Pirogeografia
Pirogeografia to badanie przeszłego, obecnego i przewidywanego rozmieszczenia pożarów . Pożary na terenach dzikich występują w określonych warunkach klimatycznych , roślinności, topografii i źródeł zapłonu, tak że mają swoją własną biogeografię , czyli układ w przestrzeni i czasie. Najwcześniejsze opublikowane dowody na istnienie tego terminu pojawiły się w połowie lat 90. XX wieku, a jego znaczenie było głównie związane z mapowaniem pożarów. Obecne rozumienie pirogeografii pojawiło się w pierwszej dekadzie XXI wieku jako połączenie biogeografii i ekologii pożarów , ułatwiona dzięki dostępności ogólnoświatowych zbiorów danych dotyczących występowania pożarów, pokrywy roślinnej i klimatu. Pirogeografię umieszczono także na styku biologii , środowiska geofizycznego oraz płonących wpływów społecznych i kulturowych.
Pirogeografia często wykorzystuje ramy koncepcji nisz ekologicznych do oceny kontroli środowiskowej pożaru. Badając, w jaki sposób czynniki środowiskowe oddziałują na siebie, ułatwiając pożar, pirogeografowie mogą przewidzieć oczekiwane zachowanie pożaru w nowych warunkach. Badania pirogeograficzne wnoszą wkład w politykę zarządzania gruntami w różnych regionach świata i stanowią dla niej podstawę.
Koncepcje
Ramy pirogeografii
W ramach stosowanych w pirogeografii istnieją trzy podstawowe kategorie kontrolujące reżimy pożarowe na całym świecie: zasoby eksploatacyjne, zapłony i warunki atmosferyczne. Każdy z trzech czynników zmienia się w zależności od przestrzeni i czasu, powodując i tworząc różne reżimów pożarowych . Ogień jest wynikiem przecięcia się tych trzech elementów.
- Zasoby eksploatacyjne — termin ten odnosi się do roślinności zużywanej jako źródło paliwa podczas pożarów. Rodzaj roślinności może różnić się produktywnością, strukturą i palnością, a zmienność ta będzie prowadzić do różnych typów zachowania lub intensywności pożaru.
-
Zapłony – Ogień jest częściowo kontrolowany przez dostępność źródła zapłonu. Istnieją dwa główne źródła zapłonu ognia: naturalne i antropogeniczne. Znaczenie tych dwóch źródeł różni się w zależności od regionu.
- Naturalny zapłon: podstawową formą naturalnego zapłonu jest błyskawica , chociaż niektóre pożary mogą wybuchnąć w wyniku innych źródeł zapłonu (takich jak aktywność wulkaniczna).
- Zapłon antropogeniczny: ludzie powodują pożary zarówno umyślnie, jak i niezamierzenie.
- Warunki atmosferyczne — warunki pogodowe mogą określić, czy dany obszar sprzyja pożarowi: gorąca, sucha i/lub wietrzna pogoda może zwiększyć prawdopodobieństwo pożaru, podczas gdy wilgotne i zimne warunki mogą zmniejszyć prawdopodobieństwo wystąpienia pożaru.
Badając i określając ilościowo te ramy w czasie i przestrzeni, pirogeografowie mogą zbadać różnicę między reżimami pożarów w różnych regionach lub okresach.
Zmienne ognia
Aby doszło do pożaru, musi zostać spełnionych kilka zmiennych, na które wpływają zarówno czynniki naturalne, jak i ludzkie. Ze względu na przestrzenną i czasową charakterystykę każdej zmiennej, globalne zachowanie się pożaru jest złożonym i płynnym systemem do modelowania i nie można go przewidzieć na podstawie samego klimatu ani roślinności.
Prędkość wiatru
Prędkość wiatru jest siłą napędową szybkości rozprzestrzeniania się, czyli szybkości rozprzestrzeniania się pożaru w krajobrazie. Wpływ na to ma pora roku, pogoda, topografia i pokrycie terenu danej lokalizacji. Na prędkość wiatru wpływa działalność człowieka wynikająca z antropogenicznej zmiany klimatu i zmiany użytkowania gruntów.
Ciągłość paliwa
Ciągłość paliwa to rozkład cząstek paliwa w złożu paliwa, który wpływa na zdolność pożaru do podtrzymania spalania i rozprzestrzeniania się. Wpływ na to ma rodzaj terenu, obecność zbiorników wodnych, sezonowość i typ/wiek roślinności. Wpływ człowieka na ciągłość obejmuje przerwy w dostawie sztucznego paliwa (drogi, taktyka gaszenia pożarów), fragmentację siedlisk, przemieszczanie gatunków i metody gospodarowania gruntami (wypalanie łat, „cięcie i spalanie” itp.).
Ładunki paliwa
Ładunek paliwa to ilość dostępnego paliwa na jednostkę powierzchni. Można go również zdefiniować na podstawie ilości energii cieplnej wytworzonej na jednostkę powierzchni podczas spalania. Wpływy naturalne obejmują rodzaj/pokrywę roślinności, obecność naturalnych zakłóceń (takich jak plaga owadów, szkody powodowane przez wiatr), roślinożerność, żyzność gleby i sezonowość. Wpływ człowieka może obejmować wypas, pozyskiwanie drewna, taktykę tłumienia, przetwarzanie paliwa (środki zapobiegawcze) i zmianę użytkowania gruntów, taką jak wylesianie i rozwój rolnictwa.
Wilgotność paliwa
Wilgotność paliwa jest miarą ilości wody w paliwach i wyrażana jest jako procent suchej masy tego paliwa. Na wilgotność paliwa wpływa aktywność wiatru, pora roku, poprzedzające opady deszczu, wilgotność względna, temperatura powietrza i wilgotność gleby. Wpływ człowieka obejmuje antropogeniczną zmianę klimatu i gospodarkę gruntami (wyręb, wypas, wypalanie).
Zapłony
Zapłony mogą być naturalne lub antropogeniczne. Naturalne zapłony są na ogół ograniczone do uderzeń piorunów, ale zaobserwowano wulkanizm i inne źródła. Pożar spowodowany przez człowieka może być zamierzony (podpalenie, metody gospodarowania paliwem) lub niezamierzony. Czynniki naturalne wpływające na zapłon obejmują błyskawice, wulkany i sezonowość. Wpływ człowieka obejmuje wielkość populacji, zarządzanie gruntami, sieci dróg i podpalenia.
Metodologia
Pyrogeografowie stosują wiele różnych metod badania rozkładu ognia. Do badania pożarów w przestrzeni kosmicznej pirogeografowie wykorzystują dane przestrzenne dotyczące aktywności pożarów, które mogą przyjmować różne formy, w tym obserwacje, zdjęcia satelitarne i historyczne dowody pożaru. Pojawienie się pirogeografii jako dziedziny jest ściśle powiązane z dostępnością zdjęć satelitarnych. Od końca lat 70. XX wieku, kiedy dane satelitarne stały się powszechnie dostępne, badano sezonowe i geograficzne wzorce aktywności pożarów, co doprowadziło do rozwoju tej dziedziny.
Dane z obserwacji pożaru
Obserwacja wystąpienia pożaru jest ważnym elementem danych w pirogeografii. Informacje o wystąpieniu pożaru można uzyskać z różnych źródeł: historycznych i współczesnych. Historyczne dane z obserwacji pożarów często pochodzą z dendrochronologii (zapisy pożarów słojów drzew) lub innych pisemnych zapisów historycznych. Współczesne obserwacje pożarów często przeprowadza się za pomocą satelitów: wykorzystując zdjęcia lotnicze, naukowcy mogą zbadać aktywność pożaru i wielkość spalonego obszaru. Obie formy danych z obserwacji pożaru są ważne dla badania rozkładu pożaru.
Modele rozkładu przestrzennego
Modele rozkładu przestrzennego są wykorzystywane w pirogeografii do opisu empirycznych zależności między ogniem a czynnikami środowiskowymi. Istnieje wiele metod statystycznych wykorzystywanych do budowania i uruchamiania tych modeli. Większość modeli składa się z mapowanych obserwacji pożarów porównanych z różnymi zmiennymi niezależnymi (w tym przypadku przestrzennymi gradientami środowiskowymi, takimi jak topografia lub opady). Obydwa te elementy razem tworzą statystyczny model prawdopodobieństwa pożaru, który można wykorzystać do oceny hipotez lub podważenia założeń. Niektóre z używanych zmiennych obejmują na przykład pierwotną produktywność netto (NPP), roczne opady, temperatura lub wilgotność gleby. Modele są szczególnie ważne w pirogeografii, ponieważ można je stosować w obszarach, w których dane z obserwacji pożarów mogą być niekompletne lub stronnicze. Modele o wysokiej niezawodności można wykorzystać do prognozowania lub przewidywania warunków w obszarach o niewielkiej ilości danych i obserwacji.
Relacje klimat-pożary
Być może najważniejszym i kompleksowym związkiem w pirogeografii jest związek między spalonym obszarem a pierwotną produktywnością netto.
W miejscach o niskiej pierwotnej produktywności netto nie istnieją niezbędne zmienne pożarowe, które umożliwiłyby rozpalenie pożaru. Na przykład pustynie mają bardzo niski poziom energii jądrowej, biorąc pod uwagę suchy klimat i nie gromadzą wystarczających ładunków paliwa, aby podtrzymać ogień.
Z drugiej strony obszary o bardzo wysokiej produktywności pierwotnej netto są generalnie ograniczone przez wilgotną, tropikalną pogodę. Można to zaobserwować w miejscach takich jak tropikalne lasy deszczowe , gdzie pierwotna produktywność jest niezwykle wysoka, ale nie istnieją warunki pogodowe niezbędne do wysuszenia paliw.
Pożary występują na obszarach o średnim poziomie pierwotnej produktywności netto i w klimacie charakteryzującym się sezonowym wzorcem utrzymywania się ładunków paliwa. Tropikalne sawanny są wyraźnym przykładem takich warunków, gdzie po gorących i wilgotnych sezonach wegetacyjnych następują okresy suche, które wysuszają paliwa i powodują zapłon ognia. Te sawanny są najbardziej rozpowszechnionym łatwopalnym środowiskiem na Ziemi.
Przykład związku między elektrownią jądrową a spalonym obszarem można zaobserwować w zachodnich Stanach Zjednoczonych, gdzie gęste lasy iglaste z dużą liczbą NPP rzadko doświadczają pożarów zastępujących drzewostany, bardziej suche lasy sosnowe i zarośla chaparralowe płoną średnio w odstępach dekadowych, a zarośla stepowe ulegają pożarom przynajmniej historycznie, w odstępach kilkudziesięcioletnich lub dłuższych.
Wpływ człowieka na rozszerzanie zasięgu pożaru
W gęstych lasach (np. tropikalnych lasach deszczowych) zmiana użytkowania gruntów i wylesianie gwałtownie zwiększają ryzyko pożarów poprzez otwarcie korony lasu, a tym samym zmniejszenie wilgotności i wilgotności paliw powierzchniowych, a także poprzez ukierunkowane zapłony w okresach suchych, w których w innych przypadkach nie występują błyskawice. Zostało to wyraźnie wykazane w dorzeczu Amazonki i Indonezji, gdzie masowe wylesianie i zmiana sposobu użytkowania gruntów zmieniły rozległy krajobraz lasów deszczowych i uczyniły je podatnymi na pożary. Występowanie pożarów stało się znacznie częstsze w tropikalnych lasach deszczowych, ponieważ dodatnie pętle sprzężenia zwrotnego między utratą lasu, fragmentacją i pożarem zapewniają warunki coraz bardziej sprzyjające pożarowi. Szacuje się, że z powodu wylesiania na dużą skalę opady w Amazonii mogą spaść nawet o 20%.
Gatunki inwazyjne mogą również mieć dramatyczny wpływ na zmianę rodzaju paliwa i ładunku paliwa, zwiększając lub zmniejszając w ten sposób wielkość pożaru .
Zastosowania pirogeografii
Zarządzanie ryzykiem
Pirogeografia jest również wykorzystywana do informowania o wysiłkach rozwojowych i zarządzaniu krajobrazem w regionach, które mogą być podatne na pożary. Ekspansja przedmieść i dzielnic na regiony, które często i intensywnie płoną (takie jak części Kalifornii), oznacza, że właściciele domów stają w obliczu rosnącego ryzyka rozprzestrzenienia się lub rozpoczęcia pożarów na ich obszarze. Pirogeografię można wykorzystać do tworzenia map zagrożenia pożarowego w celu edukowania lub informowania właścicieli gruntów i społeczności. Mapy te mogą pokazać, które obszary mogą być najbardziej podatne na najintensywniejsze spalanie. Właściciele gruntów i deweloperzy mogą wykorzystać te informacje do planowania strategii ewakuacji lub zapobiegania zabudowie na określonych obszarach. Istnieją inne zasady, które mogą zmniejszyć ryzyko pożaru: zarządzanie roślinnością i ognioodporne materiały budowlane (takie jak metal zamiast drewna) mogą pomóc zmniejszyć ryzyko utraty domu w pożarze.
Zagospodarowanie terenu
Modelowanie rozprzestrzeniania się pożaru za pomocą metod pirogeograficznych pomaga w informowaniu o zarządzaniu gruntami. Modele rozkładu pożaru służą do oceny praktyk zarządzania gruntami w praktyce i można je wykorzystać do określenia, czy konkretna praktyka (taka jak obróbka lub usuwanie paliwa) działa skutecznie lub zgodnie z przewidywaniami. Jednym z przykładów jest północna Dolina Środkowa Kalifornii: pożary na tym obszarze są tłumione od ponad stu lat dzięki rolnictwu, ale modele rozkładu przestrzennego pokazują, że w przeszłości pożary mogły pojawiać się częściej. Świadomość, że stłumienie pożarów zmieniło naturalną częstotliwość pożarów na danym obszarze (a tym samym być może zmieniło krajobraz), pozwala zarządcom gruntów, właścicielom gruntów i decydentom informować o bieżących wysiłkach na rzecz odtworzenia naturalnego.
Związki z innymi dyscyplinami
Paleoekologia
Odtworzenie historii pożarów danego obszaru jest bardzo pomocne w określeniu jego warunków klimatycznych i ekologii. Wiedza na temat przeszłych pożarów pochodzi z geochemii, analizy słojów drzew, węgla drzewnego, dokumentów pisanych i archeologii. Każde źródło danych ma zalety i wady. Do celów paleoekologii dane dotyczące węgla drzewnego z próbek rdzeni z jezior i gleby dostarcza informacji sięgających tysiącleci, umożliwiając dokładną rekonstrukcję klimatu w oparciu o związek reżimów pożarowych z roślinnością i klimatem. Węgiel drzewny należy najpierw wyekstrahować lub wypłukać z osadów próbki rdzeniowej. Następnie umieszcza się go na płytce i liczy pod mikroskopem. Zawartość węgla drzewnego w warstwie osadu jest wykreślana na wykresie, pokazującym, kiedy i z jaką intensywnością wystąpiły pożary. Najwyższe szczyty, gdzie znajduje się najwięcej węgla drzewnego, odpowiadają intensywniejszemu pożarowi. Różne ekosystemy są bardziej podatne na pożary ze względu na czynniki klimatyczne i rodzaj występującej roślinności. Ten związek między ogniem a obecną roślinnością wykorzystuje się do wyciągania wniosków na temat klimatu w tamtym czasie na podstawie ilości i rodzaju znalezionego węgla drzewnego. Różne rodzaje roślinności pozostawiają inny węgiel drzewny. Zadaniem paleoekologa jest policzenie i określenie ilości i rodzaju obecnego węgla drzewnego. Liczby te są później badane i analizowane w połączeniu z innymi źródłami danych. Pozwala to na wykorzystanie ognia jako wskaźnika zastępczego do rekonstrukcji klimatów w odległej przeszłości. Skutki pożaru można zobaczyć za pomocą procesów takich jak strata przy zapłonie . Analizuje się skład chemiczny gleby w celu określenia zmian w procentowej zawartości minerałów i węgla w wyniku pożaru. Dane historyczne mogą ujawnić źródło lub przyczynę pożaru. Dane dotyczące pyłku dostarczają informacji na temat gatunków wegetatywnych występujących przed i po pożarze. Wywołana pożarem podatność gleby na magnetyzm może ujawnić cechy reżimu pożarowego, które poprzedzają zarejestrowaną historię i zapewnić wgląd w reżimy pożarowe w czasie tworzenia się gleby. Wszystkie te proxy pomagają w budowie ekosystemu badanego obszaru.
Archeologia
Ogień stał się powszechną technologią dla wielu populacji Hominina między 400 a 300 tysiącami lat temu; ludzie mają kontakt z ogniem od setek tysięcy lat. Ludzie wpływają na strukturę pirogeograficzną na więcej sposobów niż tylko na dostarczanie źródła zapłonu: nasze działania i zachowania mogą również zmieniać roślinność, klimat i tłumić zapłony wyładowań atmosferycznych, w ten sposób znacząco wpływając na reżimy pożarowe.