowiednio zarządzać pożarami.
Pożary Roślinności a Zmiany Klimatu
Pośród skutków zmiany klimatu wymienia się coraz częstsze występowanie pożarów lasów, stepów czy torfowisk. Z drugiej strony, takie pożary przyczyniają się do nasilania ocieplenia: rośnie emisja dwutlenku węgla i innych gazów cieplarnianych oraz pochłaniającej promieniowanie słoneczne sadzy, co przyczynia się do ogrzewania naszej planety. Spalanie biomasy, w tym pożary ekosystemów, w wyniku których powstaje dym o określonym składzie (obejmującym przede wszystkim azotany, amoniak, siarkę, związki organiczne i czysty węgiel), odpowiada za około 40% światowych emisji tak zwanego „czarnego węgla” (głównego składnika sadzy), co jest porównywalne z emisjami tej substancji w wyniku spalania paliw kopalnych.
Obecność dymu wpływa nie tylko na widzialność czy jakość powietrza, ale też na klimat. Najczęściej gdy mówimy o efekcie aerozolowym, koncentrujemy się na tym, że zawieszone w powietrzu drobiny rozpraszają promieniowanie słoneczne i ograniczają jego dostęp do powierzchni Ziemi. W przypadku produktów spalania biomasy mamy dodatkowo do czynienia z pochłanianiem tego promieniowania i ogrzewaniem atmosfery, a więc procesem wzmagającym (a nie ograniczającym) ocieplenie klimatu. Oprócz samego dymu, podczas pożarów uwalniane są do atmosfery gazy cieplarniane, których wpływ na klimat jest znaczący.
W latach 2001-2010 pożary roślinności odpowiadały średnio rzecz biorąc za emisje około 9,2 miliarda ton CO2 rocznie. Z tej liczby ponad 1,5 miliarda ton CO2 rocznie pochodzi z wypalania lasów dla uzyskania ziem uprawnych. Skład powstających w trakcie pożaru produktów spalania może być bardzo różny - zależy od rodzaju „paliwa” oraz jego wilgotności. Gdy płonie przesuszona sawanna czy step, dochodzi najczęściej do „spalania całkowitego” i dominującym produktem jest dwutlenek węgla. Podczas pożarów lasów czy torfowisk powstaje także dużo sadzy i tlenku węgla.
Wykrywanie i Monitorowanie Pożarów
Monitorowanie wielkich i dzikich obszarów leśnych oraz sawann jest wyzwaniem. Same obserwacje z powietrza to za mało, ponieważ helikopter może bowiem nadzorować obszar nie większy niż 20 kilometrów, podczas gdy lasy na świecie zajmują obszar prawie 4 miliardów hektarów. Potrzebne są więc nowe rozwiązania.
Rola Owadów Pirofilnych - Ciemnika Czarnego
Na trop nowych technologii wpadli inżynierowie projektujący detektory ognia, inspirując się owadami pirofilnymi. Ciemnik czarny (Melanophila acuminata) to chrząszcz z rodziny bogatkowatych, który zalicza się do owadów pirofilnych. Oznacza to, że żeruje i rozmnaża się tam, gdzie wcześniej szalał pożar. Dlaczego? Przede wszystkim, ciemnik składa jaja w martwych, spalonych drzewach, ponieważ żywe rośliny swoimi twardymi tkankami, żywicą i sokami zabiłyby larwy. Po drugie, mały ciemnik ma sporo naturalnych wrogów, które uciekają przed podwyższoną temperaturą pożaru. Po trzecie, spalone ciała innych owadów i małych zwierząt są dla ciemnika czarnego pokarmem.
By jednak móc osiedlić się w miejscu pożaru, najpierw trzeba je znaleźć. Gatunek ten potrafi wykryć ogień z dużej odległości i przemieścić się na ogarnięte pożogą tereny w chwili, gdy już nic mu nie zagraża. Podczas pożaru lasu powstaje nie tylko ogień, gorąco i dym, ale też promieniowanie podczerwone i lotne związki chemiczne. To właśnie te czynniki przyciągają ciemnika czarnego na miejsce pożogi.
Receptory Temperatury i Promieniowania
Owad ten wykorzystuje dwa „wykrywacze”. Pierwszy ma postać jamek położonych przy środkowej parze odnóży chrząszcza, tuż pod skrzydłami. Receptory, które się w nich znajdują, są wyczulone na wysoką temperaturę i promieniowanie podczerwone. Mają one postać drobnych kuleczek z kutykuli, połączonych razem i wypełnionych płynem, w środku których znajdują się komórki sensoryczne. Przy wzroście temperatury płyn się rozszerza i napiera na zakończenie nerwowe dające sygnał do mózgu. Można więc powiedzieć, że ciemnik czarny „słyszy” pożar. Aby przekonać się, czy wykryte zwiększenie temperatury rzeczywiście ma związek z ogniem, żuk wznosi się w powietrze, uderzając skrzydłami i „obserwując” reakcję receptorów. Fałszywy alarm może mieć związek z innym źródłem ciepła, ale prawdziwy pożar sprawia, że sygnały podczas lotu są intensywniejsze i wyznaczają kierunek.
Chemoreceptory
Drugi wykrywacz to czułki żuka wyposażone w specjalne chemoreceptory odpowiadające na fenole wydzielane podczas spalania lasu. Dzięki nim ciemnik potrafi wyczuć w powietrzu najmniejszą ilość lotnych związków powstałych przy spalaniu jego ulubionych drzew.
Inspiracje dla Nowych Technologii
Wczesne wykrywanie zjawisk pożarowych daje szansę na szybkie ugaszenie i zahamowanie rozprzestrzeniania się pożaru. Naukowcy postanowili ulepszyć obecnie dostępne czujniki promieniowania podczerwonego na podstawie obserwacji ciemników czarnych, ponieważ obecne czujniki wydzielają sporo ciepła i wymagają chłodzenia, co generuje wysokie koszty.
- Dążą oni do uzyskania temperatury pokojowej detektorów, inspirując się chrząszczami, które nie przegrzewają się, choć odbierają informacje o wysokiej temperaturze.
- Badacze postanowili wyposażyć detektory w czujniki związków chemicznych powstających podczas pożaru lasu, które potrafią odróżniać substancje lotne.
- Inspirując się receptorami odkrytymi w jamkach żuków, tworzy się prototypy detektorów wykrywających wysokie temperatury.
Tak wyposażone czujniki przeciwpożarowe są już w fazie testów. Trwają też prace nad rozpowszechnieniem tej technologii i jej zastosowaniem nie tylko w sferze lasów, ale też w liniach produkcyjnych, instalacjach przemysłowych i podczas prac budowlanych.
Metody Oceny Emisji z Pożarów
Jeśli interesuje nas po prostu, ile gazów cieplarnianych i innych zanieczyszczeń zostało w sumie wprowadzonych do atmosfery w wyniku pożarów czy wypalania (np. w ciągu roku), możemy to ocenić na podstawie rozmiarów wypalonego obszaru. Pole strawionej ogniem powierzchni mnoży się przez odpowiednie dla konkretnego ekosystemu współczynniki (typową masę roślinności, jaki jej udział ulega spaleniu, wydajność spalania oraz wielkość towarzyszących pożarowi emisji). Takie podejście, zaproponowane na początku lat osiemdziesiątych (Seiler i Crutzen, 1980), jest używane między innymi w oszacowaniach emisji związanych z wypalaniem sawann, lasów czy wysuszonych mokradeł, które wszystkie kraje mają obowiązek przekazywać Organizacji Narodów Zjednoczonych.
Jakość uzyskiwanych wyników zależy od tego, jak poważnie podejdziemy do zadania i jak dokładnie dobierzemy współczynniki opisujące wypalony ekosystem. Naukowcy pracują stale nad weryfikacją i udoskonalaniem tych metod. Ostatnio na przykład Surawski i koledzy (2016) zaproponowali, że podobne oszacowania powinny uwzględniać nie tylko ilość spalanej biomasy, ale też zmiany w zawartości węgla w glebie przed i po pożarze - część tego pierwiastka pozostaje bowiem na powierzchni Ziemi.
Pomiary Satelitarne i Naziemne
Ważnym źródłem informacji przy ocenie emisji związanych ze spalaniem biomasy są pomiary satelitarne. Rejony, w których trwają pożary, wyróżniają się temperaturami dużo wyższymi niż w otoczeniu, dzięki czemu łatwo wychwycić je za pomocą zdjęć w podczerwieni. Satelity łatwo identyfikują również obszary wypalonej roślinności (ang. burn scars - blizny po pożarach). Na przykład, w przypadku instrumentu MODIS, wykorzystuje się obrazowanie wykonane w trzech długościach fali: 2155 nm (podczerwień, kanał 7), 876 nm (bliska podczerwień, kanał 2) i 670 nm (czerwień, kanał 1). Nakładając je na siebie w odpowiedni sposób, uzyskuje się obrazy, na których roślinność przybiera jaskrawozielony kolor, a goła gleba - jasny różowawy. Satelity pomagają także w badaniu składu i transportu (czyli przemieszczania się) dymu.
Mimo wielu zalet, pomiary satelitarne wymagają uzupełnienia przez pomiary naziemne. Przykładem badań tego typu jest kampania pomiarowa ABoVE (Arctic Boreal Vulnerability Experiment), w ramach której naukowcy chcą między innymi sprawdzić, ile dwutlenku węgla jest emitowane podczas pożarów tajgi. Okazuje się, że głównym źródłem emisji są nie tyle same drzewa i ich liście/igły, co warstwy igliwia i innych szczątków odkładające się w ciągu wielu lat na powierzchni ziemi. Naukowcy pobierają więc próbki gleby w miejscach zniszczonych ogniem i sprawdzają, jak głęboko sięgał pożar. Z powierzchni Ziemi obserwuje się też rozprzestrzenianie się dymów z pożarów i to, jak zmieniają się ich właściwości w miarę oddalania się od źródła i mieszania z powietrzem z otoczenia.
Historia i Prognozy Pożarów
Pożary lasów, sawann czy buszu zdarzały się zawsze. Istnieją rośliny i całe ekosystemy, które są do nich przystosowane, a nawet - są od nich uzależnione. Przykładowo, torebki nasienne australijskich krzewów Banksia media otwierają się dopiero w temperaturach występujących podczas pożarów, ogień jest więc niezbędny do powstania nowego pokolenia. W naturalnych warunkach węgiel uwięziony w spalonych roślinach i glebie w ciągu kilku lat zostałby ponownie pochłonięty przez rośliny. Obecnie jednak wiele pożarów jest bezpośrednio (przez celowe lub przypadkowe podpalenia, także przy okazji praktyk rolniczych) lub pośrednio (np. przez zabiegi melioracyjne i wysuszanie lasów czy mokradeł) powodowanych przez człowieka.
Ewolucja Intensywności Pożarów
Nie zawsze można jednoznacznie wskazać, które zdarzenia nie zaszłyby bez ludzkiej ingerencji (np. zamiast podpalenia pożar mógłby zostać zapoczątkowany przez piorun). Jednak, podobnie jak w przypadku zjawisk meteorologicznych, można wysnuć pewne wnioski na podstawie statystyk. Takie podejście zastosowali w swojej pracy z roku 2010 Pechony i Shindell, porównując intensywność pożarów odtworzoną na podstawie danych pośrednich (np. składu powietrza w rdzeniach lodowych) z numerycznymi symulacjami dla ostatniego tysiąca lat.
Do późnego XVIII wieku wyniki symulacji dobrze zgadzają się z rekonstrukcjami opartymi na osadach węgla, co sugeruje, że aktywność pożarowa zależała w tym czasie głównie od naturalnych czynników klimatycznych (przede wszystkim opadów). Po rewolucji przemysłowej (przełom XVIII i XIX wieku) intensywność pożarów zaczęła rosnąć. Naukowcy wiążą to przede wszystkim ze wzrostem populacji i działaniami takimi jak wypalanie roślinności na potrzeby pól i pastwisk. Badacze spodziewają się, że do połowy XXI wieku trend zmian znowu się odwróci: wzrost temperatur oraz częstości występowania fal upałów i susz spowodują ponowny wzrost intensywności pożarów, nawet mimo coraz nowocześniejszych technik ich zwalczania.
Do szczególnie narażonych ekosystemów należą lasy podzwrotnikowe i szerokości umiarkowanych, zwłaszcza zajmująca olbrzymie obszary Syberii i Kanady tajga. Lasy tropikalne wciąż jeszcze są bardzo wilgotne, ale w przypadku wydłużania się pory suchej również one będą coraz częściej padać ofiarą ognia. Spektakularnym przykładem tego, co oznacza pożar w rejonie równikowym, są wydarzenia z roku 2015, w którym ogień objął rozległe obszary południowo-wschodniej Azji, powodując emisje CO2 porównywalne z przemysłem Japonii lub Indii.