POJAVA ERUPTIVNOG EFEKTA KOD ŠIRENJA POŽARA RASLINJA

Prof.dr.sc. Darko StipaničevKatedra za modeliranje i inteligentne sustave iCentar za istraživanje šumskih požara (u osnivanju)Fakultet elektrotehnike, strojarstva i brodogradnje Sveučilišta u Splitu - dstip@fesb.hr tel. 021 305 643

Seminar “Požari otvorenog prostora” – Trogir 29.travnja 2008.

Sadržaj

Što je eruptivni efekt ?O čemu ovisi eruptivni efekt ?Kako prepoznati mogućnost pojave eruptivnogefekta ?

Što je eruptivni efektIako se u Hrvatskoj tek u posljednje vrijeme počelo više govoriti o načinu širenja požara otvorenog prostora u javnosti najčešće poznatom pod nazivom eruptivnom požar, ova je tema u svjetskoj znanstvenoj i stručnoj literaturi vezanoj uz problematiku požara otvorenog prostora prisutna već cijeli niz godina. Razlog je prije svega taj što se smatra da je su upravo eruptivni požar krivi za veliki broj vatrogasnih nesreća koje su se dogodile pri gašenju požara otvorenog prostora.

Eruptivni požar ili eruptivni efektPrije svega odmah na početku hoću razjasniti zabunu koja se često javlja vezana s eruptivnim efektom. Razlog zabune možda leži u tome što je Viegas pojavu nazvao 'eruptive fire' što se prevodi kao 'eruptivni požar' . Prevodeći pojam kao eruptivni požar, stječe se utisak da postoji običan požar i eruptivni požar, odnosno da je eruptivni požar nešto posebno, posebna vrsta požara koja se ne javlja uvijek nego samo u posebnim situacijama. Međutim takav posebni eruptivni požar ne postoji. Postoji samo požar, a svaki požar može iskazati i efekt koji nazivamo eruptivni efekt.

Što je eruptivni efekt ?Požari otvorenog prostora, pri čemu se prije svega misli na požare raslinja, složena su prirodna pojava u kojoj se isprepleću različita termodinamička i aerodinamička događanja. Na njih značajno utječe konfiguracija terena po kojem se požar kreće, karakteristike vegetacije koja gori te lokalni meteorološki uvjeti na mjestu požarišta. Požari raslinja prirodne su pojave vremenski i prostorno dosta promjenjive, a često i teško predvidive, pa se matematički najčešće i modeliraju iskustvenim (empirijskim) i polu-iskustvenim (semi-empirijskim) modelima izvedenim na temelju dugogodišnjeg proučavanja njihovog širenja.

Frandsen – Rothermelov model širenja požaraJedan od tih modela koji se još i dan danas najviše koristi je Frandsen – Rothermelovmodel postavljen još 1972. godine.

Ovaj model pretpostavlja da se brzina širenja požara stalna (konstantna) ukoliko se vegetacija, nagib terena i vjetar ne mijenjaju. Ukoliko primjerice požar na travnatoj podlozi dođe na teren nagiba 14%, a vjetar puše uz padinu (u smjeru širenja vatre) brzinom od 5.5 m/s na visini od 10 m, požarna fronta će se širiti uz padinu brzinom od približno 20 m/min, s tim da je Rothermel kazao da će brzina biti istai na početku padine i na kraju padine, bez obzira koliko je padina duga.

Frandsen – Rothermelov model širenja požara

Frandsel-Rothermel model

Što je eruptivni efekt ?Međutim primijećeno je da to u prirodi to baš i nije tako. Brzina širenja požarne fronte na kraju padine veće je od brzine kojim se požar počeo uspinjati uz padinu. I to svaki put, kod svakog požara, bez obzira što se niti nagib padine, niti vegetacija niti vjetar nisu mijenjali. Požar se uz padinu ne kreće stalnom brzinom, već ubrzano.

Viegasov model koji uključuje eruptivni efektU jednadžbu kojom se određuje brzina širenja požara potrebno je dodati i četvrtu vrijednost – vrijeme, pa umjesto Rothermelovog trokuta: teren – vegetacija – meteorologija, imamo četverokut: teren – vegetacija – meteorologija –vrijeme. Pokusima i proračunom pojavu je dokazao Viegas pa se ovakav prošireni model širenja požara često i naziva Viegasov model.

Viegasov model

Viegasov model je proširenje osnovnog Rothermelovog modela širenja požara na način da uključuje i efekt ubrzanog kretanja požara, te zbog toga bolje i točnije opisuje stvarna događanja.

Viegasov modelSam Viegas je svoj model nazvao eruptivni požar (eng. eruptive fire) zato što ga često prati oblak oblika erupcije vulkana, što je i unijelo zabludu i pomisao da se radi o posebnoj vrsti požara, iako bi točnije bilo kazati model širenja požara koji uključuje i eruptivni efekt.

Eruptivni efektNaglasimo još jedan put da se eruptivni efekt javlja uvijek, kod svakog požara, ali često ubrzanja u širenju požara i nisu toliko velika pa ih je teško i primijetiti, te se promatraču čini da eruptivnogefekta nema.

Eruptivni efekt

Međutim u određenim situacijama ubrzanja mogu biti tolika da brzina širenja požara na kraju padine bude i stotinu puta veća od brzine kojom je požar krenuo uz padinu. Ovakvi slučajevi su od posebnog interesa, zato što se lako može dogoditi se pojava ne prepozna na vrijeme, pa može rezultirati katastrofom.

Eruptivni efekt izazvan padinom i izazvan vjetrom

Eruptivni efekt može biti uzrokovan nagibom terena ali i vjetrom. Prof. Viegas je pokusima dokazao i izmjerio ovu dvostruku prirodu eruptivnog efekta, pa razlikujemo:

eruptivni efekt izazvan padinom koji će se javiti i u slučajevima kada nema vjetra, ako je nagib padine dovoljan i eruptivni efekt izazvan vjetrom koji se javlja i na ravnom terenu ako je brzina vjetra dovoljna.

Eruptivni efekt izazvan padinom i izazvan vjetrom

Oba se efekta mogu potpomagati, pa je sigurno najgora situacija kada je terena dovoljno nagnut, a vjetar puše u smjeru padine. Ukoliko teren ima oblik klanca ili kanjona onda je efekt još dodatno pojačan,

Eruptivni efekt izazvan padinom i izazvan vjetrom

Oba se efekta mogu potpomagati, pa je sigurno najgora situacija kada je terena dovoljno nagnut, a vjetar puše u smjeru padine. Ukoliko teren ima oblik klanca ili kanjonaonda je efekt još dodatno pojačan,

Fizikalno objašnjenje eruptivnog efektaPOZITIVNA POVRATNA VEZAVatra na vrhu kontinuirano se potpomaže toplinom iz plamena ispod sebe, pa se gorenje na početku požara stalno pojačava a požarna fronta ubrzava. Povećanjem intenziteta gorenja pojačava se i strujanje zraka u njegovoj blizini što još više potpomaže gorenje na početku požara i jošviše povećava brzinu širenja požarne fronte. I tako redom, jedan efekt potpomaže drugi, pa požar brzo nekontrolirano eruptira.

Fizikalno objašnjenje eruptivnog efekta

Fizikalno objašnjenje eruptivnog efekta

FILM – objašnjenje eruptivnog efekta

Terenska ispitivanja – probni poligon u Portugalu

Testiranje modela na stvarnim požarima (Cramer Fire)

Testiranje modela na stvarnim požarima (Mann Gulch)

Fizikalno objašnjenje eruptivnog efekta

Ovakav nagli razvoj velike količine topline uzrokuje pojavu vrlo jakih vjetrova koji proizvode zvuk sličan zavijanju ili huku dolazeće lokomotive. Ovo su svjedočili i brojni svjedoci koji su svjedočili naletu ovakvog ubrzanog kretanja požarne fronte.

Posljedice eruptivnog efekta

Posljedica eruptivnog efekta je to da se vegetacija na vrhu padine zapali i prije nego li je izgori vegetacija ispod, pa istovremeno gori veliki dio padine.Time se akumulira ogromna količina oslobođene toplinske energije.

Kolika energija ?Zamislimo situaciju nagnutog klanca poluzatvorenog s gornje strane u kojem se razvio eruptivni efekt, a vjetar puše u smjeru osi klanca. Veliki dio energije izgaranja vegetacije na cijelom potezu koji gori biti će vjetrom ''nabijen'' u gornji poluzatvoreni dio klanaca.

Posljedice eruptivnog efektaO kakvim se energijama može raditi i u slučaju relativno oskudne vegetacije pokazati ćemo primjerom. Neka je površina od 50.000 m2, obrasla travnatom vegetacijom mediteranskog tipa s prosječno 0.6 kg/m2. Gornja toplinska moć ovakvog goriva je oko 18.000 kJ/kg. Uz 12% vlage u gorivu prosječna toplinska energija oslobođena u prostor izgaranjem ovakvog goriva je oko 5.500 kJ/m2, što znači da bi istovremeno gorenje površine od 50.000 m2, što otprilike odgovara području od 350 x 145 m, oslobodilo količinu topline od 275.000 MJ, odnosno oko 76 MWh. O kakvoj se energiji radi najbolje ilustrira podataka da je energija od 76 MWh dovoljna da žarulja od 100 W neprekidno gori 87 godina !

Mogući slučaj pojave eruptivnog efekta - KornatiPrvo pitanje – što nas je navelo na pomisao da se na Kornatima mogao javiti eruptivni efekt ?Puno detalja, a neki od njih su:

Rothermelov standardni model daje duga vremena dolaska vatre od ulaza u klanac do mjesta nesreće. Zbog relativno kratkog vremena gorenja travnate vegetacije da se požar kretao od ulaza u kanjon do mjesta nesreće 5-6 min požarna fronta ne bi bila široka i vatrogasci bi se lako uklonili.

Mogući slučaj pojave eruptivnog efekta - KornatiStabla na putu širenja požara od ulaza u klanac do mjesta nesreće nisu izgorjela, već su samo izgubila lišće u donjem dijelu i to sve više prema kraju klanca.Ukoliko se požar kreće sporo onda i sve stabla na putu kretanja požara planu i izgore, znači pojava je morala biti nagla i brza.

Stabla na putu širenja požara od ulaza prema kraju klanca

Mogući slučaj pojave eruptivnog efekta - KornatiEruptivni efekt izaziva vrlo jaki lokalni vjetar u smjeru širenja požara. Dokaz pojave jakog vjetra su rastopljeni dijelovi odjeće zalijepljeni na stijenu iza unesrećenih (letjeli su skoro horizontalno)

Mogući slučaj pojave eruptivnog efekta - KornatiPreostalo lišće na stablu pokazuje vektor smjera puhanja vjetra – paralelno s osi klanca

Primjena modela eruptivnog efekta na Šipnate kanjon

Moguće je da se u klancu Šipnate dogodio eruptivni efekt nastao kombinacijom djelovanja nagiba i vjetra (eruptivni izazvan nagibom i eruptivni efekt izazvan vjetrom)Iako je nagib klanca bio “samo” 14% (oko 9o) što je nedovoljno za razvijanje jakog eruptivnog efekta izazvanog samo padinom(treba bar 25o) međutim jaki vjetar u smjeru osi klanca je prividno povećao nagib dovoljno da se eruptivni efekt ipak mogao razviti, a pogotovo ako se u klancu razvio i tunelski efekt o čemu ćemo kasnije više kazati.

Primjena modela eruptivnog efekta na Šipnate kanjonDa bi se primijenio model eruptivnog efekta treba napraviti brojne eksperimente kojima se određuju ulazni parametri za model eruptivnog efekta. Napravio ih je prof.Viegas u Laboratoriju za istraživanje šumskih požara u Louisi.

Primjena modela eruptivnog efekta na Šipnate kanjonPrema proračunu moguće je da se u drugom dijelu klanca razvio eruptivni efekt, te da je požaru trebalo malo više od pola minuta da prevali put od b do A (350 m). Eksperimentalno određeno vrijeme gorenja Kornatske vegetacije je 12 sekundi, što znači da je moguće da je istovremeno gorjelo skoro pola klanca od točke b do točke A..

Eruptivni efekt je samo bio okidačAerodinamička i termodinamička analiza mogućih

događanja u klancu Šipnate daje mogućnost da je eruptivni efekt bio tek okidač (triger) niza pojava koje su prof.Ninić i ing.Nižetić nazvali BRZI TOPLINSKI UDAR, a koji su rezultirali gomilanjem toplinske energije na mjestu nesreće.

Najjednostavnije kazano moguće je da se u klancu formirao tunelski efekt – virtualni tunel s gornje strane poklopljen primarnom strujom juga, a u samom klancu strujanjem u smjeru osi klanca (doc.Klarin).

Eruptivni efekt je samo bio okidačOvakvom razmišljanju doprinose i rezultati modeliranja

brzina i smjerova vjetra u DHMZ koji su zbog temperaturne inverzije iznad Kornata stvorile pojavu koja se stručno zove “niska mlazna struja” .Zbog nje se formirao zračni poklopac koji je onemogućio razvijenoj toplini da se slobodno diže u zrak

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22wind speed (m/s)

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

heig

ht (k

m)

KORNAT 30 August 2007 09 UTC10 UTC11 UTC12 UTC13 UTC14 UTC15 UTC16 UTC

90 120 150 180 210 240 270wind direction (o)

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5Na ovaj način se

može objasniti i izostanak tipičnog eruptivnog oblaka dima s obzirom da su svi produkti izgaranja bili koncentrirani u klancu na mjestu nesreće

Brzi toplinski udar – formiranje (Ninić & Nižetić)

Brzo zapaljenje dionice uz vjetar

Početak formiranja ''brzog toplinskog udara'' (BTU)

Potpuno razvijeni BTU

Brzi toplinski udar – rasformiranje (Ninić & Nižetić)

Tokovi energije u razvijenom BTU

Raspad BTU

Moguća rekonstrukcija događanja u klancu Šipnate

Moguća rekonstrukcija događanja u klancu Šipnate

Moguća rekonstrukcija događanja u klancu Šipnate

Što napraviti u slučaju požara kod kojeg se razvio eruptivni efekt ?

Kako se braniti od eruptivnog požara? Nikako. Količina energije koja se pri eruptivnom efektu oslobađa je tolika da se požar u ovoj fazi jednostavno ne može gasiti. Požar čiji je intenzitet požarne fronte veći od 4.000 kW/m ne može se gasiti, a eruptivni požar razvija još i više.

Što napraviti u slučaju požara kod kojeg se razvio eruptivni efekt ?

Jedino obrana od požara u eruptivnoj fazi je ne naći se na putu njegovog širenja.Eruptivni požar se ne može zaustaviti. Od eruptivnog požaru se treba skloniti. Portugal je zemlja koja po konfiguraciji terena i tipu vegetacije ima dosta mjesta u kojima se eruptivni požar može pojaviti. Zbog toga svi portugalski vatrogasci prolaze posebnu obuku vezanu uz prepoznavanje uvjeta u kojima se eruptivni požar može pojaviti.

Što napraviti u slučaju požara kod kojeg se razvio eruptivni efekt ?

Kao najjednostavnije pravilo kojega se lako držati navodi se da se požar raslinja, pogotovo lakih i brzo zapaljivih goriva poput suhe trave ne gasi sa padine iznad požara ili sa mjesta u gornjem višem dijelu nagnutog klanca iznad požara, ukoliko između požarne fronte i gasitelja postoji dovoljno goriva tvar, a pogotovo ako vjetar puše u smjeru rastuće osi klanca.

Što napraviti u slučaju požara kod kojeg se razvio eruptivni efekt ?

Što više, savjetuje se izbjegavanje položaji poput grebena i platoa iznad klanca ili strme padine. Velika količina topline i toplih plinova koju razvija eruptivni požar može svojim naglim dolaskom ugroziti živote vatrogasaca i na takvim mjestima. Događalo se da stradali zbog konfiguracije terena često i ne vide požar do trenutka kada se on eruptivnom brzinom penje uz padinu ili klanac, a tada je najčešće većkasno.

Što napraviti u slučaju požara kod kojeg se razvio eruptivni efekt ?

Prof. Viegas, često ističe da je poseban problem podcjenjivanje požara travnatih površina, a one su u odnosu na eruptivni požar izuzetno opasne – primjer Castel de Vide Portugal (1 stradali vatrogasac i 1 izgorjelo vozilo)

Kako prepoznati mogućnost razvoja eruptivnog efekta ?

Eruptivni efekt se može razviti ako je: Nagib padine veći od 25o pa čak ako vjetar puše i niz padinu. Posebno su opasne konfiguracije tipa “klanac” i “zatvoreni klanac”.Brzina vjetra veća od 2 m/s, a pogotovo ako se smjer vjetra poklapa sa smjerom rasta padine ili osi klanca.Veća opasnost je kod travnatih i grmolikih vegetacija, nego kod šumovitih područja.

Što možemo mi napraviti ?

Možemo uključiti prepoznavanje mogućnosti razvoja eruptivnog efekta u simulacijski model širenja požara - MOPP – MOdeliranjePropagacije Požara

Što možemo mi napraviti.

Što možemo mi napraviti ?

A za to simulator treba i napraviti !!!Potaknuti djelovanjem portugalskog laboratorija za izučavanjem šumskih požara pokrenuli smo inicijativa koja bi trebala rezultirati osnivanjem hrvatskog Centra za izučavanja požara otvorenog prostora pri Fakultetu elektrotehnike, strojarstva i brodogradnje Sveučilišta u Splitu.

Što možemo mi napraviti ?

U njegovim bi se laboratorijima, uz suradnju i svih drugih u Hrvatskoj koji o toj problematici nešto znaju, trebala provoditi detaljna istraživanja požara prirodnog raslinja. Naravno za to laboratorije treba i opremiti .Za primjer na slijedećoj je slici istraživačko vozilo opremljeno odgovarajućom opremom, uključujući i infra-crvenu kameru, koje Viegasov laboratorij koristi kod izučavanja fenomena požara otvorenog prostora.

Sustavno istraživanje požara raslinja u Portugalu već 20 godina !!!

Duboko se nadam da će skoro i ovo postojati !!!

Kako bismo što bolje razumjeli specifičnosti požara raslinja hrvatske obale i priobalja.