Пирокумулюс

Пирокумулюс (от др.-греч. πῦρ — «огонь» и лат. cumulus — «куча», «скопление»), также пирокучевое облако или кучево-дождевое облако пожара — это мощное конвективное облако, образующееся в результате интенсивного нагрева воздуха над источником тепла, таким как крупный лесной пожар, извержение вулкана или промышленный взрыв. В отличие от обычных кучевых облаков, формирующихся за счёт солнечного нагрева земной поверхности, пирокумулюс возникает над локальным, часто антропогенным или природным, очагом высокой температуры. Внешне пирокумулюс напоминает грозовое облако, нередко приобретая серый или бурый оттенок из-за примеси пепла и дыма. При благоприятных условиях пирокумулюс может перерасти в пирокучево-дождевое облако (пирокумулонимбус), способное порождать молнии, грозы и даже огненные смерчи.

Механизм образования

Образование пирокумулюса начинается с мощного восходящего потока нагретого воздуха над источником огня. Температура в зоне горения может достигать 800–1200 °C, что приводит к резкому расширению воздуха и его подъёму вверх со скоростью, значительно превышающей скорость подъёма в обычных конвективных ячейках. Восходящий поток, насыщенный водяным паром, образующимся при сгорании биомассы, а также частицами сажи и пепла, поднимается до уровня конденсации.

Условия для формирования

Для возникновения пирокумулюса необходимы следующие факторы:

• Источник тепла: крупный лесной или торфяной пожар, извержение вулкана, мощный промышленный взрыв. Площадь очага должна быть достаточной для создания устойчивого восходящего потока (обычно от нескольких гектаров).
• Неустойчивость атмосферы: наличие в нижних слоях атмосферы (тропосфере) условий, способствующих дальнейшему подъёму нагретого воздуха (градиент температуры, близкий к сухоадиабатическому).
• Влажность: достаточное количество водяного пара в воздухе для конденсации на высоте. При сильной засухе пирокумулюс может не сформироваться, несмотря на интенсивный пожар.
• Отсутствие сильного ветра: сильный ветер может размывать восходящий поток, препятствуя образованию облака.

Стадии развития

1. Начальная стадия: над очагом пожара формируется столб дыма и горячего воздуха — конвективная колонна. При достижении уровня конденсации (обычно на высоте 1–3 км) начинается образование облачных капель.
2. Стадия кучевого облака: облако растёт вверх, приобретая характерную кучевую форму. Верхняя часть облака может быть белой, а нижняя — тёмно-серой из-за пепла.
3. Стадия пирокумулонимбуса (грозового облака): если восходящий поток достаточно силён (скорость подъёма может превышать 20–30 м/с), облако пробивает тропопаузу и распространяется в стратосфере, образуя наковальню. В этой стадии начинается электризация облака, возникают молнии.

Характеристики и свойства

Пирокумулюс отличается от обычных кучевых облаков рядом особенностей:

• Цвет: из-за большого количества частиц сажи и пепла облако часто имеет серый, бурый или даже красноватый оттенок, особенно в нижней части.
• Размеры: высота облака может достигать 10–15 км, а в случае мощных пожаров — до 20 км. Горизонтальный размер — от нескольких километров до десятков километров.
• Температура: в верхней части облака температура может опускаться до −50 °C и ниже, что способствует образованию кристаллов льда.
• Электризация: пирокумулюсы часто генерируют молнии, которые могут быть как положительными, так и отрицательными. Положительные молнии (разряд между облаком и землёй) особенно опасны, так как они переносят больший заряд и могут вызывать новые пожары вдали от основного очага.
• Продолжительность жизни: от нескольких часов до нескольких суток, в зависимости от интенсивности пожара и погодных условий.

Влияние на окружающую среду и климат

Пирокумулюсы оказывают многогранное воздействие на атмосферу и экосистемы:

Пожароопасность

Молнии, порождаемые пирокумулюсом, могут вызывать новые очаги возгорания на расстоянии до 10–20 км от основного пожара. Это явление известно как «пожарная гроза» и значительно усложняет тушение крупных лесных пожаров. По данным исследований, до 30% молний в зонах крупных пожаров могут быть вызваны пирокумулюсами.

Атмосферные выбросы

Пирокумулюсы поднимают продукты горения (углекислый газ, угарный газ, метан, оксиды азота, сажу) на большую высоту, вплоть до стратосферы. Там эти вещества могут распространяться на тысячи километров, влияя на химический состав атмосферы. Сажа, попадая в стратосферу, может задерживать солнечное излучение, вызывая локальное или региональное похолодание.

Влияние на погоду

Пирокумулюсы способны изменять местную погоду. Они могут вызывать сильные ливни, град и шквалы. Однако в засушливых регионах конденсация водяного пара в облаке может не приводить к осадкам, достигающим земли (вирга). В некоторых случаях пирокумулюсы могут даже подавлять развитие обычных грозовых облаков, отбирая у них влагу и энергию.

Примеры известных событий

• Пожары в Австралии (2019–2020): во время катастрофических лесных пожаров в Австралии наблюдались многочисленные пирокумулюсы, некоторые из которых переросли в пирокумулонимбусы. Было зафиксировано более 20 случаев «пожарных гроз», которые привели к новым возгораниям.
• Пожары в Сибири (2021): в Якутии и Красноярском крае летом 2021 года спутниковые наблюдения зафиксировали мощные пирокумулюсы, поднимавшие дым на высоту до 15 км. Дым от этих пожаров достиг Северного полюса.
• Извержение вулкана Эйяфьядлайёкюдль (2010): хотя основным источником выбросов был вулканический пепел, над кратером также наблюдались пирокумулюсы, образованные за счёт тепла лавы и взаимодействия с ледником.
• Пожар в Чернобыльской зоне отчуждения (2020): в апреле 2020 года лесные пожары в зоне отчуждения Чернобыльской АЭС привели к образованию пирокумулюсов, которые подняли радиоактивную пыль на высоту до 3 км.

Пирокумулюсы и вулканическая деятельность

При извержениях вулканов также могут формироваться облака, внешне схожие с пирокумулюсами. Они называются вулканическими кучевыми облаками или вулканическими грозовыми облаками. Механизм их образования тот же — мощный нагрев воздуха и выброс водяного пара, но источником тепла является магма, а не горение биомассы. Такие облака часто содержат большое количество вулканического пепла и могут порождать молнии, которые наблюдаются в пепловых шлейфах.

Исследования и мониторинг

Изучение пирокумулюсов началось во второй половине XX века с развитием спутниковой метеорологии. Современные методы включают:

• Спутниковые наблюдения: геостационарные спутники (например, GOES, Himawari, «Электро-Л») позволяют отслеживать образование и движение пирокумулюсов в реальном времени.
• Радиолокация: метеорологические радиолокаторы фиксируют структуру облака и интенсивность осадков.
• Авиационные исследования: самолёты-лаборатории, оборудованные датчиками, могут пролетать через пирокумулюсы для измерения их состава и динамики.
• Моделирование: компьютерные модели атмосферы используются для прогнозирования возникновения пирокумулюсов и их влияния на распространение пожаров.

В России мониторинг пирокумулюсов осуществляется в рамках системы космического мониторинга лесных пожаров (ИСДМ-Рослесхоз) и Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет).

Источники

• Британская энциклопедия (Encyclopædia Britannica), статья «Pyrocumulus cloud».
• Национальное управление океанических и атмосферных исследований США (NOAA), «Pyrocumulus Clouds».
• Журнал «Nature Communications», статьи о влиянии пирокумулюсов на климат.
• Доклады Межправительственной группы экспертов по изменению климата (IPCC).
• Материалы Института космических исследований РАН (ИКИ РАН) по спутниковому мониторингу пожаров.
• Отчёты Росгидромета о лесопожарной обстановке.