Сопряженные димерные и тримерные фталоцианины тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

На правах рукописи

ИВАНОВ Валерий Александрович

МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КЛАССИФИКАЦИИ ЛЕСОВ СРЕДНЕЙ СИБИРИ ПО СТЕПЕНИ ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ

ОТ ГРОЗ

Специальность 06.03.03 — Лесоведение и лесоводство, лесные пожары и борьба с ними

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора сельскохозяйственных наук

Красноярск,2006

Работа выполнена на кафедре лесоводства Сибирского государственного. технологического университета

Научные консультанты: доктор сельскохозяйственных наук, профессор

| Матвеев Петр Михайлович| доктор биологических наук, профессор Абаимов Анатолий Платонович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Доррер Георгий Алексеевич доктор сельскохозяйственных наук, профессор Залесов Сергей Вениаминович доктор биологических наук Цветков Петр Алексеевич

Ведущая организация: - Центр по проблемам экологии и

продуктивности лесов РАН

Защита состоится /&2006 г. ъ /3 часов на заседании диссертационного совета Д 212.253.03 при Сибирском государственном технологическом университете.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями просим направлять по адресу: 660049, Красноярск, пр. Мира, 82, СибГТУ, Ученому секретарю совета. Fax: (3912) 660-390, E-mail: Pavlov@sibstu.kts.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Сибирского государственного технологического университета

Автореферат разослан " 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.с.-х.н., доцент Лавлов Игорь Николаевич

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Ежегодно на Земле возникает несколько десятков тысяч лесных пожаров, причиной которых являются грозы. Распределение этих пожаров по территории неравномерное. Так, например, на территории Канады возникает от гроз до 52% лесных пожаров, а в Германии лишь около 1%. На территории России ежегодно регистрируется от 1100 до 5100 лесных пожаров от гроз, площадь которых варьирует от 22 до 890 тыс. га. (Коровин, Зукерт, 2004). Часто после грозы на огромной территории могут возникнуть одновременно несколько десятков лесных пожаров. При этом лесной пожар от молнии может быть обнаружен после прохождения грозы лишь спустя несколько дней. Пожары от молний в отличие от пожаров, причиной которых является человек, могут возникать в любом месте, часто удаленном и не связанном с транспортными путями. Это затрудняет их своевременное обнаружение, и пожары распространяются на большие площади.

В США, Канаде, Англии, Франции и Австралии налажена система слежения за грозами и определения координат молниевых разрядов в землю с точностью от 1 км до 100 м в зависимости от конструкции пеленгатора (Noggle et al., 1976; Cummins, et al., 1998). На территории России в ряде регионов с 1997 года работает система регистрации молниевых разрядов, которая позволяет определять их координаты и параметры на территории, измеряемой сотнями и тысячами километров (Азметов, Беляев, Московенко, 2003). В то же время проблема обнаружения и тушения пожаров от молний остается острой.

Не каждый удар молнии, достигающий земли, вызывает загорание. Г1о данным канадских исследователей (Kourtz, 1967), в Британской Колумбии один пожар от молнии приходится в среднем на 50 разрядов, а в Альберте - на 1400. В таежной зоне Средней Сибири один пожар возникает в среднем на 200 разрядов. При этом учитывается количество только, зарегистрированных пожаров и неизвестно, сколько возникло, но не было обнаружено.

В России проблемой лесных пожаров от гроз занимались многие исследователи (Чирвинский, 1950; Грибанов, 1953, 1955; Успенский,1959; Листов, 1967; Курбатский, 1976; Захаров, Столярчук 1977; Столярчук, 1982; Арцыбашев, Губин, 1978; Бейсембаев, 1984; Коровин, Зукерт, 2004). Исследование пожаров от гроз сводилось, в основном к анализу их статистики и к описанию, а сам механизм возникновения пожара от молнии и условия его развития не рассматривались.

В связи с изменением климата и прогнозируемым потеплением ожидается увеличение количества природных источников огня (молний), а также смещение * повышенной пожароопасности в северные леса (Kasischke et al., 1995; Stocks et al., 1998; Павлов, 2003).

Проблема лесных пожаров от гроз актуальна для Средней Сибири, где их ежегодно возникает более 400 на площади свыше 35 тыс. га. Поэтому возникает необходимость изучения природы пожаров от молний и разработки методологических основ классификации лесов по степени пожарной опасности от гроз с целью прогнозирования их возникновения, тушения и снижения, наносимого ими, экологического и экономического ущерба.

Цель исследования: выявить закономерности возникновения и развитая лесных пожаров от гроз, и на их основе классифицировать леса Средней Сибири по степени пожарной опасности от гроз для улучшения охраны лесов.

В связи с поставленной целью были определены следующие задачи исследования:

1. Провести анализ горимости лесов от гроз в Средней Сибири;

2. Определить особенности возникновения лесных пожаров от гроз;

3. Выявить факторы, влияющие на частоту пожаров от гроз;

4. Разработать классификацию лесных участков по степени пожарной опасности от гроз.

Научная новизна. Выявлены закономерности возникновения и развития лесных пожаров от гроз в различных лесорастительных условиях.

Экспериментально опредслегго критическое влагосодержапие лесных горючих материалов, при котором возможно их загорание от молнии. Установлено, что горение, возникшее от молнии, может находиться в стадии тления до 10 суток без обнаружения.

Выявлена связь возникновения пожаров от гроз с гранулометрическим составом почвы. Установлена связь частоты пожаров от гроз с интенсивностью геомагнитных аномалий территории.

Показано, что в условиях Средней Сибири облака пожаров способны инициировать разряды молний, которые, в свою очередь, могут вызывать новые лесные пожары. Определены причины, вызывающие разрушение стволов деревьев молнией.

Проведена классификация лесных участков по степени пожарной опасности от гроз.

Практическое значение.

Для западной части Средней Сибири проведена классификация лесных участков по степени пожарной опасности от гроз, выявлены территории с повышенной грозовой пожарной опасностью, определены сроки обнаружения пожаров после прохождения гроз.

Разработаны рекомендации по использованию спутниковых данных для обнаружения лесных пожаров от молний, что позволяет лесохозяйственпым службам улучшить организацию охраны лесов от пожаров и минимизировать их отрицательные последствия.

Классификация лесной территории по степени пожарной опасности от гроз прошла опытно-производствегшуго проверку в авиаотделениях Красггоярской базы авиационной охраны лесов на территории Енисейского, Туруханского и Богучанского районов Красноярского ¡фая.

Материалы диссертации включены в лекционный материал, учебные пособия по дисциплинам «Лесная пирология», «Метеорология и климатология» и используются в учебном процессе при подготовке инженеров лесного хозяйства на лесохозяйственном факультете СибГТУ по специальности 260400.

Защищаемые положения

1 Пространственно-временное распределение пожаров от гроз в лесах Средней Сибири обусловлено физико-географической зональностью и климато-метеорологическими условиями: наибольшее их количество возникает в горной и в южной тайге, а наименьшее - в зоне травяных лесов.

2 Особенностью возникновения лесного пожара от молнии является то, что очаг горения в стадии тления может находиться внутри слоя лесного горючего материала длительное время после грозы (от 5 до 10 суток в зависимости от вида горючего материала и условий погоды).

3 Очаг горения от молний возникает при влагосодержании лесных горючих материалов менее 11%, а с увеличением, толщины слоя горючих материалов возрастает вероятность его загорания.

4 Классификация лесной территории по степени пожарной опасности от гроз основана на комплексном учете климатических и лесорастительных факторов, что дает возможность ее прогнозирования.

Апробация работы. Основные результаты исследований по теме диссертации докладывались на: Всесоюзной конференции "Аэрокосмический мониторинг таежных лесов" (Красноярск, 1990); Международной конференции "Лесные пожары: возникновение, распространение и экологические последствия" (Томск, 1995); научно-практической конференции "Проблемы химико-лесного комплекса" (Красноярск, 1998); Международной конференции по синхротронному излучению (Новосибирск, 1999); Международной конференции "Crossing the Millennium: Integrating Spatial Technologies and Ecological Principles for a New Age in Fire Management (Boise, Idaho, USA, 1999); Региональной межвузовской конференции "Эколого-экономические проблемы Красноярского края" (Красноярск, 2000); Международной научной конференции"ТЬе Role of Boreal Forests and Forestiy in the Global Carbon Budget! '. .(Edmonton,. Alberta, Canada, 2000);-Международной конференции "Лссные и степные пожары: возникновение, распространение, тушение и экологические последствия" (Иркутск, 2001); Международной научно — практической конференции "Охрана лесов от пожаров в современных условиях" (Хабаровск, 2002); Международной конференции "Природные пожары: возникновение, распространение, тушение и экологические последствия" (Томск, 2003); Всероссийском совещании "Дендрохронология: достижения и перспективы" (Красноярск, 2003); Международном научно - практическом семинаре "Управление лесными пожарами на экорегиональном уровне" (Хабаровск, 2003); Всероссийской конференции "Структурно — функциональная организация и динамика лесов" (Красноярск, 2004); Всероссийской научно-практической конференции «Непрерывное экологическое образование и экологические проблемы» (Красноярск, 2004).

Личный вклад автора. Работа является результатом 20-летних исследований. Тематика входила в планы НИР Сибирского отделения All СССР и кафедры лесоводства СибГТУ, проектов Российского фонда фундаментальных исследований 01-04-49340 (2001-2003) и 04-04-49484 (2004-2006), совместного российско-американского проекта 99-1СА-076 (2000-2004). Все исследования по теме диссертации выполнены непосредственно автором, либо под его руководством и при его непосредственном участии. Автор разрабатывал программы и методики, проводил анализ, обобщение и интерпретацию полученных результатов.

Исходные материалы. В основу работы пололсены данные наблюдений на 56 постоянных и временных пробных площадях, а также описание более 160 маршрутных обследований, доступные статистические материалы Красноярской базы авиационной охраны лесов от пожаров, лесхозов и метеорологических

станций Красноярского края. Кроме этого, проведено свыше 1200 опытов по моделированию зажигания электрической искрой и кратковременной электрической дугой разных видов лесных горючих материалов при их различном влагосодержании.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 49 печатных работ, в том числе монография (в соавторстве).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, библиографического списка и приложений. Объем рукописи составляет 348 стр., включает 53 таблицы, 64 рисунка и список литературы, содержащий 370 источников, в том числе 56 иностранных._

Автор признателен д-ру с.-х. наук, профессору (n.M. Матвееву[ и д-ру биологических паук, профессору А.П. Абаимову за научные консультации и постоянный интерес к работе, а также благодарен д-ру с.-х. наук, профессору Э.Н. Валендику за ценные советы, которые были учтены при подготовке рукописи диссертации.

1 СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА

Основной природной причиной возникновения лесных пожаров является молния. На территории России число пожаров, возникших от ipoa, по данным разных источников варьирует для различных регионов от 1 до 70% от общего числа пожаров (Грибанов, 1954; Успенский, 1959; Курбатский, 1964; Филиппов, 1977; Арцыбашсв, Губин, 1978; Ноге, Тихонов, 1979; Ivanova, Ivanov, 1999; Горев, 2004).

Исследованиями поведения и образования молний, а также возникновения лесных пожаров от них занимаются ученые многих стран. К настоящему времени опубликовано значительное количество работ, посвященных природе электрических явлений и процессов, происходящих в атмосфере, в том числе и молниям (Keranen, 1929; Стекольников, 1955; Иванидзе, 1967; Шонланд, 1967; Семенов, 1969; Юман, 1969; Филиппов, 1974; Ализаде, Гаджиев, 1976; Алехина и др., 1978; Черкасов, 1983; Томилин, 1986; Раков, Дульзон, 1984; Раков, Аджиев, Шойванов, 1989; Дубова, Пряжинский, Читанаева, 1991; Козлов, Муллаяров, Васильев, 2003; Горбатенко, Дульзон, 2003; Ершова, 2004; Chandler et al., 1991; Darveniz, Zhou, 1994 и др.).

В лесохозяйственной литературе впервые воздействие молнии на лес описал F. Plummer (1912). Большинство молниевых пожаров, по его мнению, возникает при загорании гумуса под деревом. Позднее это было подтверждено другими исследователями (Грибанов, 1954; Успенский, 1959; Листов, 1967; Курбатский, 1976; Захаров, Столярчук, 1977; Бейсембаев, 1984; Barrous el al. 1977; Kourtz, 1967; Renkin, Despain, 1992; Bernard, 1993).

Различают грозы фронтальные и внутримаесовые, но единого мнения, какой вид грозы является наиболее пожароопасным, пока нет. Выявлено, что при фронтальных грозах не всегда возникают пожары, а от одной внутримассовой грозы может возникнуть сразу несколько пожаров, и наоборот (Камышева, Столярчук, 1984; Столярчук, Раков, Белая, 1989; Kourtz, Todd, 1991).

Л.В. Столярчук (Столярчук, Белая, 1981; Столярчук, 1982) для прогноза грозовой пожарной опасности в лесу был разработан грозовой индекс и

комплексный метеорологический показатель. Для обнаружения грозовых пожаров ряд исследователей рекомендует использовать метеорологические локаторы и грозопеленгаторы (Успенский, 1958; Филиппов, 1977; Белая, 1998; Азметов, Беляев, Московенко, 2003; Rust, Doviak, 1982; Cummins et al. 1998). E.C. Арцыбашев и П.А. Губин (1978) предлагают при прохождении интенсивных грозовых очагов проводить многократное авиапатрулирование лесных массивов и использовать для обнаружения скрытых очагов горения инфракрасную аппаратуру.

В то же время вопросы соотношения фронтальных и внутримассовых гроз, механизм возникновения лесных пожаров от них и какой тип грозы наиболее опасен в пожарном отношении недостаточно раскрыты в отечественных и зарубежных публикациях. Исследование условий возникновения лесного пожара от молнии позволит решить эту проблему. В связи с отмеченным, в настоящей работе предпринята попытка выявить механизм возникновения пожара от молнии, установить факторы, влияющие на частоту пожаров от гроз, и на их основе разработать классификацию лесов по степени пожарной опасности от гроз.

2 РАЙОН, ОБЪЕКТЫ НАБЛЮДЕНИЙ, ПРОГРАММА И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Район исследований охватывает западную часть Средней Сибири, находящуюся в административных границах Красноярского края, Эвенкийского автономного округа, республик Хакасия и Тыва. По физико-географическому районированию территория исследования включает западную половину СреднеСибирского плоскогорья, приенисейскую полосу Западно-Сибирской равнины и центральную часть Ллтае-Саянских гор (Средняя Сибирь, 1964) и характеризуется большим разнообразием климатических условий. Основная черта климата района исследования - резкая континентальность (Алисов, 1956; Щербакова, 1961).

Грозовая деятельность в Средней Сибири увеличивается с севера на юг, что связано с ростом температуры и влажности воздуха. Среднее число дней с грозой за год составляет на севере региона - 1-2 дня, на территории Средне-Сибирского плоскогорья - 15-20, нижней части бассейна р. Ангары — 26, в центральных районах Красноярского края - 20-23, в горных районах Восточного и Западного Саяна - 3035. На территории исследований можно выделить следующие районы повышенной грозовой активности: западные склоны Кузнецкого Алатау, западный Саян, западные и восточные склоны Енисейского кряжа, Приегшсейская часть ЗападноСибирской низменности.

В зависимости от климатических условий наблюдается широтная зональность и высотная поясность в распределении растительности. По лесорастительному районированию Сибири (Короткое, 1994) территория района исследования отнесена к Западно-Сибирской равнинной, Средне-Сибирской плоскогорной и Алтае-Саянской горной лесорастительным областям. В их пределах выделено 5 лесорастительных провинций (ЛП) и 8 лесорастительных округов (ЛО).

Программой исследований предусматривалось:

1. Провести анализ горимости лесов от гроз в Средней Сибири; 1.1. Исследовать распределение лесных пожаров от гроз в течение пожароопасного сезона в зависимости от географической широты и по лесопожарным районам;

1.2. Оценить пожарную опасность от гроз в насаждениях различных лесорастительных зон.

2. Исследовать механизм возникновения и развили лесных пожаров от гроз;

2.1. Определить при каком влагосодержании и мощности слоя лесного горючего материала возможно загорание его от электрической искры;

2.2. Установить величину минимальной энергии электрической искры необходимой для зажигания лесных горючих материалов;

2.3. Выявить факторы, оказывающие влияние на зажигание молнией лесных горючих материалов;

3. Установить факторы, влияющие на частоту возникновения пожаров от гроз;

4. Определить критерии и провести классификацию лесов Средней Сибири по степени пожарной опасности от гроз.

Методология исследования включала в себя лабораторные эксперименты и инструментальные полевые методы с последующей статистической обработкой и анализом полученных данных.

Стационарные наблюдения за грозовой активностью и возникновением пожаров от гроз проведены в разных лесорастительных зонах Средней Сибири. Было подобрано 56 опытных участков, которые описаны по методике B.1L Сукачева и C.B. Зонна (1961). Также проведены маршрутные обследования мест возникновения пожаров от гроз.

3 ГОРИМОСТЬ ЛЕСОВ СРЕДНЕЙ СИБИРИ

3.1 Географические особенности возникновения лесных пожаров от гроз

На территории Средней Сибири ежегодно регистрируется свыше тысячи лесных пожаров. По многолетним статистическим данным Красноярской базы авиационной охраны лесов, основной причиной возникновения лесных пожаров являются неосторожное обращение с огнем (59.2%) и грозы (31.8%). С лесопожарной точки зрения, наиболее важным является продолжительность фактического пожароопасного сезона, которая зависит от широты местности, орографических, лесорастительных и погодных условий, а также от причин возникновения пожара (Мелехов, 1946;Мокеев, 1961, 1965; Душа-Гудым, 1978).

Средняя продолжительность" грозопожароопасного сезона в горах на юге Средней Сибири (50°-53° с.ш.) составляет около 100 дней, в средней тайге (59°-61°с.ш.) - 90 дней, что, соответственно, составляет 60% и 85% от фактического пожароопасного сезона. Сравнительно короткий период горимости горных лесов от гроз объясняется тем, что наиболее благоприятные условия для возникновения пожаров от них создаются с конца мая и по первую декаду июля. В зоне травяных лесов (53°-56° с.ш.) грозопожароопасный сезон составляет около 90 дней и здесь регистрируется наименьшее количество пожаров от гроз, так как они возникают только в конце весны и в начале осени. Основная причина в том, что пожароопасные периоды в травяных типах леса не совпадают с грозовой активностью. В южной и средней тайге пожароопасный сезон совпадает с грозовой деятельностью в пространственно - временном распределении и пик пожаров от гроз приходится на июль - начало августа. Выявлена достаточно тесная связь в

меридиональном направлении между частотой пожаров, числом дней с грозой и продолжительностью грозовой деятельности: ранговый коэффициент согласия равен 0.72. Это обусловлено уменьшением числа дней с грозой и продолжительности пожароопасного сезона с юга на север (рисунок 3.1).

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 Географическая широта, град.

Зпожары от местного населения

Нпожеры от гроз ■

- грозовая деятельность

Рисунок 3.1 - Частота лесных пожаров на территории Средней Сибири в зависимости от географической широты

Средняя площадь пожара от гроз для насаждений средней и южной тайги -59.5± 16.0 га и 40.8± 15.4 га, соответственно, а в травяных лесах — 11,6±4.9 га. В горных лесах средняя площадь пожара составляет 24.4 ±7.9 га.

Практически в любом насаждении возможны пожары от гроз. На рисунке 3.2 показано число случаев загорания от молнии в насаждениях разных пород в зависимости от географической широты.

20

ю -

5 -

А

I

К

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 Географическая широта, град. осина, береза Рель, пихта □лиственница Мкедр □сосна!

Рисунок 3.2 - Распределение числа пожаров от гроз по породам в зависимости от географической широты

Наибольшее число их регистрируется в сосновых насаждениях - 21 пож./105га. Пожары от гроз довольно часто возникают в кедровых насаждениях, особенно в горных условиях, где они наиболее распространены - 11 пож./103га. Реже пожары от гроз наблюдаются в пихтовых и еловых насаждениях - 2.9 пож./103 га.

3.2. Оценка горимости лесов по лесопожарным районам

На территории Красноярского ■ края и Республики Тыва выделено 6 лесопожарных районов (Валендик, 1963). Фактическая горимость лесов каждого района зависит от его природной пожарной опасности, погодных факторов и появления источников огня (Софронов, Волокитина, 2002). Анализ данных о лесных пожарах показал, что пожароопасный сезон от гроз начинается в мае и заканчивается в августе практически во всех лесопожарных районах (таблица 3.1).

Таблица 3.1 - Распределение числа пожаров от гроз в течение пожароопасного

Лесопожарный район Авиаотделение Месяцы

У УI УН У1И

Тунгусский сосново- Подкаменно-Тунгусское 0 20 58 22

лиственничный Ярцевское 1 13 65 21

Северо-Енисейское 1 16 56 27

Кежемское 1 8 56 35

Приангарский Богучанское 3 12 64 21

Чуноярское 1 . 34 50 15

Равнинный Енисейское 15 21 46 18

темнохвойной тайги Пировское 7 48 . 28 17

Лесостепной Красноярское 1 92 0 7

Курагинское 17 . 13 70 0

Горный темнохвойной Ермаковское 17 23 50 10

тайга Таштыпское 7 26 67 0

Усинское 2 25 48 25

Тувинский горнолиственничный Кызыльское 0 10 88 2

В целом наибольшее количество пожаров от гроз регистрируется в июле, за исключением лесостепного района, где практически все пожары возникают в первой декаде июня.

Различие в распределении числа пожаров, возникших от гроз в течение пожароопасного сезона, по авиаотделениям внутри лесопожарных районов связано с разнообразием типов леса, произрастающих на их территориях, очередностью их пожарного созревания и ходом погоды.

Фактическая горимость приведенных лесопожарных районов оценена нами по методике М.А. Софронова (1990).

Наибольшая частота пожаров от гроз отмечается на территории Приангарского лесопожарного района, где наблюдается сочетание факторов,

которые способствуют частому возникновению пожаров: повышенная грозовая активность, высокий класс природной пожарной опасности насаждений (сосняки и лиственничники лишайниковых и зеленомошных групп типов леса) и орография района. Горимость района по площади пожаров от гроз на 100 тыс. га охраняемой территории оценивается как очень высокая (более 300 гаЛОО тыс. га в сезон), по индексу горимости - повышенная (2.6-2.8 км/100 тыс. га в сезон) (таблица 3.2).

Таблица 3.2 - Характеристика фактической горимости лесопожарных районов по причине грозы (среднее многолетнее) ___

Лесопожарный район Авиаотделение пг, пожаров 105 га вг, га/105 га Рг, км/105 га ее га

Тунгусский сосново-лиственничный Подкаменно-Тунгусское 0.3 24 0.8 68

Ярцевское 0.8 45 1.8 57

СевероЕнисейское 0.3 323 3.0 126

Приангарье Кежемское 1.2 22 1.5 18

Богучанское 1.2 348 6.0 297

Чуноярское 2.3 356 8.6 165

Равнинный темнохвойной тайги Енисейское 0.5 15 0.9 27

Пировское 0.2 3 0.2 20

Лесостепной Красноярское 0.2 1 0.2 8

Горный темнохвойной тайги Курагинское 0.1 2 0.1 15

Ермаковское 1.0 16 1.2 26

Таштыпское 0.4 69 1.6 164

Усинское 1.4 11 1.2 13

Тувинский горнолиственничный Кызыльское 0.4 34 1.0 юо ■ 1

Примечания: п^ - число пожаров, возникающих на 10 га; вг, - площадь пожаров, приходящихся на 105 га; Р„ - относительный суммарный периметр пожаров км/105 га; БЕ, - средняя площадь пожара

Большие охраняемые площади авпаотделений в рассматриваемом лесопожарном районе не позволяют своевременно обнаруживать пожары, возникающие от гроз. Высокая пожарная опасность насаждений и труднодостутшость мест, где возникают пожары, приводит к высокой горимости лесов.

Менее подвержен пожарам от гроз лесостепной лесопожарный район. Насаждения здесь представлены обособленными участками, расположенными островами среди лугов, степей, сельскохозяйственных угодий. Насаждения лесостепи территориально привязаны к теневым склонам или западинам среди холмов (Фарбер, 2000) и произрастают на влажных почвах с тяжелым гранулометрическим составом (Горшенин, 1955). Поэтому вероятность попадания молнии в такие насаждения и их загорания небольшая. К тому же пожароопасные периоды в этом районе не совпадают с грозовой активностью.

Лесопожарный район горной темнохвойной тайги характеризуется высокой вариабельностью частоты пожаров - от 0.1 до 1.4 пож./100 тыс, га из-за большого разнообразия лесопожарной обстановки и лесорастительных условий. В районе доминируют темнохвойные леса, произрастающие во влажном климате и имеющие низкую природную пожарную опасность. По долинам крупных рек и на крутых склонах южной и западной экспозиции расположены сосновые и лиственничные насаждения, которые находятся длительное время в пожарнозрелом состоянии.

Частота лесных пожаров по авиаотделениям, находящимся на одной географической параллели, по имеющим различные географические долготы позволяет нам проследить, как меняется горимость территорий в направлении с запада на восток (рисунок 3.3).

Рисунок 3.3 - Частота лесных пожаров от хроз на территории Средней Сибири

по авиаотделениям: 1 - < 0.1 пояс./100 тыс. га. 2 - 0.11 - 0,3 пож./100 тыс., 3 - 0.31 - 0.6 пож./100 тыс. га., 4-0.61 - 1.8 пож.ЛОО тыс. га., 5->1.8 пож./ЮО тыс.га.

Рассматриваемые нами параллели для анализа горимости лесов по долготе хорошо географически совпадают с экорегионами, выделенными В.А. Соколовым (1997) для Восточной Сибири, анализ которых дал С.К. Фарбер (2000) и выделил в каждом экорегионе субэкорегионы.

В западной части Тунгусского среднетаежного экорегиона, на географической параллели 59°-63° с.ш., частота пожаров составляет 0.8 пож./ЮО тыс. га и далее в

восточном направлении она уменьшается в 2 раза, что связано с грозовой активностью и характером растительности. В западной части экорегиона наблюдается повышенная грозовая активность - 27 дней в году с грозой, и далее на восток она снижается до 13-15 дней. Сосновые леса, произрастающие в западной части экорегиона, постепенно сменяются в центральной части па елово-пихтовые.

В восточной части экорегиона (Ванаварское авиаотделение) леса в основном представлены сосново-лиственничными и сосновыми лишайниковыми насаждениями (Назимова, 1969). Низкую горимость восточной части можно объяснить коротким летом с заморозками в течение всего теплого периода и низкой грозовой активностью.

На параллели 5В°-60°с.ш. (Ангарский южно-таежный экорегион) частота пожаров от гроз в восточном направлении увеличивается с 0.5 до 1.2 пож./100 тыс. га. На этой широте грозовая активность с запада на восток меняется незначительно - с 27 до 25 грозовых дней в году. Лесная растительность, в отличие от более северных широт, сменяется с равнинных темнохвойных и производных березово-осиновых лесов в западной части на равнинные и плоскогорные сосново-лиственничные леса в центральной и восточной частях экорегиона. Растительность экорегиона, а также сухая и малооблачная погода в весенний и летний периоды способствуют нахождению лесных участков длительное время в пожароопасном состоянии. Высокая нарушенность территорий, особенно в южной части (Чуноярское авиаотделение), вырубками и гарями - до 60-80% (Фуряев, 1986; Калашников и др. 1997) затрудняет тушение пожаров. В совокупности все перечисленные факторы приводят к высокой горимости лесов экорегиона.

На параллели 56 58° с.ш. горимость низкая: в западной части частота пожаров составляет 0.1 пож./100 тыс. га, а в центральной и восточной возрастает до 0.4 пож./100 тыс. га. Большая часть района относится к Канско-Ачинскому лесостепному экорегиону. Преобладающие насаждения лесостепи относятся к травяным типам леса.

Параллель 52°-54° северной широты проходит по Алтае-Саянской горной области, где наблюдается повышенная грозовая активность по сравнению с другими территориями Средней Сибири. В западной части насаждения представлены, в соответствии с вы'сотно-поясными комплексами типов леса, лесостепными и подтаежными сосново-лиственничными и темнохвойными. Территория характеризуется обильным увлажнением, что и определяет низкую горимость - 0.4 пож./ЮО тыс. га.

Наибольшая частота пожаров отмечается в центральной части - 1.4 пож./100 тыс, га. Здесь регистрируется максимальная грозовая активность - до 49 дней в году с грозой. Горно-таежный комплекс в интервале высот от 800 до 1400 метров представлен светлохвойными травяными лесами. Восточная часть наименее горима от гроз — 0.2 пож./ЮО тыс. га. Территория представляет обширное горное плато, расчлененное большим количеством рек и речек. Насаждения представлены сосново-лиственничными и' кедровыми лесами. Погодные условия в течение пожароопасного сезона не позволяют большинству лесных участков достигнуть пожарной зрелости.

Проведенный нами анализ горимости лесов западной части Средней Сибири показал, что пожары от гроз неравномерно распределены по территории региона. Их частота определяется зонально-географическими особенностями рельефа,

растительности, климата и условиями возникновения пожаров от гроз. Все это определяет необходимость классификации лесов Средней Сибири по степени пожарной опасности от гроз с целью улучшения охраны лесов. Для прогнозирования лесных пожаров, а также для выработки критериев классификации лесов по степени пожарной опасности от гроз необходимо иметь фундаментальные представления о механизме возникновения пожаров от гроз и факторов, влияющих на частоту их возникновения.

4 МЕХАНИЗМ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЛЕСНОГО ПОЖАРА ОТ ГРОЗЫ

4.1 Зажигание электрической искрой лесных горючих материалов

Н.П. Курбатский (1976) отмечал, что непосредственное наблюдение за возникновением горения в лесу от молнии затруднительно и судить о нем можно лишь по различным косвешшм признакам. Известно, что когда молния достигает земли ее ток, растекающийся в не очень хорошем проводнике - грунте, сопровождается появлением сильного электрического поля, что приводит к его пробою, появляются искры и даже кратковременные дуги (Sunde, 1949; Чалмерс, 1974; Черкасов, 1983; Базелян, Райзер, 2001).

В то же время для оценки степени пожароопасности лесного участка от грозы необходимо знание количественных значений минимальных энергий зажигания электрической искрой лесных горючих материалов (ЛГМ) и их влагосодержания, при котором возможно загорание. С этой целью нами была изготовлена высоковольтная установка, которая позволяла получить электрическую дугу напряжением 100 тыс. вольт и длительностью до 5 мин. Всего проведено 1200 опытов с пределом напряжения 5-50 тыс. вольт и продолжительностью от 0.5-120 секунд.

В результате экспериментов нами установлено, что кратковременная электрическая дуга длиной 15 мм и более способна вызывать загорание следующих видов ЛГМ: мха Pleurzium schreberi, лишайника Cladonia, опада сосновой хвои, сухих листьев березы и осины, ветоши травяной, заболонной гнили хвойных пород, лесной подстилки. На рисунке 4.1 показана зависимость повторяемости (число случаев, %) воспламенения горючего материала от длины электрической дуги. Величина минимальной энергии, необходимой для зажигания различных, видов лесных горючих материалов, приведена в таблица 4.1.

Выявлено, что влагосодержание, при котором возможно распространение горения по всему, объему образца от электрической искры (дуги), находится в пределах 6-11%. При эксперименте нами установлено, что в зависимости от вида ЛГМ и его влагосодержания время воспламенения и величина минимальной энергии зажигания колеблются в широких пределах.

При влагосодержании 6% минимальная энергия зажигания у лишайника Cladonia равна - 58±0.74 Дж, у листьев березы - 63±0.84 Дж, а у сосновой хвои -75±1.4 Дж. Одна из причин, что лишайник загорается от искры при более высоком влагосодержании и при меньшей энергии по сравнению с другими ЛГМ, заключается, по-видимому, в том, что в нем небольшое содержание зольных веществ, а содержание гемицеллюлоз, термически малоустойчивых компонентов высокое, и их разложение начинается при температуре 200°С.

Длила луг ег, мм

■ ■ ■ лишайник Пл= 93.32X1-^1256.10",ехр(0.99х)]; 3^5.19:1=0.99 « <► » хвоя СОСНЫ Пх = 101.99Д1+2304.01*гар(-0.13х)]; Б=3.23; г=0.99

Рисунок 4.1 - Повторяемость воспламенения лесных горючих материалов в зависимости от длины электрической дуги

Таблица 4.1 - Минимальная энергия зажигания лесных горючих материалов

Вид лесного горючего материала Критическое влагосодержание, % Время воздействия дуги, с Энергия зажигания, Дж

X ±т V Р X ±ш V Р Х±т

Травяная ветошь 10.1 0.2 7.4 2.4 1.0 0.2 6.7 2.1 90.0 ±0.5

Опад листьев березы, осины 8.4 0.2 8.4 2.6 1.0 0.3 11.7 3.4 90.0 ±0.9

Заболонная гниль хвойных пород 6.4 0.3 14.9 4.5 1.0 0.5 16.9 5.1 90.3±0.6

Подстилка 7.5 0.3 11.9 4.2 1.0 0.5 16.8 5.0 90.5 ± 1.3

Мох Р1еиггшт хсНгеЬег! 9.1 0.2 5.6 1.8 1.0 0.4 14.0 4.5 90.5 ± 1.4

Лишайник С1ас1ота 10.9 0.3 7.8 2.5 1.2 0.5 16.0 4.6 107.5 ± 0.9

Опад хвои сосны 9.2 0.3 9.1 2.8 1.3 0.6 15.6 4.7 116.9±0.5

Примечания: X — среднее арифметическое; т — средняя ошибка; - вариационный коэффициент; Р,% - показатель точности.

У таких ЛГМ, как хвоя сосны и мхи, преобладает целлюлоза, которая по сравнению с гемицеллюлозами термически более устойчива (Родыгина, 1974).

Из существующих форм переноса тепла (теплопроводность, конвекция, излучение) при зажигании ЛГМ электрической искрой преобладает теплоперенос конвекцией. Теплопроводность и излучение от искры действуют очень малое время, до 1 с. Горючий материал, в который попадает искра, полностью сгорает и переходит в газ, имеющий достаточно высокую температуру, чтобы конвекцией поддержать загорание ЛГМ при низком влагосодержании.

Минимальную энергию зажигания ЛГМ можно рассчитать по формуле:

\Уш1п = - 149.24 + 7.48У„ - 174.44Р™ - 0.871^ + 0.76^,

где У,„ - влагосодержание горючего материала, %;

Рпл - плотность слоя горючего материала, г/см3;

' Ьиск - длина искры, мм;

1раз - температура разложения горючего материала, °С.

Стандартная ошибка расчета по формуле составляет 17%.

С увеличением толщины слоя ЛГМ время зажигания уменьшается. Коэффициент корреляции между временем воздействия электрической дуги и толщиной слоя равен для лишайника С1си1огпа - 0.87, листьев березы - 0.77, подстилки — 0.89. С физической точки зрения зависимость времени загорания от толщины слоя ЛГМ объясняется тем, что с увеличением длины дуги в слое повышается площадь контакта ее с ЛГМ. В результате чего выделяющегося количества продуктов газификации достаточно, чтобы образовать горючую смесь с воздухом даже при кратковременном воздействии дуги. ■

4.2.Факторы, влияющие на возникновение лесного пожара от грозы

Условия, определяющие место удара молнии в пологе леса. Известно, что при образовании достаточно большой разницы потенциалов между облаком и землей возникает электрический разряд (Хромов, 1940; Стекольников, 1955, и др.). Он имеет две основные стадии - лидерную и главный удар. Лидер ионизирует воздух и подготавливает проводящий канал для основного удара. При приближении лидера к земле напряженность поля возрастает, что приводит к развитию направленных вверх стримеров (электрических зарядов), берущих начало на остриях предметов, деревьях и других выступах на земной поверхности. Один из образовавшихся стримеров, наиболее развитый, притягивает к себе лидер, влияя на его путь вблизи земли. Расстояние притяжения между лидером и объектом на земле, с которого развился стример, зависит от заряда стримера и высоты объекта и составляет от 50 до 500 м (Мюллер, Хиллебранд, 1969; Чалмерс, 1974; Базслян, Райзер, 2001). Рассматривая полог леса как относительно ровную поверхность, где высота отдельных деревьев превышает эту поверхность не более, чем на несколько метров (Верхунов, 1976; Загреев, 1978), а почва однородна в пределах влияния лидера и стримера друг на друга, таким фактором, как высота деревьев, в формировании интенсивного стримера можно пренебречь.

На образование интенсивного стримера в пологе леса, по нашему мнению, будут оказывать наиболее существенное влияние два условия: форма кроны дерева и его физиологическое состояние. Как известно, напряженность поля особенно велика у тел с большой кривизной. Отсюда деревья с островершинной кроной будут иметь более развитый стример, чем деревья с шарообразной ■ или иной формой кроны при прочих равных условиях. Под физиологическим состоянием дерева, влияющим па образование интенсивного стримера, мы понимаем усыхающее, сухостойное или суховершинное. Усыхающее или сухостойное дерево, в сравнении с живыми, нормально развивающимися деревьями, несет на себе большой электростатический заряд, который возбуждает развитый стример, поэтому вероятность попадания молнии в усыхающее или сухостойное дерево выше (Иванов, 1996).

Нами обследовано более 200 пораженных молнией деревьев. Установлено, что в 47% случаев они были одинаковыми по высоте с окружающими их деревьями в древостое, 28% - выше окружающих, и 25% - одиноко стоящими. Доля сухостойных деревьев от общего числа деревьев, в которые ударила молния и произошел пожар, составила 16%.

Повреждения, наносимые молнией дереву. Не каждый наземный удар молнии приводит к лесному пожару. Удар молнии в дерево чаще приводит к механическому повреждению и даже к его полному разрушению. На данный момент не существует объяснений, как происходит взаимодействие дерева с молнией и какие механизмы приводят к его повреждениям.

По нашему мнению, виды повреждений дерева в значительной мере, определяются физиологическим состоянием дерева и наличием у него пороков древесины. Можно предположить, что при испарении воды, находящейся в трещине дерева, в результате нагревания се током молнии, которая прошла внутри дерева, возникающее избыточное давление вызывает разрушения ствола. От вида трещины дерева (метиковая, отлупная, морозная) зависит и вид разрушения.

Наиболее часто встречаемое повреждение дерева молнией - это отрыв древесины или коры в виде ремня, проходящий по всей длине ствола. Повреждение части ствола дерева в виде ремня показывает, что разряд шел по периферии ствола. Повреждение такого вида происходит следующим образом. Молния, ввиду ее чувствительности к электропроводности, ударяя в дерево, идет вдоль волокон заболонной части ствола, так как она обладает наибольшей проводимостью. Глубина борозды определяется сечением зоны транзита влаги (наименьшее электрическое сопротивление) в заболонной части ствола дерева. Ширина борозды определяется диаметром канала молнии. Электрическое сопротивление древесины поперек волокон в радиальном направлсшш в 5 раз, а в тангентальном в 3.8 раза выше, чем. вдоль волокон (Калашников, 1968). То есть повышенное сопротивление древесины в тангентальном направлении не дает молнии растекаться по окружности ствола, а повышенное сопротивление древесины в радиальном направлении препятствует проникновению молнии в глубь ствола. При прохождении молнии по стволу на границе зоны транзита влаги и заболони в радиальном направлении и вдоль волокон в тангентальном из-за разности сопротивлений происходит перенапряжение, то есть выделяется больше энергии, которая и вызывает отщеп части древесины в виде ремня. Иногда молния проходит и по поверхности ствола (по коре), оставляя чуть заметный след (механического

происхождения), который можно видеть только в первый год повреждения, или след в виде узкой закопченной полоски без видимых следов механического повреждения в районе образованной полосы.

Степень повреждения дерева молнией зависит от условий его местопроизрастания, видовой принадлежности и определяется строением коры. Деревья, произрастающие на почвах с большим удельным электрическим сопротивлением, получают и более значительные повреждения из-за увеличения длительности воздействия тока молнии на дерево. Выявлено, что основные повреждения при ударе молнии в дерево следующие: обдир коры или снятие слоя древесины вдоль волокон в виде. ремня - 44%, расщепления ствола дерева, раздробление ствола вплоть до уничтожения дерева - 17%, срезание вершины -14%, перелом ствола на середине или у его основания - 15%, различные поражения кроны - 10%.

Влияние почвенных условий на радиус зоны зажигания ЛГМ молнией. Ток молнии, стекая по дереву в почву, проходит сквозь слои опада, подстилки и вызывает их загорание. Радиус образования искр и кратковременных дуг (радиус зажигания) разрядом молнии от места удара в землю зависит от ее мощности, удельного сопротивления почвы и архитектоники. Растекание тока молнии может идти по двум вариантам; через напочвенный покров и корни радиально растекается в грунте или, стекая с корня пораженного дерева, дает начало длинному искровому разряду, скользящему вдоль поверхности напочвенного покрова (Базелян, Райзер, 2001).

Рассчитанный нами радиус зоны возможного образования искр и кратковременных дуг от места удара молнии, при радиальном растекании тока молнии, в зависимости от гранулометрического состава почвы представлен па рисунке 4.2.

10 20 30 40 50 60 70 ВО 90 100 Ток молнии, кА

С

песок сухой

□

Рисунок 4.2 - Радиус возможного образования искр от места удара молнии в землю в зависимости от гранулометрического состава почвы

При токе молнии 100 кА и более радиус зоны образования искр на песчаной почве может достигать 20 м, а на глинистой почве составляет лишь 30 см. Это связано с удельным сопротивлением почвы, которое изменяется в широких пределах и зависит от гранулометрического состава и влажности почвы и ряда других факторов. Легкие почвы (песок, супесь) имеют наибольшее удельное сопротивление, что приводит к большому радиусу растекания тока молнии.

Влияние корневой системы дерева на зажигание ЛГМ молнией. Корневая система дерева выступает в роли заземлителя. Проведенные нами более 500 измерений показали, что сопротивление корневой системы дерева, как заземлителя, не зависит от породы дерева, а зависит от условий места произрастания, гранулометрического состава почвы и от диаметра ствола (рисунок 4.3).

я о

S

6000 -I

5000 -4000 3000 -

S CS

I 2000

I 1000 -

о

J о

у = -63.14х + 5227 г = 0.97; S=124.7

г = 0.98; S=148.5

10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 Диаметр ствола, см .

- - ♦ -. сосняк лишайниково-брусничный

-сосняк бруснично-эелсномошный

Рисунок 4.3 - Электрическое сопротивление заземления корневой системы деревьев в разных типах леса

При большой силе тока молнии и высоком сопротивлении почвы могут возникнуть значительные напряженности электрического поля вблизи корневой системы. Появляются искры и кратковременные электрические дуги (Sunde, 1949; Черкасов, 1983).

Каждая порода дерева в зависимости от вида и условий произрастания формирует поверхностную или стержневую корневую систему. Основная масса физиологически активных корней древесных растений располагается в лесной подстилке и гумусовом горизонте (Уткин, 1958; Попов, 1961; Ссорин, 1963; Абаимов, 1997; Вараксин, 1999 и др.).

При поверхностной корневой системе в тех местах, где корень наиболее близко подходит к поверхности и непосредственно соприкасается с подстилкой или другим видом ЛГМ, при благоприятных условиях от удара молнии происходит их загорание. Если же дерево имеет стержневую корневую систему и произрастает на почвах с низким электрическим сопротивлением, то возникающее перенапряжение происходит в глубине почвы и не распространяется в стороны от ствола на большие расстояния.

Влияние осадков на влагосодержание ЛГМ и на возникновение пожара от молнии. Гроза, как правило, сопровождается выпадением осадков, но наземный разряд молнии может быть как в пределах зоны осадков, так и вне ее (Фролов, 1987; Качурин и др., 1988; Levin, Ziv, 1974; Marshall, Radhakant, 1978; Piepgrass et. al., 1982).

Проведенные нами наблюдения за количеством осадков в пожароопасные сезоны в течение пяти лет на территории Енисейской равнины показали, что в 60% случаев во время грозы выпадает до 4 мм осадков. До 20-60% их задерживается лесным пологом и напочвенной растительностью (Гриценко, Гаврилова, 1952; Волокитина, Софронов, 2002). Осадки, достигшие поверхности почвы, существенно не изменяют влагосодержания опада и подстилки, которые могут загораться от молнии. Влагосодержание различных видов ЛГМ (опада, лишайника Cladonia и мха Pleurzium schreberi) в зависимости от числа дней после выпадения последних осадков на примере сосняка лишайниково-бруснично-зеленомошного приведено в таблице 4.2.

Таблица 4.2 - Влагосодержание ЛГМ в зависимости от числа дней после дождя

ЛГМ Влагосодержание, % Число дней после дождя Осадки, мм ПВ-1

Х±т ±б V

Опад 10.1±0.9 2.6 26.2 2 7.2 1583

Лишайник 10.5±0.4 1.3 12.6

Мох 19.5±2.8 9.0 46.1

Опад 12.4±0.4 1.4 11.0 3 8.5 1124

Лишайник 12.3±0.7 2.2 17.9

Мох 36.6±4.0 13.6 37.2

Опад 12.9±0.2 0.5 4.3 4 9.5 2013

Лишайник 20.0±0.9 3.0 15.0

Мох 22.7±3.0 10.0 44.2

Опад 11.3±0.8 2.7 24.2 9 5.0 2421

Лишайник 8.9±0.7 2.2 25.4

Мох 9.8±1.0 3.4 34.7

Примечания: X — среднее арифметическое; т - средняя ошибка; ±сг — среднее квадратическое отклонение, V, % - вариационный коэффициент.

Наименьшее варьирование влагосодержания имеет опад, состоящий из хвои, чешуек коры, шишек, а также упавших древесных веточек, так как они увлажняются дождем меньше, чем более гигроскопичные лишайники и мхи. При возрастании числа дней после дождя наблюдается незначительные различия во влагосодержании мхов и лишайников. Достаточно двух дней без осадков, чтобы опад и лишайники могли загораться от искр, образуемых молнией.

Особенности возникновения лесного пожара от грозы. Особенностью возникновеш1я лесного пожара от молнии является то, что источник загорания может находиться внутри слоя лесного горючего материала или в местах, защищенных от дождя. Проведенных нами анализ времени, прошедшего с момента грозы до момента обнаружения лесного пожара на территории Енисейской

равнины показал, что очаги загорания от молнии могут находиться в стадии скрытого горения до 5 суток после прохождения грозы. Наибольшее число пожаров (21%) обнаруживается в первые 12 часов после грозы, затем - спустя 24 ч. (Иванов, 1996). На территории Нижнего Приангарья большая часть пожаров от гроз (65-70 %) также обнаруживается в течение 5-6 дней после прохождения грозы. Остальные 25-30% регистрируются в период от 6 до 10 дней (Иванов, Коршунов, Матвеев, 2004).

Таким образом, осадки, сопровождающие грозы, не снимают вероятность появления очага загорания, но оказывают влияние на развитие и распространение пожара. В связи с этим, не выявлено зависимости- между числом дней с осадками, суммой осадков и количеством лесных пожаров от гроз по авиаотделениям, расположенным в различных лесорастительных зонах, Проведенные нами наблюдения и анализ литературных данных позволяют сформулировать различия в зажигании ЛГМ молнией и антропогенными источниками тепла (таблица 4.3).

Таблица 4.3 - Сравнительная характеристика источников зажигания лесных горючих материалов__

Показатели Источник тепла

природный (молния) антропогенный

Площадь зажигания ........определяется током молнии и условиями места произрастания геометрическими размерами источника (спичка, костер и т.п.)

Время воздействия источника тепла 0.1-1.5 с до нескольких часов

Критическое влагосодержапие проводников горения, % 11-14 25-30

Местоположение источника тепла на поверхности, внутри, под слоем ЛГМ на поверхности ГМ

Характер расположения по площади источника тепла многрочаговый точечный

Способ передачи тепла к ЛГМ в основном конвекцией конвекция, кондукция, излучение

В результате наших исследований природы пожаров от гроз на территории Средней Сибири (Иванов, 1996; Иванов, Иванова, 1997;. Иванов, Матвеев, 1999; Иванов, Коршунов, Матвеев 2004; Иванов, Иванова, 2005) и на основе анализа литературных данных о пожарах от гроз (Грибанов,. 1953; Курбатский, 1976; Столярчук, Белая, 1981; Ogilvic, 1981; Latham, Williams, 2001 и др.) мы разработали схему возникновения пожара от грозы, представленную на рисунке 4.4.

В зоне растекания тока молнии опа дробится на искры, образуя искровые источники зажигания, имеющие в определенный промежуток времени высокую температуру (свыше 5000°С), при которой растительные частицы разлагаются с образованием газообразных продуктов. При достаточной толщине слоя ЛГМ происходит совокупное разложение растительных частиц с образованием

необходимого количества газообразных продуктов, способных создать горючую смесь, которая воспламеняется.

И если находящиеся рядом ЛГМ имеют низкое влагосодержание, то возникает очаг горения. Затем происходит распространение горения вокруг очага загорания, если окружающий горючий материал имеет влагосодержание ниже критического, а количество выпадающего дождя недостаточно для ликвидации загорания. Дальнейшее распространение огня по лесному участку приводит к пожару.

Рисунок 4.4 - Схема возникновения лесного пожара от грозы

5 ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ЧАСТОТУ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ ОТ ГРОЗ

Факторы, влияющие на частоту возникновения лесных пожаров от гроз, можно разделить на природные и-антропогеиные. Большинство их взаимосвязаны между собой и оказывают воздействие друг на друга. Из факторов выделяются основополагающие, которые влияют на возникновение и распространение пожара в лесу не только от молнии, но и от других источников огня (Мелехов, 1947; Курбатский, 1962; Конев, 1977; Шешуков, Стародумов, 1978; Курбатский, Иванова, 1987; Валендик, 1990; Софронов, Волокитина, 1990; Bollard, 1993 и др.).

5.1 Природные факторы

Широта местности. Географическая широта является важным фактором, определяющим климат и зональность растительности в меридиональном направлении (Солнцев, 1973). Влияние географической широты сказывается на продолжительности пожароопасного сезона, особенностях лесов и их

послепожарных изменениях (Мелехов, 1946). Средние многолетние значения интенсивности и суммы радиации имеют четкую зависимость от широты и возрастают с севера на юг. В северных районах поступление суммарной радиации в пожароопасный сезон определяет благоприятные условия для прогрева подстилающей поверхности, что приводит к образованию тепловых (местных) гроз, а ЛГМ подвергаются воздействию инсоляции более длительное время в течение суток, что сокращает время их высыхания до критического влагосодержания по сравнению с более южными районами. Интенсивность грозовой деятельности зависит также от широты местности, климатических факторов и рельефа. С увеличением широты общее число разрядов молнии уменьшается, а доля наземных разрядов увеличивается (Раков, Дульзон, 1984).

Климат и орография. Различные типы климата оказывают качественное и количественное влияние на пожароопасность территории и, как следствие, на частоту лесных пожаров. Существующие мезо - и микроклиматические неоднородности формируют пестроту грозовой активности, а также распределяют количество осадков по территории и определяют начало схода снежного покрова, продолжительность пожароопасного сезона. Под . действием климата, географических условий формируются различные типы леса, которые, в свою очередь, создают свой микроклимат.

Метеорологические условия. Метеорологические условия не однозначно влияют на возникновение лесного пожара от грозы. С одной стороны, такие из них, как повышенное количество солнечной радиации, низкая относительная влажность и высокая температура воздуха, наличие ветра способствуют высыханию ЛГМ. С другой стороны, метеорологические условия, приводящие к образованию грозы, такие как высокое влагосодержание воздуха, сильная неустойчивость стратификации атмосферы и наличие облачности задерживают высыхание ЛГМ. Сама же гроза характеризуется ливневыми осадками. Совпадение благоприятных погодных условий для высыхания ЛГМ и образования гроз может привести к лесному пожару.

Наблюдения за сезонной и суточной динамикой гроз были проведены на территории Енисейской равнины (Тунгусский сосново-листвешшчный лесопожарный район), Нижнего Приангарья (Приангарский лесопожарный район), где регистрируется наибольшее количество пожаров от гроз. Сравнительные наблюдения проведены на территории Красноярской лесостепи. На основе инструмеггтальных исследований и анализа синоптических материалов мы получили данные, количественно характеризующие грозы (таблица 5.1).

На Енисейской равнине в среднем за грозовой период на 1 км2 приходится 3 разряда молнии, или в день с грозой на каждые 100 км2 приходится по одному разряду молнии. На территории Нижнего Приангарья за рассматриваемый период на 1 км2 приходится по 1.0 удару молнии в землю. В зоне травяных лесов на территории Красноярской лесостепи в течение трех летних месяцев было зарегистрировано 3 удара молнии в землю на 1 км2, и при этом не было обнаружено ни одного пожара от грозы.

На основе измерений количества молниевых разрядов, тока молнии и времени фиксации грозовой активности с помощью системы регистрации молниевых разрядов (СРМР) (Азметов и др., 2003) определена повторяемость тока молнии в

течение суток, а также повторяемость наземных разрядов молнии в различных лесорастительных зонах района исследования (таблица 5.2).

Таблица 5.1- Распределение числа наземных разрядов молнии по годам

Годы Период наблюдения Количество наземных разрядов молнии Среднее число разрядов на один день с грозой

Енисейская равнина

1986 20.05- 12.08 9689 276

1987 26.05-07.09 17995 529

1988 12.06-22.08 2768 106

1989 20.05-31.08 22147 763

1990 1 22.05 - 17.08 11073 257

Нижнее Приангарье

2000 30.05-30.08 3409 130

2001 10.06-20.08 1515 158

2002 25.05-28.08 4718 204

Красноя рская лесостепь

2004 30.05-31.08 9696 323

Примечания: Енисейская равнина, п. Кривляк - радиус действия прибора 30-60 км; Нижнее Приангарье, п. Кежма - радиус действия прибора 30-40 км; Красноярская лесостепь, п. Погорелка - радиус действия прибора 30-40 км."

Таблица 5.2 - Повторяемость наземных разрядов молний в различное время суток, %_

Лесораститель-ная зона Часы

0-3 3-6 6-9 9-12 12-15 15-18 18-21 21-24

Горная тайга 2.5 1.5 3.0 22.3 31.8 24.1 8.0 6.8

Лесостепь 1.1 1.9 9.6 10.5 12.5 26.9 29.8 7.7

Подгайга 2.5 1.6 2.7 2.7 16.6 8.3 49.0 16.6

Южная тайга 2.0 4.8 9.4 14.5 17.2 21.1 22.4 8.6

Средняя тайга 3.1 7.9 6.6 42.5 21.9 3.5 6.6 7.9

Одной из главных электрических характеристик молнии является амплитуда тока (наибольшее значение тока первого главного разряда). Большой ток молнии создает сильное электрическое поле в той среде, где он распространяется, что приводит к образованию искр и кратковременных электрических дуг, которые служат источниками огня в лесу.

Анализ 4121 гроз на территории Средней Сибири в 1997, 2000 - 2004 гг. показал, что величина тока молнии наземных разрядов изменяется от 3 до 160 кА, среднее значение составляет 30 кА. Основная масса гроз, приходящихся на утренние и предполуденные часы, имеет до 50 кА, а наиболее мощные грозовые разряды в 70 кА и более регистрируются в вечернее время. Средняя мощность наземных разрядов при грозах внутримассового происхождения составляет 2040 кА, что выше, чем при фронтальных грозах - 10-20 кА.

Связь погодных условий и вероятности возникновения пожара в лесу выражается с помощью шкал пожарной опасности (Нестеров, 1949; Курбатский,

1954; Вонский, Жданко, 1976; Софронов, 1985; Матвеев, Матвеев, 1994). В настоящее время для оценю! текущей пожарной опасности территорий используются шкалы, разработанные на основе показателя влажности ПВ-1. Более высокая степень пожарной опасности по погоде складывается в южной тайге, где на 3 - 5 классы приходится 57% дней от продолжительности пожароопасного сезона, в горной тайге - 43%, а на зону травяных лссов и среднюю тайгу - 40 и 38%, соответственно. Повторяемость гроз в зависимости от класса пожарной опасности (КПО) по условиям погоды в различных лесорастительных зонах показана на рисунке 5.1.

горная тайга

травяные леса

Ж

01 кпо «2 кпо □ 3 кпо

И4КПО I

ж Ш

Я2 КЛО

□ 3 кпо

□ <1 кпо

шт

южная тайга

средняя тайга

Рисунок 5.1 - Повторяемость гроз в течение пожароопасного сезона в зависимости от класса пожарной опасности по условиям погоды

Более половины гроз регистрируется при 1-2 КПО. Но соотношение гроз, зарегистрированных при низких и высоких классах в течение грозового сезона, по подзонам различно. Так, в горных лесах в июне до 62% гроз возникает при 3-4 классе и в этот же месяц зарегистрировано более 30% пожаров от гроз. В других рассматриваемых подзонах только в августе повторяемость гроз при 3-4 классе составляет более 60%. Это объясняется тем, что в горах в июле - августе начинается сезон дождей и значения КПО резко снижаются, а грозовая активность остается на высоком уровне. В средней и южной тайге число дней с 3-4 КПО наибольшее в августе, грозовая активность уменьшается незначительно, что приводит к высокой повторяемости гроз при 3-4 КПО.

При 1 и 2 классах регистрируется только около 10% пожаров от гроз хотя при них наблюдается повышенная грозовая активность, что в основном связано с циклонической деятельностью, прохождением холодных и теплых фронтов (рисунок 5.2).

4КТО- 30%

Рисунок 5.2 - Распределение обнаруженных пожаров от гроз по классам пожарной опасности по условиям погоды

При этих КПО может гореть только незначительная группа типов леса. Наибольшее количество пожаров от гроз (52%) возникает при 3 и 4 КПО по условиям погоды когда большинство лесных горючих материалов достигает состояния пожарной зрелосга. При 5 классе пожарной опасности регистрируется 38% пожаров, хотя при этом классе зафиксировано менее 2% гроз. По-видимому, причиной пожаров, обнаруженных при 5 классе, являются грозы, прошедшие еще при 3-4 КПО, так как для 5 класса характерны антициклоны, при которых грозовая деятельность практически отсутствует.

Таким образом, наибольшее число пожаров от гроз возникает при 3 и 4 классах пожарной опасности при внутримассовых грозах. В этот период происходит сочетание погодных условий, обусловливающих повышенную грозовую активность и пожарную зрелость ЛГМ.

Геофизические условия. Поражаемость наземных объектов молниями зависит не только от их габаритных размеров, но и от геоэлектрических и электромагнитных свойств грунтов (Клеров, 1986; Ализаде, 1986; Альтшулер, Забусов, 1986; Сапожников, 1988). Установлено, что в Западной Сибири, на границе перехода от одной степени интенсивности аномального магнитного поля к другой, лесных пожаров возникает больше, чем в центре данной аномалии (Новгородов, 1982). Магнитные аномалии представляют собой области, где магнитное поле Земли заметно отличается от поля соседних регионов (Яновский, 1964).

Мы проанализировали карты - схемы магнитного поля Земли с различной интенсивностью аномалий на Енисейской равнине с нанесенными на них местами возникновения 480 лесных пожаров от гроз. Установлено, что на территории с однородным по интенсивности магнитным полем пожары распределены равномерно. С увеличением интенсивности аномального магнитного поля число пожаров на единицу площади возрастает. На рисунке 5.3 представлено распределение лесных пожаров по территории в зависимости от интенсивности геомагнитных аномалий.

б-г

5

4

л

I -

а £

3 -2 1

0.08

0.16 0.24 0.32 0.4 0.47 0.55 0.72 Интенсивность геомагнитных аномалий, А/м

Рисунок 5.3 - Число пожаров от гроз на участках с различной интенсивностью геомагнитных, аномалий, А/м

Между интенсивностью геомагнитных аномалий и числом пожарои от гроз выявлена значительная связь (коэффициент корреляции 0.76), и она может быть представлена уравнением

................N=3.06+3.911,

где N - число пожаров от гроз;

Н - интенсивность геомагнитных аномалий, Л/м.

Установлена общая тенденция увеличения количества наземных разрядов молний с возрастанием интенсивности геомагнитных аномалий (рисунок 5.4).

7

5 -

4 -

о, 3

8 я в 1

О 6.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0,6 0.7 0.8

Интенсивность геомагнитных аномалпй. А'м Рисунок 5.4 - Число наземных разрядов молний на территориях с различной итгенсивностью геомагнитных аномалий

Связь между интенсивностью геомагнитных аномалий и количеством наземных разрядов молнии тесная, коэффициент корреляции достоверный и равен 0.88. Зависимость количества разрядов молнии от интенсивности геомагнитных аномалий может быть описана экспоненциальным уравнением

п=6.36-5,97ехр(-8759.58НЛ12.43), 11=0.91; Б=0.3,

где п - количество разрядов молний;

Н - интенсивность геомагнитных аномалий, А/м.

Лесоеодственные факторы. Как известно, любой лесной пожар начинается с низового пожара, возникновение которого происходит с загорания напочвенного покрова. Увлажнение и высыхание лесных горючих материалов, нахождение их в пожарнозрелом состоянии связано с типами леса, фенологическими и фитоценотическими изменениями, а также с погодными условиями (Курбатский, 1962; Софронов, Волокитина, 1990; Залесов, 1998).

Видовой состав напочвенного покрова, характер его расположения и запас оказывают влияние па возможность его загорания. Наиболее подвержены пожарам от гроз лесные участки, где в напочвенном покрове присутствуют кустистые лишайники, зеленые мхи и опад, состоящий из сухой травы, листьев березы и хвои.

Под воздействием пожаров, в зависимости от их интенсивности и периодичности, изменяется не только видовое разнообразие напочвенного покрова, но и разнообразие самих экотопов. При этом трансформируется и пожароопасность лесного участка. В светлохвойных и темнохвойных насаждениях зеленомошных и лишайниковых типов леса, с четко выраженной мозаичностью нижних ярусов растительности, после пожаров наблюдается деградация мохового и лишайникового покрова, сокращается разнообразие растительных микрогруппировок, изменяется соотношение доминирующих видов и их цепотическая роль, а также уменьшается мощность подстилки и увеличивается ее плотность (Иванова, Перевозникова, Иванов, 2002; Псревозникова, Иванова, Иванов и др., 2005; Безкоровайная, Иванова, Тарасов и др., 2005). Длительное отсутствие лесных пожаров, наоборот, способствует формированию мохового покрова и трансформации сосняков разнотравных и бруснично-разнотравных в сосняки разнотравно-зеленомошные (Иванова, Иванов, Перевозникова, 2002).

Таким образом, часто повторяющиеся пожары приводят к уменьшению запаса ЛГМ, а наиболее пожароопасные лишайниковые и зеленомошные типы леса трансформируются в разнотравные и становятся менее горимыми. Увеличение межпожарных интервалов в насаждениях, приводит к накоплению ЛГМ, увеличению доли мхов и лишайников в общем запасе напочвенных ЛГМ, что делает эти лесные участки более пожароопасными.

5.2. Антропогенные факторы

Аэрозоли. Атмосферные аэрозоли независимо от их происхождения участвуют во многих атмосферных процессах: образовании облаков и осадкообразовании, радиационном теплообмене и т.п.

Крупные лесные пожары оказывают влияние на процессы, происходящие в атмосфере. Это влияние обусловлено прежде всего существенными выбросами в атмосферу продуктов горения: газов и аэрозолей. При крупных пожарах могут создаваться определенные условия горения, влекущие образование кучевых облаков, которые называются пирокучевыми. Пирокучевые облака продуцируют разряды молний облако - земля (Vonnegut, Orvill, 1988; Latham, 1991; Vonnegut, 1995; Lyons, 1998).

Можно предположить, что ежегодно возникающие в Сибири крупные лесные пожары при определённых условиях ведут к эффекту «положительной обратной связи», когда леспой пожар формирует пирокучевое облако, являющееся источником наземных разрядов молний, способных вызвать новые загорания в лесу.

Мы провели сопоставление по данным дистанционного зондирования пространственно-временного распределения грозовой активности и крупных лесных пожаров. Выявлено, что в районе их действия в большинстве случаев присутствует грозовая деятельность. Сложность заключалась в том, чтобы выделить крупный пожар, в районе которого не наблюдалась бы естественная облачность, но присутствовали наземные разряды молний. Один из таких пожаров был обнаружен 03.08.2003 х-, на территории Нижнего Приангарья.

Для образования облака необходимо выполнение двух главных условий: избыток водяного пара и его постоянный приток в формирующееся облако, а также наличие-ядер конденсации. Влагозапасы кучево-дождевых облаков, даже в не очень мощных облаках, достигают 104-106тонн воды (Шметер, 1972). По нашим оценкам, сделанным на экспериментальных пожарах в Приангарье, выход такого количества воды соответствует пожару с высокой интенсивностью горения (> 4000 кВт/м), площадью свыше 1000 га. Количество аэрозольной эмиссии при экспериментальных лесных пожарах варьировало от 100 до 300 кг/га (Самсонов и др., 2003; Samsonov et. al., 2003; Иванов и др., 2003 Ivanov et. al., 2004; Samsonov et. al., 2005). По оценкам специалистов (Тлисов, 2002; Куценогий и др., 2003), элементарный состав ядер конденсации • в грозовом облаке сравним с элементарным составом аэрозолей, выбрасываемых в результате действия лесного пожара в виде дымового шлейфа. Количество выбрасываемых твердых аэрозолей при пожарах достаточно для формирования i розовой ячейки.

Отметим, что 12 наземных разрядов молнии, зафиксированных 3.08.2003 г., были в зоне действия пожара и попадают под область сформированного им облака. При этом грозовая активность в этот период в данном районе не являлась фронтальной. Сравнение временных и пространственных координат наземных молниевых разрядов и обнаруженного действующего лесного пожара позволяет предположить происхождение разрядов из пирокучевого облака пожара. По данным красноярской базы авиационной охраны лесов, за период с 6 по 23.08. 2003 г. на территории, прилегающей к пожару, было зафиксировано 5 новых лесных пожаров. Все они сгруппированы в радиусе 16 км от центра облака пожара.

Таким образом, крупные лесные пожары могут быть причиной возникновения фактора «положительной обратной связи» в системе крупный лесной пожар -аэрозоли - облако пожара - наземные разряды молний - лесные пожары.

Высотные сооружения и молниеотводы. Возможность возникновения пожара от молнии па участке леса в значительной степени определяется

интенсивностью грозовой деятельности в данной местности. Частота загораний зависит от размеров и конфигурации лесного участка, расположения возле него высотных сооружений и наличия молниеотводов, воздушных линий электропередач. Данные объекты приводят к ориентировке нисходящего лидера молнии и стягиванию его на себя. Радиус стягивания равен примерно трем высотам объекта (Базелян, Райзер, 2000). В результате этого часть молний не попадает в насаждение и снижается вероятность загорания.

Не покрытые лесом и нелесные земли. К ним относят необлесивщиеся лесосеки, гари, редины, прогалины, пустыри, болота, сельскохозяйственные угодья и т.п., выделяемые в составе земель единого государственного лесного фонда. Влияние не покрытых лесом и нелесных земель на частоту возникновения пожаров от гроз необходимо рассматривать с двух позиций. Первое: они вносят большое разнообразие подстилающей поверхности земель лесного фонда и увеличивают грозовую активность этой территории. Второе: такие нелесные земли, как вырубки и редины, имеют повышенную природную пожарную опасность и увеличивают частоту леспых пожаров на территории, где они находятся. Свежие гари, пустыри, лесные озера, каменистые россыпи и болота, имеющие повышенное . влагосодержание ЛГМ, не способны к горению и, следовательно, не увеличивают частоту лесных пожаров территории. Но в целом, не покрытые лесом и нелесные земли увеличивают вероятность возникновения пожара от грозы тех лесных участков, среди которых они располагаются.

Таким образом, на частоту пожаров от молнии влияет значительное число природных и антропогенных факторов. При классификации лесной территории по степени пожарной опасности от гроз необходимо оценивать вклад каждого фактора.

6 КЛАССИФИКАЦИЯ ЛЕСНОЙ ТЕРРИТОРИИ ИО СТЕПЕНИ ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ ОТ ГРОЗ

Лесопожарное районирование проведено для многих регионов России (Стародумов, 1956; Мокеев, 1962; Валендик, 1963; Фурясв, 1963; Сныткин, 1963; Монокин, 1968; Евдокименко, 1970; Шешуков, 1982; Курбатский, Цветков, 1986; Софронов, Волокитина, 1990). Разработаны также методики, позволяющие оценивать пожарную опасность по наличию источников огня (Коровин,. 1977, Столярчук, Белая, 1981; Столярчук, 1982; Сверлова, Костырина, 1985; Телицын, 1988; Андреев, 1991).

Имеющиеся лесопожарные районирования не позволяют оценить и спрогнозировать опасность возникновения пожаров от гроз па лесной территории. В связи с этим нами поставлена задача - разработать методы классификации лесной .территории по степени пожарной опасности от гроз как на основе проведения предварительных научных исследовапий, так и на основе анализа стандартизированных величин, которые не требуют специальных изысканий. В основу выделения территорий по степени пожарной опасности от гроз положена грозовая активность и их природная пожарная опасность. В качестве примера разного уровня мы приводим классификацию лесов Ярцевского авиаотделения (Енисейская равнина), Приангарского лесопожарного района и Красноярского края.

6.1, Классификация лесных участков по степени пожарной опасности от гроз на примере Ярцевского авиаотделения (Енисейская равнина)

На Енисейской равнине наблюдается интенсивная грозовая активность. За период с 1986 по 1990 годы на ее территории до 93% гроз были внутримассового происхождения и явились причиной лесных пожаров в 81% всех случаев (Иванов, 1987, 1991).

Известно, что внутримассовые грозы имеют местный характер. Возникая в каком - либо районе, они развиваются преимущественно над ним или перемещаются на небольшие расстояния. Для выявления участков с повышенной грозоактивностью необходимо определить возможные места зарождения грозовых облаков, направление их движения и размер, время их существования и площадь воздействия, а также наличие и величину геомагнитных аномалий. На основе использования экспериментальных и литературных данных о природе внутримассовых грозовых облаков мы разработали методику составления карты-схемы грозопожароопасности лесных участков.

Исходные материалы для составления карты-схемы грозопожароопасных участков: топографическая карта района, карта растительности, координаты мсст возникновения лесных пожаров от гроз за десятилетний период, которые являются одним из основных лесопожарных признаков, карта аномального магнитного поля Земли, характеристика грозовой активности в данном регионе.

-------Последовательность составления карты-схемы грозопожароопасных

участков: на топографическую карту наносили болота, гари, каменистые россыпи, границы лесной растительности, места возникновения пожаров от гроз, границы территорий геомагнитных аномалий.

Полученную схему разделили гга квадраты размером 2x2 см (площадь квадрата на местности 100 км2). Размер квадрата выбран с учетом того, что грозовое облако за время своего существования проходит расстояние до 10 км. Производили кодирование каждого квадрата по пяти признакам (местонахождение выделенного квадрата, наличие лесных пожаров от молний, место зарождения грозовой ячейки, местонахождение границы элементов ландшафта в квадрате, интенсивность геомагнитных аномалий) и оценку значимости этих признаков. Полученные значения кодирования признака в квадрате (баллы) умножали на оценку значимости признака. Квадраты, в зависимости от полученных оценок, разбивали на 5 групп по степени возрастания их пожароопасности от гроз. На рисунке 6.1 приведена карта-схема деления территории Ярцевского авиаотделения по степени пожарной опасности от гроз (фрагмент) с использованием выше приведенной методики.

Была проведена опытно - производственная проверка работы полученной схемы классификации лесных участков по степени пожарной опасности от гроз в Ярцевском авиаотделении, где она используется и в настоящее время. -

6.2 Классификация лесных участков Приангарского лесопожарного

района

Территория Приангарского лесопожарггого райопа (Красноярское Приангарье) была разделена на квадраты 30 на 30 км, что согласно нормам, принятым в

авиационной охране, соответствует допустимой дальности видимости в любом направлении для летчика-наблюдателя при авиапатрулировании (Щетинский, 2001).

Степень грозопожароопасности лесных участков

{ШИП Очень малая Малая Щ Умеренная Высокая Ц Повышенная

Рисунок 6,1- Схема деления территории Ярцевского авиаотделепия по степени пожарной опасности от гроз (фрагмент)

Различные факторы оказывают разное влияние на возможность возникновения пожаров от молнии. Поэтому факторы разделили по значимости и придали им коэффициент от 1 до 4.

При классификации территории учитывали влияние следующих факторов:

1. Лесотипологическая характеристика насаждения и его способность к загоранию (Т). Коэффициент значимости - 4;

2. Наличие наземных молниевых разрядов при прохождении грозы как источника огня в лесу (М). При этом не учитываются молниевые разряды от гроз фронтального характера, при прохождении которых произошло снижение класса пожарной опасности по погоде до 1-го. Коэффициент значимости - 3;

3. Рельеф местности (высота над уровнем моря) (Р). Коэффициент значимости - 2;

4. Среднее число дней с грозой за год на данной территории (Г). Коэффициент значимости—1;

5. Среднее число осадков за пожароопасный сезон (О). Коэффициент значимости - 1.

6. Пересеченность местности (заболоченность) и наличие антропогенно измененных участков (места рубок) (II), которая влияет на маршруты прохождения и места зарождения внутримассовых гроз и определяет наиболее привлекательные места для наземного разряда молнии (высокие места). Коэффициент значимости — 1;

7. Удаленность от населенных пунктов и мест хозяйственной деятельности человека, исключающая оперативную ликвидацию загорания (У). Коэффициент значимости -1:

Каждый установленный нами фактор, оказывающий влияние па пожарную опасность территории, оценивали по пятибалльной шкале. Каждая ограниченная территория по оцениваемым факторам получает промежуточные баллы. Полученное число баллов для каждого фактора умножили на коэффициент значимости и с учетом этого коэффициенты перемножили между собой.

Е = (Тх4) х (МхЗ) х (Рх2) х (Гх1) х (Пх1) х (Ох1) х (Ух1).

В зависимости от количества единиц (Е), полученных в результате перемножения, каждому квадрату присваивается определенный класс и, соответственно, степень грозопожароопасности лесного участка.

На рисунке 6.2 представлена карта - схема деления Приангарского лесопожарного района, на которой выделены квадраты по степени пожарной опасности от гроз.

Для проверки совпадения и анализа редуцированной шкалы классов с фактическим количеством лесных пожаров от молний и их распределением провели корреляционный анализ. Коэффициент корреляции между средним числом пожаров от гроз и классом грозопожароопасности лесного участка равен 0.90.

6.3 Классификация лесов Красноярского края по степени пожарной опасности от гроз

Классификация лесов по степени пожарной опасности от гроз территории Красноярского края проведена на основе анализа стандартизированных величин, которые не требуют специальных исследований. На территория края существует 69 лесохозяйственных предприятий, для каждого из которых проведена оценка грозопожароопасности.

Степень грозопожароопасности лесных участков Мадая Е&УЛ^ Умеренна* Повышенная

Рисунок 6.2 - Схема деления Приангарского лесопожарного района по степени пожарной опасности от гроз

Установлено (Матвеев, Филиппов, 1985; Иванов, Иванова, 1997; Иванов, Матвеев, 1999) что, на возможность возникновения пожаров от гроз на лесных территориях наибольшее влияние оказывают такие факторы, как число месяцев в году с грозой, средняя продолжительность гроз, географическая широта, площадь, лесистость, средний класс природной пожарной опасности, преобладающий гранулометрический состав почвы.

Первые пять факторов оценивают возможное количество природных источников огня (разрядов молнии в землю) на территории лесхоза. Число месяцев с грозой в году показывает, в течение какого времени природные источники огня могут появляться на территории лесхоза в пожароопасный сезон. Шестой фактор оценивает комплекс лесных горючих материалов, способность его к загоранию и продолжительность возможного возникновения и распространения горения в пожароопасный сезон. Седьмой фактор оценивает продолжительность и площадь воздействия тока молнии на горючий материал.

В качестве рассматриваемой ограниченной территории мы берем территорию лесхоза, что дает возможности получения исходных данных. Для количественной оценки опасности возникновения лесных пожаров от гроз в лесхозах Красноярского края использовали систему баллов. При построении оценочной шкалы баллов мы использовали рекомендации Д.А. Арманда (1975) и Г.Н. Зайцева (1991). Приведенные выше факторы, влияющие на возникновение пожаров от гроз, оценивали в баллах. Каждая ограниченная территория по оцениваемым факторам получала промежуточные баллы, которые затем перемножались. Максимально полученное произведение (в данном случае оно равно 12600) является длиной

опорной оценочной шкалы редуцированных баллов. За основу построения редуцированной (основной) шкалы произвольно принимаем процентное распределение по градациям: 10; 25; 50; 75; 90, 100, то есть каждый последующий редуцированный балл больше предыдущего на 10-25% (таблица 6.1).

Таблица 6.1 - Редуцированная шкала оценки грозопожароопасности ограниченных лесных территорий_'__

Комплексные баллы Вероятность загорания

произведение промежуточных баллов редуцированные баллы (классы) от молнии

0-1260 1 Очень малая

1261-3150 2 Малая

3151-6300 3 Умеренная

6301-9450 4 Повышенная

9451-11340 5 Высокая

11341-12600 6 Очень высокая

. Рассмотрим последовательность получения оценки опасности возникновения лесных пожаров от гроз на примере Ермаковского лесхоза. Средняя продолжительность гроз 35 часов в год - 4 балла. Грозовая активность на территории лесхоза начинается с апреля и заканчивается в октябре, что составляет 7 месяцев и соответствует 4 баллам. Лесхоз расположен на широте 53° с.ш. - 1 балл. Площадь лесхоза 313000 га - 3 балла. Средний класс природной пожарной опасности - 3.1 - 2 балла. Лесистость территории - 72% - 7 баллов. Гранулометрический состав почв - суглинок - 2 балла. Произведение промежуточных баллов 1344, что соответствует второму баллу (классу) редуцированной шкалы.

Подобным образом были оценены все лесхозы Красноярского края (рисунок 6.3). По степени пожарной опасности возникновения лесных пожаров от гроз лесхозы распределили на шесть классов. Коэффициент корреляции между средним числом лесных пожаров от гроз и редуцированными баллами - 0.75. Коэффициент корреляции между числом лесных пожаров, возникших по другим причинам, и с редуцированными баллами - 0.35.

Для математического описания выявленной зависимости, дающей возможность численно определить возможное возникновение лесных пожаров от гроз через предложенные факторы, проведен регрессионный анализ.

В результате анализа получили линейное уравнение регрессии, характеризующегося коэффициентом детерминации К2^0.574,

N(■=5.33 +9.39* 10-3Х,

где N5- число пожаров от гроз;

X - произведение промежуточных баллов, влияющих на возникновение лесных пожаров от гроз.

Рисунок б.З - Схема деления Красноярского края по степени пожарной опасности

от гроз

6.4 Спутниковые данные при решении задачи прогнозирования грозовой пожарной опасности в лесу

Прогнозирование внутриклассовых гроз. Наиболее опасны грозы внутримассового происхождения, как источники загораний в лесу. Этот тип грозовой активности локализован и имеет кратковременный характер. Определить зону внутримассовой грозовой деятельности можно лишь на основе непрерывного мониторинга за состоянием температурных профилей атмосферы. Учитывая территориальные особенности Сибири, наиболее приемлемо для этих целей использование спутниковой информации.

Нами разработана технология использования данных о температурных профилях атмосферы, получаемых спутниковым зондом TOVS (Пономарев, Иванов, Коршунов, 2006).

Наиболее информативная характеристика возникновения внутримассовых гроз - грозовой индекс - разность между температурой частицы, поднятой влажноадиабатически с уровня 850 гПа до 500 гПа, и фактической температурой воздуха на верхнем уровне (Столярчук, 1982). В методе прогноза гроз, предложенном Уайтингом и Фаустом (Богаткин, Еникеева, 1985; Богаткиц и др., 1987), для расчета индекса грозы используют добавочные информационные признаки — температуру точки росы на высотах, соответствующих давлению 850 и 700 гПа.

Оба предложенных метода основаны на эмпирическом подходе и имеют различные пороговые значения грозового индекса. В нашей технологии оценки индекса грозы объединены оба подхода. Однако с учетом специфики исходных (спутниковых) данных, а также эмпиричности коэффициентов в уравнениях и пороговых значений критерия грозы, модель пришлось оптимизировать с целью повышения уровня корреляции её со статистическими данными о внутримассовых грозах и наземных разрядах молний на территории Средней Сибири за 2001 - 2004 годы.

В нашем случае модель грозового индекса принимает следующий вид: U=l/^ - 0.08ТзУ(2.3Т85о+2.1Т50о- 1.8D850 -2.3D700),

где Т, D - температура воздуха и температура точки росы на соответствующих уровнях, полученные по данным зонда TOVS;

Т3 - температура воздуха в приземном слое.

Статистически установлено, что для зоны южной и средней тайги при U < 16 грозы не ожидаются, при 16 < U < 30 - ожидаются отдельные грозы, а при U > 30 -следует прогнозировать многочисленные грозы.

Анализ статистических данных позволяет говорить о том, что грозовой индекс, вычисленный на основе спутниковых данных, согласуется с реальными показателями в 70% случаев. '

Получение прогноза пожаров от гроз. Система оценки пожарной опасности лесов должна учитывать большое количество значимых факторов. Этот вопрос широко обсуждается, и близок к идеальному подход, реализованный в Канаде, однако применим он только для этой страны (Stocks, Lawson, Alexander et al., 1989). Наиболее эффективный способ интеграции пространственных данных в единую систему - геоинформационная технология. Структура слоев геоинформационной системы (ГИС) содержит информацию о пожарном состояния лесных участков, источниках огня, в том числе прогноз грозовой активности.

Мы предлагаем оценивать территорию Средней Сибири по опасности возникновения лесных пожаров от гроз на основе карты-схемы деления лесной территории по степени пожарной опасности от гроз в совокупности с грозовым индексом, картой-схемой пожарной опасности по условиям погоды (Сухинин, Пономарев, 2003) и фактическим распределением молниевых разрядов по данным наземной регистрирующей сети. Предлагаемая нами структура слоев

геоинформационной системы (ГИС) да£т возможность оценить вероятность возникновения лесных пожаров от гроз и сроки их обнаружения (таблица 6.2).

Таблица 6.2 - Сроки возможного обнаружения пожаров от гроз

Класс пожарной опасности по условиям погоды на момент грозы Классификация территории но степени пожарной опасности от гроз Участки и насаждения достигшие пожарной зрелости

1 2 3 4 5 б

1 16 2 6 2-6 Лишайниковые типы леса, вырубки, редины, гари на песчаньгх и супесчаных почвах

2 2-6 2-0 1: 1-2

3 3-10 1-6 1-2 1-2 1-2 Сосняки и лиственничники зеленомошные

4 26 2 6 1-2 '1-2 1-2 з-г : Кедровники зеленомошные

5 1 2 1-2 ^1-2 11-2 ' „ .1........—_____ : Т-2 1-2 Ельники и пихтарники зеленомошные

Вероятность пожаров от троз

Пожары от гроз ■ Вероятность ппжароа мало вероятны от гроз средняя 11 высокая

1-10 Срои! патрулировать*территории после трозы, сужн

По грозовому индексу определяется, на какой территории по степени пожарной опасности возможна грозовая деятельность, а также класс пожарной опасности по условиям погоды на момент грозы. Затем при пересечении этих показателей находим сроки патрулирования.

При дальнейшем развитии ГИС противопожарного мониторинга лесов возможен анализ иных значимых факторов как природного, так и антропогенного характера, что позволит создать комплексный прогноз пожарной опасности в лесах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Установлено, что на территории Средней Сибири до 32% лесных пожаров (от общего их количества) вызвано грозами. Распределение возникновения пожаров от гроз по территории неравномерно: в горной тайге пожары от гроз составляют 2444% от общего числа, в зоне травяных лесов - 6-9%, а в южной и средней тайге -40-88%. Наибольшая частота зарегистрирована в горной тайге - 11 пож./106га, а в южной и средней тайге - 8.3 и 6.5 пож./10б га соответственно. Низкая частота отмечается в зоне травяных лесов —1.3 пож./106 га.

Загорание от молнии может возникнуть практически в любом насаждении, независимо от типа леса. В горных лесах пожары от гроз возникают,

преимущественно, в кедрачах (53.6%) и листвешшчниках (33.1%), в южной и средней тайге в сосняках (72.6%), пихтарниках и ельниках (13.2%).

Географическая широта определяет продолжительность грозопоясароопасного сезона, интенсивность грозовой деятельности, соотношение числа облачных и наземных разрядов, условия высыхания гигроскопичных проводников горения. Выявлена тесная связь частоты пожаров от гроз и грозовой активности от географической широты. Период возникновения пожаров от гроз по продолжительности меньше, чем фактический пожароопасный сезон. Наиболее короткий период наблюдается в горной тайге и составляет 60-65% от пожароопасного сезона, а в зоне травяных лесов и в тайге он возрастает до 85%.

Зажигание проводников горения' возможно электрической искрой или кратковременной дугой, длиной 15 мм и более, при влагосодержании их 11% и менее, что значительно ниже, чем от других источников тепла. С увеличением толщины слоя ЛГМ возрастает вероятность его загорания при прочих равных условиях. Перенос тепла конвекцией при зажигании искрой ЛГМ преобладает перед другими видами переноса тепла. Подстилка имеет более высокое удельное электрическое сопротивление, чем песчаная почва при одинаковом влагосодержании, и вероятность появления искр и дуг в ней выше.

Энергии молнии, выделяемой при ударе в землю, достаточно для зажигания всех групп проводников горения. Мощность наземных разрядов при грозах внутримассового происхождения выше, чем при фронтальных грозах. Наибольшая вероятность возникновения пожара от разряда молнии отмечена в вечернее и ночное время, так как в этот период регистрируются мощные разряды молний.

Место удара молнии в пологе леса определяется формой кроны дерева и его физиологическим состоянием. Наиболее подвержены молниевым разрядам усыхающие или сухостойные деревья, несущие на себе большой электростатический заряд. Степень и вид повреждения дерева молнией определяются его физиологическим состоянием, наличием пороков древесины и условиями место произрастания.

Радиус зоны образования искр вокруг дерева, в которое ударила молния, зависит от гранулометрического состава почвы, условия местопроизрастания и величины тока молнии. Наибольший радиус искрообразования от молний наблюдается на песчаных почвах. В насаждениях, произрастающих на легких почвах, высока вероятность возникновения лесных пожаров от гроз при прочих равных условиях. При молниевом разряде образующийся источник зажигания имеет площадной или шнуровой вид, а не точечный. Заземляющие свойства корневой системы дерева зависят от его диаметра и условий местопроизрастания. Образующиеся искры вокруг корней могут вызвать загорание горючего материала в тех местах, где корень их касается.

Основное значение при загорании от молнии имеет влагосодержание лесных горючих материалов перед грозой. Осадки во время грозы не играют определяющей роли в загорании ЛГМ, так как искры и кратковременные дуги образуются по всему слою горючего материала, который при этом может находиться в защищенном от осадков месте. Источник загорания может быть в стадии тления длительное время - до 10 суток после грозы.

Сильное аномальное магнитное поле Земли увеличивает вероятность появления гроз над данной территорией. С увеличением интенсивности геомагнитных аномалий возрастает частота лесных пожаров от гроз.

Крупные лесные пожары могут быть причиной возникновения фактора «положительной обратной связи» в системе крупный лесной пожар - аэрозоли -облако пожара - наземный разряд молнии - лесные пожары.

Проведенные исследования раскрывают особенности возникновения лесных пожаров от молнии, а результаты исследования дополняют имеющиеся знания о природе лесных пожаров. Разработанное деление территории позволяет прогнозировать возникновение лесных пожаров от гроз и необходимо при планировании борьбы с лесными пожарами. Предложенная классификация лесов Средней Сибири по степени пожарной опасности от гроз в сочетании с методами дистанционного зондирования даёт возможность прогнозировать возникновения лесных пожаров от гроз.

Основные работы, опубликованные по теме диссертации Монографии, учебные пособия, статьи в рецензируемых журналах

1. Иванов, В. А. Пожары от молний в лесах Красноярского Приангарья [Текст] / В. А. Иванов, Н. А. Коршунов, П. М. Матвеев. - Красноярск : СибГТУ, 2004. - 132 с.

2. Метеорология и климатология: учеб. пособие [Текст] / В. А. Иванов [и др.]. - Красноярск : СибГТУ. - 2004. - 51 с.

3. Лесная пирология: практикум для студентов [Текст] / П. М. Матвеев, В. А. Иванов [и др.]. - Красноярск : СибГТУ. - 2005. - 172 с.

4. Иванов, В, А. Механизм возникновения лесного пожара от молнии [Текст] / В. А. Иванов / / Сибирский экологический журнал. - 1996. - № 1. - С. 103 - 107.

5. Иванов, В. А. Оценка грозопожароопасности в лесах левобережья Енисея [Текст] / В. А. Иванов, Г. А. Иванова / / География и природные ресурсы. - 1997. -

№ 1,-С. 165 - 168.

6. Иванов, В. А. Пожары от гроз в лесах Енисейского севера [Текст] / В. А. Иванов, Г. А. Иванова//Лесное хозяйство. - 1997. - №6. - С. 47-48.

7. Иванова, Г. А. Трансформация нижних ярусов лесной растительности после низовых пожаров [Текст] / Г. А. Иванова, В. Д. Перевозникова, В. А. Иванов / / Лесоведение. - 2002, - №2 - С. 30-35.

8. Куценогий, К. П. Содержание микроэлементов в аэрозольной эмиссии при пожарах в бореальных лесах Центральной Сибири [Текст] / К. П. Куценогий, В. А. Иванов [и др.] / / Оптика атмосферы и океана. - 2003. - №5-6. - С. 461-465.

9. Безкоровайная, И. Н. Пирогенная трансформация почв сосняков средней тайги Красноярского края. [Текст] / И. Н. Безкоровайная, В. А Иванов [и др.] / / Сибирский экологический журнал. - 2005. - №1. - С. 143-152.

10. Перевозникова, В. Д. Видовой состав и структура живого напочвенного покрова в сосняках после контролируемых выжиганий [Текст] / В. Д. Перевозникова, Г. А. Иванова, В. А. Иванов [и др.]. / / Сибирский экологический журнал. - 2005. - № 1.-С. 135-141.

11. Иванов, В. А. Разделение территории Красноярского Приангарья по степени грозопожароопасности [Текст] / В. А. Иванов., Н. А. Коршунов, П. М. Матвеев / / Лесное хозяйство. - 2005. -№3, - С. 27-28.

12. Пономарев, Е. И. Спутниковые данные TOVS при решении задачи прогнозирования грозовой пожарной опасности в лесу [Текст] / Е. И. Пономарев,

B. А. Иванов, Н. А. Коршунов / / География и природные ресурсы. -2006. -№1. -

C. 147-150.

13. Chankina, О. V. Multielement composition of the aerosols of the forest fires of boreal forests upon burning of forest combustibles / Chankina О. V., Ivanov V. A. [et. al.] / / Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. 2001. - A 470. - P. 444447.

14. Koutsenogii, K. P. Content of microelements in the aerosols emitted from fires in boreal forester of Central Siberia / Koutsenogii K. P. Ivanov V. A. [et. al.] / / Atmos. Oceanic Opt. 2003. - Vol. 16 №. 5-6. - P. 424-427.

15. Ponomarev, E. I. Large - area forest fires in the Eastern Siberia and their influence on process of local storm clouds formation. / Ponomarev E. I., Ivanov V. A., Bychkov V. A. Lesne Prace. - Badawcze, 2005. - №4. - P. 19-28.

16. Samsonov, У. N. Particulate emissions from fires in central Siberian Scots pine forests. / Samsonov Y. N., Ivanov V. A. [et. al.] / / Canadian Journal of Forest. Research, 2005 - Vol. 35. - P. 2207-2217.

17. McRae, D. J. Variability of Fire Behavior Fire Effects and Emissions in Scotch Pine Forests of Central Siberia / McRae, D. J., Ivanov, V. A. [et. al.] / /Mitigation and Adaptation Strategies for Global Cnange. 2006 - Vol. 11, №1. - P. 45-74.

Другие публикации

18. Иванов, В. А. Грозы и лесные пожары [Текст] / В. А. Иванов / / Лесные пожары и их последствия : сб. ст — Красноярск, 1985. - С. 38-46.

19. Иванов, В. А. Грозоактивность и лесные пожар / В. А. Иванов / / Лесные пожары и борьба с ними : сб. ст. - М., 1987. - С. 208-217.

20. Иванов В.А. Возникновение лесных пожаров от гроз на Енисейской равнине / В.А. Иванов / / Лесные пожары и борьба с ними : сб. ст. - М., ВНИИЛМ, 1988,-

С. 126-132.

21. Иванов, В. А. Грозоактивность Енисейской равнины / В. А. Иванов / / Исследование компонентов лесных экосистем : сб. ст. - Красноярск, 1988. - С. 8.

22. Иванов, В. А. Грозопожароопасность лссов Енисейского севера / В. А. Иванов / / Эколого-географические проблемы сохранения и восстановления лссов Севера : сб. ст. - Архангельск, 1991. - С. 58-59.

23. Иванов, В. А. Влияние геомагнитных аномалий на грозопоражаемость лесных ландшафтов / В. А. Иванов / / Лесные пожары и борьба с ними : -Красноярск, ВНИИПОМлесхоз, 1991. - С. 112-120.

24. Иванов, В. А. Повреждаемость деревьев молниями на Енисейской равнине / В. А. Иванов / / Ботанические исследования в Сибири,- Красноярск, 1994. Вып. 2. - С. 27-32.

25. Иванов, В. А. Моделирование зажигания напочвенного покрова молнией / В. А. Иванов, Е. К. Кисиляхов / / Лесные пожары возникновение, распространение

и экологические последствия: материалы междунар. конф. - Томск, 1995. - С. 7981.

26. Иванов, В. А. Энергия воспламенения лесных горючих материалов [Текст] / В. А. Иванов / / Ботанические исследования в Сибири. - Красноярск, 1996. -Вып. 5.-С. 49-52.

27. Иванов, В. А. Возникновение лесных пожаров от гроз при различных синоптических ситуациях / В. А. Иванов / / Ботанические исследования в Сибири. -Красноярск, 1998. - вып. 6. - С. 52-55.

28. Иванов, В. А. Оценка территории Красноярского края по условиям возникновения лесных пожаров от гроз [Текст] / В. А. Иванов, П. М. Матвеев / / Вестник СибГТУ. - 1999. - №2. - С. 3-10.

29. Иванов, В. А. Продолжительность гроз в пожароопасный сезон на территории Подкамснно-Тунгуского авиаотделения / В. А. Иванов / / Ботанические исследования в Сибири. - Красноярск, 1999. - Вып. 7. - С. 111-112.

30. Иванов, В. А. Заземляющие свойства деревьев / В. А. Иванов / / Эколого экономические проблемы Красноярского края : сб. ст. - Красноярск, СибГТУ, 2000.-С. 184-185

31. Иванов, В. А. Оценка возможности возникновения лесных пожаров от гроз / В.А. Иванов, / / Охрана лесов от пожаров в современных условиях материалы международной научно - практической конференции: — Хабаровск, 2002. С. 58-62.

32. Иванова, Г. А. Формирование структуры и биомассы напочвенного покрова в сосняках Красноярской лесостепи под воздействием пожаров [Текст]. / Г.

A. Иванова, В. А. Иванов, В. Д. Перевозникова / / Лесная таксация и лесоустройство ¡-Красноярск, 2002. - Вып. 1 (31) С. 91-97.

33. Иванов, В. А. Пространственно - временное распределение лесных пожаров от гроз в Средней Сибири. / В. А. Иванов / / Структурно -функциональная организация и динамика лесов. Материалы Всероссийской конференции : сб. ст. - Красноярск, 2004. - С. 303-305.

34. Иванова, Г. А. Пожарные режимы в лесах Средней Сибири / Г. А. Иванова,

B. А. Иванов / / Управление лесными пожарами на экорегиональном уровне: сб. ст. -Хабаровск, 2004. - С. 147-150.

35. Ivanova, G. A. Fire and Fire Regimes in the Forests of Central Siberia / Ivanova G. A., Ivanov V. A. / / The loint Fire Science Conference and Workshop "Crossing the Millennium: Integrating Spatial Technologies and Ecological Principles for a New Age in Fire Management. - Boise, Idaho, 1999. - P. 236-241.

36. Ivanov, V. A. Lightning Fire in Forests of Central Siberia. / Ivanov V. A. / / The Role of Boreal Forests and Forestry in the Global Carbon Budget - Edmonton, Alberta, Canada, 2002. - P. 53-62.

Сдано в производство 03.05.2006. Формат 60x80 1/16. Усл.печ. л. 2,0. Изд. № 22. Заказ № 1632. Тираж 150 экз. Редакционно-издателъский центр СибГТУ 660049, г. Красноярск, пр. Мира, 82

Введение.

Список сокращений.

ГЛАВА 1.

Литературный обзор.

1.1. Общая информация о фталоцианинах.

1.2. Электронное строение фталоцианинов.

Электронные спектры поглощения.

1.3. Люминесцентные свойства.

1.4. Фотосенсибилизация кислорода, фотокатализ, фотодинамическая терапия.

1.4.1. Основные свойства синглетного кислорода.

1.4.2. Генерация 'Ог.

1.4.3. Методы определения квантового выхода 'Ог.

1.4.4. Типы фотосенсибилизаторов.

1.4.5. Применения фотосенсибилизированного синглетного кислорода.

1.4.5.1. Фотокатализ.

1.4.5.2. Синглетный кислород в фотодинамических процессах.

1.5. Окислительно-восстановительные свойства фталоцианинов.

1.6. Модификация электронного строения фталоцианинов.

1.6.1. Моноядерные фталоцианины.

1.6.2. Системы, содержащие два и более фталоцианиновых макроцикла.

1.6.2.1. Ассоциаты, кристаллы, жидкие кристаллы.

1.6.2.2. Экситонное взаимодействие.

1.6.2.3. Димерные, олигомерные, полимерные фталоцианины.

1.6.2.3Л.Димерные фталоцианины, связанные через металл.

1.6.2.3.2. Димерные фталоцианины, связанные через лиганд.

1.6.2.3.3.Сопряженные олигомерные фталоцианины.

1.6.2.3.4.Супрамолекулярные олигомерные фталоцианины.

1.6.2.3.5.Полимерные фталоцианины.

1.6.2.4. Окисленные формы олигофталоцианинов.

ГЛАВА 2.

Обсуждение результатов.

2.1. Синтез фталоцианинов.

2.1.1. Синтез фталонитрилов.

2.1.2. Синтез димерных и тримерных фталоцианинов.

2.2. Электронные спектры поглощения.

2.3. Анализ спектров поглощения на основе орбитальной модели.

2.4. Основные фотофизические свойства, фотоокислительная стабильность.

2.5. Окисленные формы димерных фталоцианинов.

ГЛАВА 3.

Экспериментальная часть.

3.1. Методы.

3.2. Материалы.

3.3. Синтезы.

Выводы.

Благодарности.

Актуальность работы. Фталоцианины и их аналоги находят широкое применение в технике. С фотофизическими свойствами фталоцианинов связано большинство областей их применения, такие как: красители, фотопроводники в лазерных принтерах, фотосенсибилизаторы в фотодинамической терапии опухолей и фотоокислительном разрушении ряда опасных загрязнителей окружающей среды. Они интенсивно изучаются в качестве потенциальных компонентов новых гибридных материалов для солнечной энергетики. Разнообразие свойств, лежащих в основе этих применений (поглощение видимого света с высокими коэффициентами экстинкции, фотосенсибилизация, фотопроводимость, фотоиндуцированный перенос заряда) связано с уникальной 18л-электронной ароматической системой, аналогичной порфириновой. В связи с этим модификация фотофизических свойств фталоцианинов и их аналогов путем введения различных заместителей, сильно взаимодействующих с фталоцианиновой п-электронной системой, является актуальной задачей. Известно, что расширение системы сопряжения хромофора в большинстве случаев приводит к углублению окраски, что в случае фталоцианинов означает сдвиг длинноволновой полосы поглощения в ближнюю ИК-область, что также актуально в связи с возросшим интересом к красителям, поглощающим в ближней ИК-области. Известный эффективный способ расширения системы сопряжения за счет замены бензольных фрагментов на нафталиновые (нафталоцианины) или антраценовые (антракоцианины) приводит к резкому падению (фото)стабилыюсти, что препятствует их дальнейшему изучению и практическому применению. Другой эффективный способ модификации электронного строения связан с построением димерных систем, хорошо известных среди порфиринов, но очень малоизученных среди фталоцианинов, обладающих, в отличие от порфиринов, интенсивной длинноволновой полосой поглощения, чувствительной к изменениям 7Гсистемы. Подобные соединения интересны в качестве потенциальных материалов для оптики и электроники.

Цель работы. Синтез новых сопряженных димерных и тримерных фталоцианинов, изучение их электронных спектров поглощения и фотофизических свойств в сравнении с мономерными и несопряженными димерными аналогами, теоретический анализ полученных закономерностей.

Объектами исследования являлись замещенные фталонитрилы и бисфталонитрилы, безметалльные и цинковые замещенные мономерные, сопряженные димерные и тримерные, и несопряженные димерные фталоцианины.

Методы исследования. Электронная спектроскопия поглощения и испускания, ИК-спектроскопия, ЯМР-спектроскопия, масс-спектрометрия, ЭПР-спектроскопия, рентгеноструктурный анализ, фотофизический и фотохимический методы измерения квантового выхода синглетного кислорода, циклическая вольтамперометрия, квантовохимические расчетные методы ММ+ и ZINDO/s.

Научная новизна и практическая ценность работы заключается в следующем:

- Синтезированы сопряженные димерные фталоцианины, обладающие интенсивными полосами поглощения в ближней ИК-области 850 нм); впервые изучены их основные фотофизические свойства в сравнениии с мономерными аналогами, показана их способность к фотосенсибилизированной генерации синглетного кислорода.

- Впервые получены изомерные D2/- и C?v-cимметричные сопряженные тримерные фталоцианины и исследованы их электронные спектры поглощения и флуоресценции.

- Впервые получены окисленные формы сопряженных димерных фталоцианинов, обладающие интенсивными полосами поглощения в ближней ИК-области (~ 1200 нм).

- Синтезированы несопряженные димерные фталоцианины нового типа, являющиеся близкими аналогами сопряженных димеров, исследуемых в данной работе; сравнение их электронных спектров позволяет оценить роль сопряжения в интрамолекулярном взаимодействии фталоцианиновых фрагментов.

- Электронное строение полученных фталоцианинов было исследовано с помощью полуэмпирических квантовохимических расчетов.

- Полученные результаты могут быть использованы для разработки новых молекулярных материалов для оптики и электроники, фотосенсибилизаторов в ближней ИК-области для фотокатализа и фотодинамической терапии.

На защиту выносятся следующие положения:

- Синтез сопряженных димерных и тримерных фталоцианинов.

- Сравнительный анализ электронных спектров мономерных, димерных и тримерных фталоцианинов.

- Флуоресцентные свойства димерных и тримерных фталоцианинов.

- Фотосенсибилизация кислорода и фотоокислительная стабильность фталоцианинов.

- Окислительно-восстановительные свойства димерных фталоцианинов, спектры окисленных форм и их интерпретация.

- Сравнительный анализ электронных спектров сопряженных и несопряженных димерных фталоцианинов.

Апробация работы: Результаты исследований были представлены на международных конференциях «9th International Conference on Methods and

Applications of Fluorescence. Spectroscopy, Imaging and Probes» (Lisbon,

Portugal 2005), «International Conference on Porphyrins and Phthalocyanines» (Rome, Italy 2006 г.), конференции «X Нижегородская сессия молодых ученых. Естественнонаучные дисциплины» (Нижний Новгород, апрель 2005).

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 5 статьях и 3 тезисах докладов на российских и международных конференциях.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Президента РФ НШ-1652.2003.3 и НШ-8017.2006.3, ФЦНТП (контракты № 02.442.11.7286 и № 02.445.11.7365), немецкого научно-исследовательского общества (Deutsche Forschungsgemeinschaft, проект WO 237/32-3), фонда Фольксваген (проект 1/78 204).

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, выводов и списка цитируемой литературы, включающего 157 наименований. Работа изложена на 134 страницах печатного текста и содержит 10 таблиц и 28 рисунков.

Выводы

1. Синтезированы новые замещенные фталоцианины, в том числе сопряженные димерные и, впервые, изомерные и С>-симметричные тример-ные, фталоцианиновые фрагменты в которых соединены общим бензольным кольцом.

2. Изучены электронные спектры поглощения полученных соединений. Показано, что расширение системы сопряжения в ряду мономерный (Д,/г) -димерный (О?/,) - тримерный (£>?/,) фталоцианин приводит к значительному батохромному сдвигу длинноволновой полосы поглощения в электронном спектре, переводя ее из видимой в ближнюю ИК-область. Для С^-симметричного тримерного фталоцианина длинноволновая полоса поглощения расщеплена на два основных пика вследствие более низкой симметрии. Наблюдаемые изменения электронных спектров интерпретированы на основе полуэмпирических квантовохимических расчетов методом ЛЫОО/б.

3. Изучены спектры флуоресценции димерного и тримерных фталоцианинов цинка. Стоксов сдвиг основной полосы флуоресценции очень мал, что говорит об их жесткой структуре; времена затухания и квантовые выходы флуоресценции димерного и тримерных фталоцианинов значительно меньше, чем для мономерного аналога.

4. Показана способность сопряженного димерного фталоцианина цинка к фотосенсибилизированной генерации синглетного кислорода, несмотря на низкую энергию возбуждения фотосенсибилизатора.

5. Изучена фотоокислительная стабильность димерного фталоцианина цинка в сравнении с его мономерным аналогом и нафталоцианином цинка. Показано, что в отличие от бензо-аннелирования как способа расширения системы сопряжения и сдвига полосы поглощения, объединение тс-электронных систем двух фталоцианиновых фрагментов не приводит к существенному падению фотостабилыюсти. Отсюда очевидны преимущества димерных фталоцианинов по сравнению с бензо-аннелированными аналогами фталоцианинов с точки зрения более детального изучения фотофизических свойств и возможных практических применений.

6. Впервые получены окисленные формы плоских димерных фталоцианинов цинка и лития, обладающие интенсивными полосами поглощения в ближней ИК-области 1200 и 2200 нм), не наблюдаемыми для мономерных аналогов; предложено отнесение этих полос на основе орбитальной модели (метод 2ШОО/б).

7. Измерены окислительно-восстановительные потенциалы сопряженного димерного фталоцианина цинка методом циклической вольтамперомет-рии. При переходе от мономерного фталоцианина к димерному наблюдается расщепление пиков окисления и восстановления на величину около 0.25 В, что связано со взаимодействием фталоцианиновых фрагментов.

8. Синтезирован несопряженный димерный фталоцианин нового типа с центральным 9,9,10,10-тетраметил-9,10-дигидроантраценовым фрагментом, для которого, на основании рентгеноструктурного анализа и молекулярного моделирования 9,9,10,10-тетраметил-9,10-дигидроантрацена предполагается плоское строение. Это соединение рассматривалось как несопряженный аналог сопряженных димерных фталоцианинов; разрыв сопряжения приводит, по данным электронных спектров, к значительно более слабому взаимодействию фталоцианиновых фрагментов.

Благодарности

Прежде всего, мне хотелось бы поблагодарить моих руководителей Георгия Алексеевича Домрачева, Ольгу Николаевну Суворову и профессора Бременского университета Дитера Вёрле. Так же особенно мне хотелось бы поблагодарить сотрудников лаборатории ТМОС ИМХ РАН Валентину Владимировну Кутыреву, Елену Александровну Щупак, Наталью Львовну Базякину и Сергея Юлиевича Кеткова, сотрудников Бременского университета Ольгу Борисовну Цареву, Ангелу Вендт, Понтера Шнурпфайля, Оливера Бартелса, Роберта Гердеса и Вилфрида Мнхаэли-са, за помощь в работе. Хотелось бы поблагодарить сотрудников института металлоорганической химии им. Г.А.Разуваева РАН:

Ольгу Владимировну Кузнецову за ИК-спектры, Юрия Алексеевича Курского и Андрея Сергеевича Шавырина за ЯМР-спектры, Георгия Константиновича Фукина и Евгения Владимировича Баранова за рентгено-структурный анализ, Александра Владимировича Пнскунова за ЭПР-спектры; сотрудников Бременского университета: Томаса Дюлкса за масс-спектры, Йоханнеса Штелтена за помощь в работе с ЯМР-спектрометром; сотрудников Гумбольдского Университета Берлина Кристиана Литвински, Евгения Ермилова и проф. Беате Рёдер за фотофизические измерения.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Президента РФ НШ-1652.2003.3 и ИШ-8017.2006.3, ФЦНТП (контракты № 02.442.11.7286 и № 02.445.11.7365). Часть работы выполнена в лаборатории проф. Вёрле в Бременском университете при финансовой поддержке немецкого научно-исследовательского общества (Deutsche Forschungsgemeinschaft, проект WO 237/32-3) и фонда Фольксваген (проект 1/78 204). Фотофизические исследования проводились совместно с лабораторией проф. Рёдер Гумбольдского Университета Берлина.

1. Linstead R.P. Phthalocyanines. Part I. A New Type of Synthetic Colouring Matters // J. Chem. Soc. 1934. - P. 1016-1017.

2. Dent С. E., Linstead R. P., Lowe A. R. Phthalocyanines. Part VI. The structure of the phthalocyanines // J. Chem. Soc. 1934. - P. 1033-1039.

3. Barrett P.A., Dent C.E., Linstead R.P. Phthalocyanines. Part VII. Phthalocyanine as a co-ordinating group. A general investigation of the metallic derivatives//J. Chem. Soc. 1936.-P. 1719-1736.

4. Березин Б.Д. Координационные соединения порфиринов и фталоцианина. М.: Наука, 1978. - 280 с.

5. Симон Ж., Андре Ж.-Ж. Молекулярные полупроводники. М.: Мир, 1988.-342 с.

6. Kasuga К., Tsutsui М. Some New Developments in the Chemistry of Metallophthalocyanines // Coord. Chem. Rev. 1980. - V. 32, № 1. - P. 6795.

7. Engel M.K. Single-Crystal Structures of Phthalocyanine Complexes and Related Macrocycles // The Porphyrin Handbook. / Eds. K. Kadish, K. Smith, R. Guilard. San Diego: Academic Press, 2003. - V. 20. - P. 1-246.

8. Mastryukov V., Ruan C., Fink M., Wang Z., Pachter R. The molecular structure of copper- and nickel-phthalocyanine as determined by gas-phase electron diffraction and ab initio/DFT computations // J. Molec. Struct. -2000. V. 556. - P. 225-237.

9. Mack J., Stillman M.J. Assignment of the optical spectra of metal phthalocyanines through spectral band deconvolution analysis and ZINDO calculations // Coord. Chem. Rev. 2001. -V. 219-221. - P. 993-1032.

10. Day P.N., Wang Z., Pachter R. Calculation of the structure and absorption spectra of phthalocyanines in the gas-phase and in solution // J. Molec. Struct. (Theochem). 1998. - V. 455. P. 33-50.

11. McKeown N.B. The Synthesis of Symmetrical Phthalocyanines // The Porphyrin Handbook. / Eds. K. Kadish, K. Smith, R. Guilard. San Diego: Academic Press, 2003. - V. 15. - P. 61-124.

12. Rodriguez-Morgade M.S., de La Torre G., Torres T. Design and Synthesis of Low-Symmetry Phthalocyanines and Related Systems // The Porphyrin Handbook. / Eds. K. Kadish, K. Smith, R. Guilard. San Diego: Academic Press, 2003.-V. 15.-P. 125-160.

13. Kobayashi N. Dimers, trimers and oligomers of phthalocyanines and related compounds // Coord. Chem. Rev. 2002. - V. 227. - P. 129-152.

14. Kobayashi N. Synthesis and Spectroscopic Properties of Phthalocyanine Analogues // The Porphyrin Handbook. / Eds. K. Kadish, K. Smith, R. Guilard. San Diego: Academic Press, 2003. - V. 15. - P. 161-262.

15. Ercolani C., Stuzhin P. Porphyrazines with Annulated Heterocycles // The Porphyrin Handbook. / Eds. K. Kadish, K. Smith, R. Guilard. San Diego: Academic Press, 2003. - V. 15. - P. 263-364.

16. Rodriguez-Morgade M. S., Stuzhin P. A. The chemistry of porphyrazines: an overview // J. Porphyrins Phthalocyanines. 2004. - V. 8. - P. 1129-1165.

17. Claessens C.G., Gonzalez-Rodriguez D., Torres T. Subphthalocyanines -Singular Nonplanar Aromatic Compounds: Synthesis, Reactivity, and Physical Properties // Chem. Rev. 2002. - V. 102, № 3. - P. 835-853.

18. Day V.W., Marks T.J., Wachter W.A. Large metal ion-centered template reactions. Uranyl complex of cyclopentakis(2-iminoisoindoline) // J. Am. Chem. Soc. 1975. - V. 97, № 16. -P. 4519-4527.

19. Михаленко С.А., Барканова С.В., Лебедев O.J1., Лукьянец Е.А. Фталоцианины и родственные соединения. IX. Синтез и электронные спектры поглощения тетра-4-трет-бутилфталоцианинов // ЖОХ. 1971. -Т. 41, Вып. 12.-С. 2735 -2739.

20. Simon J., Bassoul P. Phthalocyanine Based Liquid Crystals: Towards Submicronic Devices // Phthalocyanines Properties and Applications / Eds. C.C. Leznoff, A.B.P. Lever. - New York: VCH, 1992. - V. 2. - P. 223-229.

21. Snow A.W. Phthalocyanine Aggregation // The Porphyrin Handbook. / Eds. K. Kadish, K. Smith, R. Guilard. San Diego: Academic Press, 2003. - V. 17.-P. 129-176.

22. Hunter C.A., Sanders J.K.M. The Nature of %-ж Interactions 11 J. Am. Chem. Soc.- 1990.-V. 112, № 14.-P. 5525-5534.

23. Brewis M., Clarkson G.J., Humberstone P., Makhseed S., McKeown N.B. The Synthesis of Some Phthalocyanines and Napthalocyanines Derived from Sterically Hindered Phenols // Chem. Eur. J. 1998. - V. 4, No. 9. - P. 16331640.

24. Гэрбэлэу H.B., Арион В.Б. Темплатный синтез макроциклических соединений. Кишинев: Штиинца, 1990. - 372 с.

25. Wohrle D., Schnurpfeil G., Knothe G. Efficient synthesis of phthalocyanines and related macrocyclic compounds in the presence of organic bases // Dyes and Pigments. 1992. - V. 18, № 2. - P. 91 - 102.

26. Weitemeyer A., Kliesch H., Wohrle D. Unsymmetrically Substituted Phthalocyanine Derivatives via a Modified Ring Enlargement Reaction of Unsubstituted Subphthalocyanine // J. Org. Chem. 1995. - V. 60, № 15, P. 4900-4904.

27. Erk P., Hengelsberg H. Phthalocyanine Dyes and Pigments // The Porphyrin Handbook. / Eds. K. Kadish, K. Smith, R. Guilard. San Diego: Academic Press, 2003.-V. 19.-P. 105-150.

28. Law K.-Y. Organic Photoconductive Materials: Recent Trends and Developments // Chem. Rev. 1993. - V. 93, № 1. - P. 449-486.

29. Wohrle D., Kreienhoop L., Schlettwein D. Phthalocyanines and Related Macrocycles in Organic Photovoltaic Junctions // Phthalocyanines -Properties and Applications / Eds. C.C. Leznoff, A.B.P. Lever. New York: VCH, 1996. - V. 4. - P. 223-229.

30. Вёрле Д., Гирт А., Богдан-Рай Т., Шнурпфайл Г., Шопова М. Фотодинамическая терапия рака: второе и третье поколения фотосенсибилизаторов // Изв. АН Сер. Хим. 1998. - № 5. - С. 836-845.

31. R.J. Mortimer. Electrochromic Materials // Chem. Soc. Rev. 1997. - V. 26, № 3. - P. 147- 156.

32. Inabe Т., Tajima H. Phthalocyanines Versatile Components of Molecular Conductors//Chem. Rev.-2004.-V. 104, № 11.-P. 5503-5533.

33. Zagal J.H. Metallophthalocyanines as catalysts in electrochemical reactions // Coord. Chem. Rev. 1992. - V. 119. - P. 89-136.

34. De la Torre G., Vazquez P., Agullo-Lopez F., Torres T. Role of Structural Factors in the Nonlinear Optical Properties of Phthalocyanines and Related Compounds // Chem. Rev. 2004. - V. 104, № 9. P. 3723-3750.

35. Gouterman M., Wagniere G.H., Snyder L.C. Spectra of porphyrins. Part II. Four orbital model//J. Mol. Spectrosc. 1963. - V. 11,№ 1-6.-P. 108-167.

36. Schaffer A.M., Gouterman M., E.R. Davidson. Porphyrins XXVIII. Extended Hiickel Calculations on Metal Phthalocyanines and Tetrazaporphyrins // Theoret. Chim. Acta (Berl.). 1973. - V. 30. - P. 9-30.

37. McHugh A.J., Gouterman M., Weiss C. Porphyrins XXIV. Energy, Oscillator Strength, and Zeeman Splitting Calculations (SCMO-CI) for Phthalocyanine, Porphyrins, and Related Ring Systems // Theoret. Chim. Acta (Berl.). 1972. -V.24.-P. 346-370.

38. Теренин A.H. Фотохимия красителей. M.-JI.: АН СССР, 1947. - 354 с.

39. Zerner M.C., Loew G.H., Kirchner R.F., Mueller-WesterhoffU.T. An Intermediate Neglect of Differential Overlap Technique for Spectroscopy of Transition-Metal Complexes. Ferrocene // J. Am. Chem. Soc. 1980. - V. 102, № 2.-P 589-599.

40. Ishikawa N., Maurice D., Head-Gordon M. An ab initio study of excited states of the phthalocyanine magnesium complex and its cation radical // Chem. Phys. Lett. 1996. - V. 260. - P. 178-185.

41. Day P.N., Wang Z., Pachter R. Calculation of the structure and absorption spectra of phthalocyanines in the gas-phase and in solution // J. Mol. Struct. (Theochem). 1998. - V. 455. - P. 33-50.

42. Kobayashi N., Lever A.B.P. Cation- or Sovent-Induced Supermolecular Phthalocyanine Formation: Crown Ether Substituted Phthalocyanines // J. Am. Chem. Soc. 1987. -V. 109, №24.-P. 7433-7441.

43. Ishii K., Kobayashi N. The Photophysical Properties of Phthalocyanines and Related Compounds // The Porphyrin Handbook. / Eds. K. Kadish, K. Smith, R. Guilard. San Diego: Academic Press, 2003. - V. 16. - P. 1-42.

44. Vincett P.S., Voigt E.M., Rieckhoff K.E. Phosphorescence and Fluorescence of Phthalocyanines//J. Chem. Phys. 1971. -V. 55, № 8.-P. 4131-4140.

45. DeRosa M.C., Crutchley R.J. Photosensitized singlet oxygen and its applications // Coord. Chem. Rev. 2002. - V. 233-234. - P. 351-371.

46. Long C.A., Kearns D.R. Radiationless decay of singlet molecular oxygen in solution. II. Temperature dependence and solvent effects // J. Am. Chem. Soc. 1975.-V. 97, №8.-P. 2018-2020.

47. Clennan E.L. New Mechanistic and Synthetic Aspects of Singlet Oxygen Chemistry//Tetrahedron.-2000.-V. 56, №47.-P. 9151-9179.

48. Spiller W., Kliesch H., Wohrle D., Hackbarth S., Roder B., Schnurpfeil G. Singlet Oxygen Quantum Yields of Different Photosensitizers in Polar Solvents and Micellar Solutions // J. Porphyrins Phthalocyanines. 1998. - V. 2.-P. 145-148.

49. Grewer C., Brauer H.-D. Mechanism of the Triplet-State Quenching by Molecular Oxygen in Solution // J. Phys. Chem. 1994. - V. 98, № 16. - P. 4230-4235.

50. Olea A.F., Wilkinson F. Singlet Oxygen Production from Excited Singlet and Triplet States of Anthracene Derivatives in Acetonitrile // J. Phys. Chem. 1995.-V. 99, № 13.-P. 4518-4524.

51. Foote C.S. Photophysical and Photochemical Properties of Fullerenes // Top. Curr. Chem. 1994. - V. 169. - P. 347-363.

52. Freyer W., Mueller S., Teuchner K. Photophysical properties of benzoannelated metal-free phthalocyanines // J. Photochem. Photobiol. A.: Chem. -2004. V. 163.-P. 231-240.

53. Firey P.A., Ford W.E., Sounik J.R., Kenney M.E., Rodgers M.A.J. Silicon Naphthalocyanine Triplet State and Oxygen: A Reversible Energy-Transfer Reaction // J. Am. Chem. Soc. 1988. - V. 110, № 23. - P. 7626-7630.

54. Hoffmann M.R., Martin S.T., Choi W., Bahnemann D.W. Environmental Applications of Semiconductor Photocatalysis // Chem. Rev. 1995. - 95, № l.-P. 69-96.

55. Gerdes R., Bartels 0., Schneider G., Wohrle D., Schulz-Ekloff G. Photooxidations of Phenol, Cyclopentadiene and Citronellol with Photosensitizers Ionically Bound at a Polymeric Ion Exchanger // Polym. Adv. Technol.- 2001. -V. 12.-P. 152-160.

56. Lever A.B.P., Milaeva E.R., Speier G. The Redox Chemistry of Metallophthalocyanines in Solution // Phthalocyanines Properties and Applications / Eds. C.C. Leznoff, A.B.P. Lever. - New York: VCH, 1993. -V.3.-P. 1-69.

57. L'Her M., Pondaven A. Electrochemistry of Phthalocyanines // The Porphyrin Handbook. / Eds. K. Kadish, K. Smith, R. Guilard. San Diego: Academic Press, 2003.-V. 16.-P. 117-170.

58. Lever A.B.P., Minor P.C. Electrochemistry of Main-Group Phthalocyanines // Inorg. Chem. 1981. - V. 20, № 11. - P. 4015-4017.

59. Alexiou C., Lever A.B.P. Tuning metalloporphyrin and metallophthalocyanine redox potentials using ligand electrochemical (EL) and Hammett (ap) parametrization // Coord. Chem. Rev. 2001. - V. 216-217. -P. 45-54.

60. Clack D. W., Yandle J. R. Electronic spectra of the negative ions of some metal phthalocyanines // Inorg. Chem. 1972. - V. 11, № 8. - P. 1738-1742.

61. Nyokong T., Gasyna Z., Stillman M.J. Pthtalocyanine 7r-Cation-Radical Species: Photochemical and Electrochemical Preparation of ZnPc(-l). + in Solution // Inorg. Chem. 1987. - V. 26, № 4. - P. 548-553.

62. Nyokong T., Gasyna Z., Stillman M.J. Analysis of the Absorption and Magnetic Circular Dichroism Spectra of Zinc Phthalocyanine and the k-Cation-Radical Species ZnPc(-l).'+ // Inorg. Chem. 1987. - V. 26, № 7. -P. 1087-1095.

63. Гаврилов В.И., Константинов А.П., Деркачева В.М., Лукьянец Е.А., Шелепин И.В. Катион-радикалы фталоцианиновых комплексов // ЖФХ. 1986.-Т. 60,№6.-С. 1448-1451.

64. Mossoyan-Deneux M., Benlian D., Pierrot M., Fournell A., Sorbier J.P. Structure and Conductivity of Chloro(phthalocyaninato)zinc Single Crystals // Inorg. Chem.- 1985.-V. 24, № 12.-P. 1878-1882.

65. Bouvet M. Radical Phthalocyanines and Intrinsic Semiconduction // The Porphyrin Handbook. / Eds. K. Kadish, K. Smith, R. Guilard. San Diego: Academic Press, 2003. - V. 19. - P. 37-104.

66. Weiss R., Fischer J. Lanthanide Phthalocyanine Complexes // The Porphyrin Handbook. / Eds. K. Kadish, K. Smith, R. Guilard. San Diego: Academic Press, 2003.-V. 16.-P. 171-246.

67. Turek P., Andre J.-J., Giraudeau A., Simon J. Preparation and Study of a Lithium Phthalocyanine Radical: Optical and Magnetic Properties // Chem. Phys. Lett. 1987.-V. 134, №5.-P. 471-476.

68. Turek P., Petit P., Andre J.-J., Simon J., Even R., Boudjema В., Guillaud G., Maitrot M. A New Series of Molecular Semiconductors: Phthalocyanine Radicals// J. Am. Chem. Soc. 1987. - V. 109, № 17.-P. 5119-5122.

69. Markovitsi D., Tran-Thi T.-H., Even R., Simon J. Near Infrared Absorption Spectra of Lanthanide Bis-phthalocyanines // Chem. Phys. Lett. 1987. - V. 137, №2.-P. 107-112.

70. Belarbi Z., Sirlin C., Simon J., Andre J.-J. Electrical And Magnetic Properties of Liquid Crystalline Molecular Materials: Lithium and Lutetium Phthalocyanine Derivatives // J. Phys. Chem. 1989. - V. 93, № 24. - P. 8105-8110.

71. Gilat S.L., Ebbesen T.W. Photophysics of Lithium Phthalocyanines and Their Radicals // J. Phys. Chem. 1993. - V. 97, № 14. - P. 3551-3554.

72. Dunfort C.L., Williamson B.E., Krausz E. Temperature-Dependent Magnetic Circular Dichroism of Lutetium Bisphthalocyanine // J. Phys. Chem. A.2000. V. 104, № 16. - P. 3537-3543.

73. Deng X., Porter III W.W., Vaid T.P. Aluminum and lithium octa(pentoxy)phthalocyanine radicals // Polyhedron. 2005. - V. 24. - P. 3004-3011.

74. Cook M.J., Dunn A.J., Howe S.D., Thomson A.J., Kenneth J. Harrison. Octa-alkoxy Phthalocyanine and Naphthalocyanine Derivatives: Dyes with Q-Band Absorption in the Far Red or Near Infrared // J. Chem. Soc. Perkin Trans. I. -1988.-P. 2453-2458.

75. Burnham P.M., Cook M.J., Gerrard L.A., Heeney M.J., Hughes D.L. Structural characterisation of a red phthalocyanine // Chem. Commun. 2003. -P. 2064-2065.

76. Fox J.P., Goldberg D.P. Octalkoxy-Substituted Phosphorus(V) Triazatetrabenzcorroles via Ring Contraction of Phthalocyanine Precursors 11 Inorg. Chem. -2003.-V. 42, №25.-P. 8181-8191.

77. Fukuda Т., Ishiguro Т., Kobayashi N. Non-planar phthalocyanines with Q-bands beyond 800 nm // Tetrahedron Lett. 2005. - V. 46. - P. 2907-2909.

78. Kobayashi N., Miwa H., Nemykin V.N. Adjacent versus Opposite Type Di-Aromatic Ring-Fused Phthalocyanine Derivatives: Synthesis, Spectroscopy, Electrochemistry, and Molecular Orbital Calculations // J. Am. Chem. Soc. 2002. V. 124, № 27. - P. 8007-8020.

79. Kobayashi N., Mack J., Ishii K., Stillman M.J. Electronic Structure of Reduced Symmetry Peripheral Fused-Ring-Substituted Phthalocyanines // Inorg. Chem. 2002. - V. 41, № 21. - P. 5350-5363.

80. Давыдов A.C. Теория молекулярных экситонов. Москва: Наука, 1968. -296 с.

81. Gouterman М., Holten D., Lieberman Е. Porphyrins XXXV. Exciton Coupling in |i-Oxo Scandium Dimers // Chem. Phys. 1977. - V. 25. - P. 139-153.

82. Dodsworth E.S., Lever A.B.P., Seymour P., Leznoff C.C. Intramolecular Coupling in Metal-Free Binuclear Phthalocyanines // J. Phys. Chem. 1985. -V. 89, №26.-P. 5698-5705.

83. Mizuguchi J., Matsumoto S. Molecular Distortion and Exciton Coupling Effects in (3 Metal-Free Phthalocyanine // J. Phys. Chem. A. 1999. - V. 103, №5.-P. 614-616.

84. Marcuccio S., Svirskaya P.L, Greenberg S., Lever A.B.P., Leznoff C.C., Tommer K.B. Binuclear phthalocyanines covalently linked through two- and four-atom bridges // Can. J. Chem. 1985. - V. 63. - P. 3057-3069.

85. Leznoff C.C., Marcuccio S.M., Greenberg S., Lever A.B.P., Tomer K.B. Metallophthalocyanine dimers incorporating five-atom covalent bridges // Can. J. Chem. 1985. - V. 63. - P. 623-631.

86. Lam H., Marcuccio S.M., Svirskaya P.I., Greenberg S., Lever A.B.P., Leznoff C.C., Cerny R.L. Binuclear phthalocyanines with aromatic bridges // Can. J. Chem. 1989. - V. 67. - P. 1087-1097.

87. Anderson A.B., Gordon T.L., Kenney M.E. Electronic and Redox Properties of Stacked-Ring Silicon Phthalocyanines from Molecular Orbital Theory // J. Am. Chem. Soc. 1985.-V. 107, № l.-P. 192-195.

88. Asano Y., Kobayashi N. The first synthesis of a gable bis-phthalocyanine // Tetrahedron Lett. 2004. - V. 45. - P. 9577-9580.

89. Leznoff C.C., Lam H., Marcuccio S.M., Nevin N.A., Janda P., Kobayashi N., Lever A.B.P. A Planar Binuclear Phthalocyanine and Its Dicobalt Derivatives // J. Chem. Soc. Chem. Commun. 1987. - P. 699-701.

90. Lelievre D., Bosio L., Simon J., Andre J.-J., Benesbaa F. Dimeric Substituted Copper Phthalocyanine Liquid Crystals. Synthesis, Characterization and Magnetic Properties // J. Am. Chem. Soc. 1992. - V. 114, № n. - P. 44754479.

91. Lelievre D., Damette O., Simon J. Planar Bisphthalocyanine: a Reinvestigation // J. Chem. Soc. Chem. Commun. 1993. - P. 939-940.

92. Kobayashi N., Higashi Y., Osa T. Planar Phthalocyanine-Pyrazinoporphyrazine Heterodinucleates // J. Chem. Soc. Chem. Commun. -1994.-P. 1785-1786.

93. Yang J., Van De Mark M. Synthesis of Binuclear Phthalocyanine Sharing a Benzene or Naphthalene Ring // Tetrahedron Lett. 1993. - V. 34, № 33. - P. 5223-5226.

94. Kobayashi N., Higashi Y., Osa T. A Planar Phthalocyaninylnaphthalocyanine as a Broad Near-Infrared Absorber // Chem. Lett. 1994. - P. 1813-1816.

95. Ishii K., Kobayashi N., Higashi Y., Osa T., Lelievre D., J. Simon, S. Yamaguchi. First observation of excited triplet dimers with strong intramolecular interactions: planar binuclear phthalocyanines // Chem. Commun. 1999. - P. 969-970.

96. De la Torre G., Martinez-Diaz M.V., Torres T. Synthesis of fused polynuclear systems based on phthalocyanine and triazolehemiporphyrazine units // J. Porphyrins Phthalocyanines. 1999. - V. 3. - P. 560-568.

97. Kobayashi N., Fukuda T., Lelievre D. Band Deconvolution Analysis of the Absorption and Magnetic Circular Dichroism Spectral Data of a Planar Phthalocyanine Dimer// Inorg. Chem. 2000. - V. 39, № 16. - P. 36323637.

98. Calvete M., Hanack M. A Binuclear Phthalocyanine Containing Two Different Metals // Eur. J. Org. Chem. 2003. - P. 2080-2083.

99. Kobayashi N., Ogata H. Some Properties and Molecular Orbitals of Planar Heterodinuclear Phthalocyanines // Eur. J. Inorg. Chem. 2004. - P. 906914.

100. Vigh S., Lam H., Janda P., Lever A.B.P., Leznoff C.C., Cerny R.L. Synthesis and electrochemistry of linked and cofacial conjugated binuclear phthalocyanines covalently linked by alkyne and alkene bridges // Can. J. Chem. 1991. - V. 69.-P. 1457-1461.

101. Maya E.M., Vazquez P., Torres T. Homo- and hetero-dimetallic ethynyl- and butadiynyl-bridged bisphthalocyaninato complexes // Chem. Commun. -1997.-P. 1175-1176.

102. Cook M.J., Heeney M.J. Phthalocyaninodehydroannulenes // Chem. Eur. J. -2000. V. 6, № 21. - P. 3958-3967.

103. Garcia-Frutos E.M., Fernandez-Lazaro F., Maya E.M., Vazquez P., Torres T. Copper-Mediated Synthesis of Phthalocyanino-Fused Dehydro12.-and18.annulenes // J. Org. Chem. 2000. - V. 65, № 21. - P. 6841-6846.

104. Hauschel B., Jung R., Hanack M. Synthesis and Diels-Alder Reactions of Some New (Phthalocyanine)nickel Complexes // Eur. J. Inorg. Chem. 1999. - № 4. - P. 693-703.

105. Claessens C.G., Torres T. Synthesis, Separation, and Characterization of the Topoisomers of Fused Bicyclic Subphthalocyanine Dimers // Angew. Chem. Int. Ed. 2002. - V. 41, № 14. - P. 2561-2565.

106. Fukuda T., Stork J.R., Potucek R.J., Olmstead M.M., Noll B.C., Kobayashi N., Durfee W.S. cis and trans Forms of a Binuclear Subphthalocyanine // Angew. Chem. Int. Ed. 2002. - V. 41, № 14. - P. 2565-2568.

107. Ishii K., Abiko S., Fujitsuka M., Ito O., Kobayashi N. Exciton interactions in a self-assembled phthalocyanine dimer // J. Chem. Soc. Dalton Trans. 2002. -P. 1735-1739.

108. Cook M.J., Jafari-Fini A. Pyridino3,4.tribenzoporphyrazines: edge-to-face versus face-to-face assemblies among phthalocyanine analogues // J. Mater. Chem. 1997. - V. 7, № 12. - P. 2327-2329.

109. Kobayashi N., Muranaka A. A mutually perpendicular phthalocyanine pentamer obtained by a one-step reaction 11 Chem. Commun. 2000. - P. 1855-1856.

110. McKeown N. Phthalocyanine-containing polymers // J. Mater. Chem. 2000. -V. 10.-P. 1979-1995.

111. Wöhrle D., Schnurpfeil G. Porphyrins and Phthalocyanines in Macromolecules // The Porphyrin Handbook. / Eds. K. Kadish, K. Smith, R. Guilard. San Diego: Academic Press, 2003. -V. 17. - P. 177-246.

112. Hanack M., Dini D. Stacked Polymeric Phthalocyanines: Synthesis and Structure-Related Properties // The Porphyrin Handbook. / Eds. K. Kadish, K. Smith, R. Guilard. San Diego: Academic Press, 2003. - V. 18. - P. 251280.

113. Janczak J., Kubiak R., Zaleski A., Olejniczak J. Metallic conductivity and phase transition in Tl2Pc // Chem. Phys. Lett. 1994. - V. 225. - P. 72-75.

114. Kobayashi A., Sasa M., Suzuki W., Fujiwara E., Tanaka H., Tokumoto M., Okano Y., Fujiwara H., Kobayashi H. Infrared Electronic Absorption in a Single-Component Molecular Metal // J. Am. Chem. Soc. 2004. - V. 126, № 2. - P. 426-427.

115. Launay J.-P. Long-distance intervalence electron transfer // Chem. Soc. Rev. -2001.-V. 30.-P. 386-397.

116. Ganesan V., Rosokha S.V., Kochi J.K. Isolation of the Latent Precursor Complex in Electron-Transfer Dynamics. Intermolecular Association and Self-Exchange with Acceptor Anion Radicals // J. Am. Chem. Soc. 2003. -V. 125, №9.-2559-2571.

117. Fabian J., Nakazumi H., Matsuoka M. Near-Infrared Absorbing Dyes // Chem. Rev. 1992. - V. 92, №6. - P. 1197-1226.

118. Yakushi K., Ida T., Ugawa A., Yamakado H., Ishii H., Kuroda H. Polarized Reflectance Spectra of single Crystals of the Phthalocyanine Radicals NiPc(AsF6)o.5, H2Pc(AsF6)o.67, and LiPc // J. Phys. Chem. 1991. - V. 95. - P. 7636-7641.

119. Arnold D.P., Hartnell R.D., Heath G.A., Newby L., Webster R.D. Remarkable homology in the electronic spectra of the mixed-valence cation and anion radicals of a conjugated bis(porphyrinyl)butadiyne // Chem. Commun. 2002. -P. 754-755.

120. Sharman W.M, Van Lier J.E. Synthesis of Phthalocyanine Precursors // The Porphyrin Handbook. / Eds. K. Kadish, K. Smith, R. Guilard. San Diego: Academic Press, 2003. - V. 15. - P. 1-60.

121. Wohrle D., Eskes M., Shigehara K., Yamada A. A Simple Synthesis of 4,5-Disubstituted 1,2-Dicyanobenzenes and 2,3,9,10,16,17,23,24-0ktasubstituted Phthalocyanines // Synthesis. 1993. - P. 194-196.

122. Granoth I., Segall Y., Leader H., Alkabets R. Chemical Consequences of Hydride Addition to Aromatic Olefins // J. Org. Chem. 1976. V. 41, № 23. -P. 3682-3687.

123. Teilenbröker J., Kuck D. Extending the Chemistry of 5.5.5.5.Fenestranes -Eightfold Peripheral Functionalization of Fenestrindanes 11 Eur. J. Org. Chem. -2001.-P. 1483-1489.

124. Makarov S., Litwinski Ch., Ermilov E.A., Suvorova O., Röder В., Wöhrle D. Synthesis and Photophysical Properties of Annulated Dinuclear and Trinuclear Phthalocyanines // Chem. Eur. J. 2006. - V. 12, № 7. - P. 14681474.

125. Fenn J.В., Mann M., Meng C.K., Wong S.F., Whitehouse C.M. Electrospray Ionization for Mass Spectrometry of Large Biomolecules // Science. 1989. -V. 246.-P. 64-71.

126. Rüssel K.C., Leize E., Van Dorsselaer A., Lehn J.-M. Investigation of Self-Assembled Supramolecular Species in Solution by IL-ESMS, a New Mass Spectrometric Technique // Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1995. - V. 34, № 2.-P. 209-213.

127. Wilson S.R., Wu Y. Applications of Electrospray Ionization Mass Spectrometry to Neutral Organic Molecules Including Fullerenes // J. Am. Chem. Soc. Mass. Spectrom. 1993. - V. 4. - P. 596-603.

128. Van Berkel G.J., Zhou F. Chemical Electron-Transfer Reactions in Electrospray Mass Spectrometry: Effective Oxidation Potentials of Electron-Transfer Reagents in Methylene Chloride // Anal. Chem. 1994. - V. 66, № 20.-P. 3408-3415.

129. Khairallah G., Peel J.B. Cyano adduct anions of higher fullerenes: electrospray mass spectrometric studies // Int. J. Mass Spectrom. 2000. - V. 194.-P. 115-120.

130. Yannoni N.F., Silverman J. The crystal structure of 9,9,10,10-tetrachloro-9,10-dihydroanthracene // Acta Cryst. 1966. V. 21, Part 3. - P. 390-396.

131. Scheidt W.R., Dow W. Molecular Stereochemistry of Phthalocyaninatozinc(II) // J. Am. Chem. Soc. 1977. - V. 99, № 4. - P. 1101-1104.

132. Дыоар M., Догерти P. Теория возмущений молекулярных орбиталей в органической химии. М.: Мир, 1977. - 696 с.

133. Makarov S.G., Piskunov A.V., Suvorova O.N., Schnurpfeil G., Domrachev G.A., Wohrle D. Near-infrared absorbing ligand-oxidized dinuclear phthalocyanines // Chem. Eur. J., in press.

134. Макаров С.Г., Максимова K.H., Баранов E.B., Фукин Г.К., Суворова О.Н., Вёрле Д., Домрачев Г.А. Синтез и электронные спектры димерных фталоцианинов // Изв. АН Сер. Хим. 2006. - № 10. - С. 1697-1703.

135. Makarov S.G., Suvorova O.N., Litwinski Ch., Ermilov E.A., Roder В., Tsaryova O., Wohrle D. Linear and Rectangular Trinuclear Phthalocyanines // Eur. J. Inorg. Chem., in press.