sou · GVB360d9 · 2008-01-01 00:00:00 — Den laterala spridningshastigheten för en väl etablerad glödbrand är bara några få centimeter , vilket innebär att den kan pågå mycket länge innan den har gjort slut på bränslet, eller nått ett parti med tillräckligt fuktig humus för att glöden skall dö. är det mycket ofta så pass hög luftfuktighet, och därigenom fukt i finbränslet, att den flammande elden dör ut. SOU 2007:60 Bilaga B 21 23 sätter dock förhållandevis oberörd, då fukthalten i humusen är nära nog över dygnet. Kallare temperatur och svagare vind har dock en hämmande inverkan. När så morgonen kommer och finbränslena torkar, startar åter en flammande eld från glödbränder i kanten av brandområdet, som står i kontakt med färskt finbränsle. Den här typen av förbränning sker alltså i humus, förutsatt att den är tillräckligt torr. Samma sak med torv. har likartade egenskaper som humus, men bildas i sänkor i terrängen, där nedbrytningen av förnan hämmas av ett högt grundvattennivå. Efter extrem torka kan så mycket som av yttorven torka ut tillräckligt för att möjliggöra glödbrand. I dessa fall är det mycket svårt att släcka effektivt. Grunda torvpackar i små kärr brukar brinna ur fullständigt och trädens rötter brinner av och träden faller successivt ut. Allra värst är situationen på dikad torvmark, där grundvattenytan har sänkts artificiellt och där mycket tjocka torvskikt kan vara tillgängliga för glödbranden. Vad gäller flammande eld är det ganska små mängder vatten som behövs för att dräpa brandspridningen. I princip skall finbränslet föras upp till en fukthalt över moisture of extinction. Erfarenhetsmässigt räcker vatten, det vill säga /m2, som sprayats ut över finbränlet. För att släcka en glödbrand krävs helt annan teknik, och andra vattenmängder. Uttorkad humus är hydrofob och det är svårt att få ner vatten till glödzonen. Vattnet måste läggas med koncentrerad i och strax framför glödzonen. Bilaga B 21 SOU 2007:60 24 Figur 9 Brinnande myrstack omkring efter att flamfronten passerat. De övre välventilerade delarna av stacken brinner ut med flammande eld , medan den kompakta basen, samt underjordiska delar, kan pyra i många dagar. De värsta problemen med glödbrand orsakas ofta av myrstackar. De utgör enastående stora ansamlingar av organiskt material och detta material är, till skillnad från tjocka torvpackar, alltid torrt nog att plocka upp glödbrand. Stackens ytmaterial antänds i flamfronten och brinner med öppen låga (Figur 9). När glöden börjar täckas av aska dämpas den och stacken pyr sedan med en glödbrandzon som sakta äter sig allt djupare ner. Till slut har allt material förtärts, men det brukar ta för en normalstor stack. Allra värst är stora, döda myrstackar, vilka är mer kompakta och därför brinner långsammare. Elden kan där ligga kvar utan problem . Att släcka ner en myrstack med vatten kräver hårt pumptryck och i storleksordningen fem minuters arbete. Alternativt kan man täcka den med mineraljord. Mindre vattenkvantiteter som tillförs utan tryck (hinkar etc.) är verkningslösa. Vattnet lägger sig på asklagret i kratern och kokar snart bort, utan att nå glödzonen. SOU 2007:60 Bilaga B 21 25 Figur 10 Typiskt brandförlopp för en torrtall, som gillrar en lömsk fälla. Nederst är ytveden rötad och en glödbrand sätter sig fast där när eldfronten passerar. Efter ett par timmars kombinerad glödbrand/flammande eld är stammen reducerad till en smal kärnvedspelare. Ofta faller den ljudlöst. 3 Bränslestruktur Utdrag ur rapporten – Brandbeteende och tolkning av brandriskindex av , , , . I stort sett all naturmark täcks av levande och dött organiskt material, men det är stora skillnader i materialets kvalitet som bränsle för elden. Till största delen beror det på vilka arter som utgör vegetationen. En mycket vanlig bränslesituation är skisserad i Figur 11. Det är en vanlig marktäckning i barrdominerad skogsmark över större delen av landet och utgör ett gott bränsle för elden. Skogsbeståndet utgörs av äldre tall och gran. På marken växer ett glest skikt av blåbär och lingon. Där finns också ett litet inslag av örter och gräs. Bilaga B 21 SOU 2007:60 26 De levande kärlväxternas massa kan vara kring 0.2–/m2 (torrvikt), varav det allra mesta faller på risväxterna. På själva markytan finns vidare ett så gott som heltäckande skikt av mossa, främst väggmossa, och i detta finns inblandat en stor mängd förna (döda växtdelar) från träden och de andra växterna. Mossan och förnan utgör vanligen ett knappt kg/m2, varav mossa kan utgöra . Mosskiktet, som kan vara omkring 3–, övergår nedåt ganska distinkt till humuslagret, som består av gradvis alltmer nedbrutna växtdelar. Humuslagret varierar kraftigt i mäktighet, men är ofta tjockt. humus väger omkring /m2. Den viktigaste komponenten i hela detta komplex är skiktet av mossa/förna. Elden behöver ett nära nog heltäckande skikt av lättantändliga bränslepartiklar på markytan för att kunna spridas och väggmossa med inblandad förna fyller väl kraven. De andra komponenterna kan bidra till elden (bärris), eller hämma den (örter), men utan ett skikt av finbränsle på marken kan ingen brandspridning ske. Mossan växer ofta omkring en cm på höjden och en stor mängd förna tillförs dessutom. Enbart förnafallet i form av barr kan utgöra omkring /m2 . sker en nedbrytning och nedpressning år för år, koncentrerad till mossa/förna-skiktets undre del, vilket gör att det behåller en förhållandevis tjocklek och massa. Tillskottet balanseras av nedbrytningen. SOU 2007:60 Bilaga B 21 27 Figur 11 Genomskärning av bränslebädden i en typisk skogsmark där finbränslet huvudsakligen utgörs av mossa och inblandad förna, samt bärris. För att ytbränslet skall vara gynnsamt för brandspridning krävs att det är tillräckligt luckert. Ett enkelt test av detta kan man göra genom att trampa till mossmattan i ett bälte framför en eldfront. Eldspridningen hämmas då och inte sällan stoppas den helt. Bilaga B 21 SOU 2007:60 28 Figur 12 Husmossa är ett utomordentligt bränsle för elden och tillsammans med väggmossa den vanligaste marktäckningen i äldre skogsbestånd. De översta 3–är gröna, men ända ner till den kompakta humusen är strukturen gynnsam för flammande eld. I mossan sitter barr, finkvist och annan förna inbäddad. Hela mosstäcket kan hålla regnvatten. Upptorkningen sker uppifrån och redan när halva skiktet är genomtorrt kan en eld sprida sig. Mossan är väsentlig genom att den fångar upp barr och annan förna i sin luckra struktur; annars skulle den ligga väsentligt mer kompakt på markytan. barrbäddar av gran är ganska vanliga i fullslutna, yngre och medelålders granskogar och dessa är mycket effektiva att stoppa elden. Likaså är brandspridning dålig i rena mattor av vissa kvastmossor. Dessa är väsentligt mer kompakta än hus- och väggmosa och underhåller vanligtvis inte elden. På samma sätt är humuslagret för kompakt för att föda flammande eld. En ytterligare faktor är att humuslagret har en låg andel av cellulosa och en förhållandevis hög andel av svårnedbrutet lignin, vilket inte lika effektivt levererar brännbara gaser vid upphettning. Slutligen har humuslagret, även efter lång torka, en förhållandevis SOU 2007:60 Bilaga B 21 29 hög fuktighet. När väl mossan/förnan brunnit ut sker därför ingen ytterligare flambildning. Flera olika variabler har använts för att karakterisera bränslen och bränslebäddar i samband med modelleringar. Mängden, uttryckt som massa per ytenhet, är naturligtvis viktig, men brukar inte skilja sig dramatiskt utom i de fall man avverkat skog och fått stora mängder hyggesavfall. Mer betydelsefullt för brandbeteendet är hur pass finfördelat bränslet är och hur luckert det är arrangerat. Generellt gäller att ju finare de enskilda bränslepartiklarna är och ju luckrare de är arrangerade, desto snabbare sprider sig elden. Genom att olika växtarter kan variera avsevärt i byggnaden av blad/barr och finkvist, liksom de ger en förna som varierar i motståndskraft mot nedbrytning, ger de upphov till väsentligt skilda bränslebäddar med väsentligt skild kvalitet. Däremot är det sällan några avgörande skillnader i energiinnehållet mellan olika bränslen. För döda bränslen ligger det relativt kring 18 000 kJ/kg torrrvikt. För vissa levande bränslen kan det vara något högre energiinnehåll. Exempelvis kråkbär med 24 000 kJ/kg. Levande kontra döda bränslen Ur bränslesynpunkt är det stor skillnad mellan levande växter och dött växtmaterial. Fukthalten i dött material svarar direkt på förändringar i omgivningens fukthalt. Fukt tas upp i gasfas och via nederbörden och fukt avges i gasfas till dess att materialets fukthalt står i jämvikt med ångtrycket i omgivande luft. Levande kärlväxter bibehåller däremot i stort sett samma fukthalt oberoende av vädret, genom att de söker balansera avdunstningen genom bladens klyvöppningar (transpiration) med upptag av vatten via rötterna. Detta fungerar ända tills växternas rotzon är uttömd på vatten, vilket sällan sker i vårt klimat. Däremot är det betydelsefulla skillnader vattenhalt mellan olika växtarter, liksom ibland också inom samma växtart över brandsäsongen. Generellt har örter, gräs och lövträd så hög fukthalt i bladen (200–) att de verkar bromsande på elden, medan bärris och barrträd bara har ungefär hälften så hög fukthalt (kring 120–) och i stället kan ge ett väsentligt bidrag till energiutvecklingen i elden. Levande bränslen kan alltså brinna vid mycket högre fukthalt än dött material, till följd av högre energiinnehåll och större produktion av flambara gaser. Det gäller i synnerhet barren hos tall Bilaga B 21 SOU 2007:60 30 och gran, liksom hos vissa buskar som kråkbär, ljung, lingon och skvattram. Träd som bränsle Träden kan bidra med avsevärda kvantiteter finbränsle, men det är väldigt situationsbundet huruvida detta skall involveras i en eld eller inte. Barrmassan i ett fullslutet tallbestånd är omkring /m2. Till det kommer en viss mängd död finkvist som ännu inte hunnit brytas av och falla till marken. Dessutom kan man räkna med ett litet bränsletillskott från lavar som växer på barkytan, liksom även från själva barkytan. Däremot utgör inte veden i de levande kvistarna något tillgängligt bränsle, på grund av för hög fukthalt i innerbark och ved. Även efter en högintensiv kronbrand, som förtärt all barrbiomassa, sitter de finaste grenspetsarna kvar. Granbestånd håller en större barrmängd, ca /m2, och genom att grenaxlarna är tunnare kan ibland även en mindre del av de yttersta grenspetsarna förtäras i elden. Om man har ett plantbestånd eller ungskogsbestånd, där det är en mer eller mindre direkt anslutning av barr och död finkvist mot markbränslena, kommer flammorna från en eld på marken lätt att antända barr och torrkvist. Med tilltagande ålder på trädbeståndet flyttar trädbränslena, dvs. barr och död finkvist, allt högre upp från marken. Detta har att göra med att den gröna delen av trädkronorna växer på toppen medan de understa grenarna i samma takt dör bort underifrån på grund av ljusbrist. Mängden barr per ytenhet förändras inte från det skede när beståndet har slutit sig (grenkontakt mellan träden), men barrskiktet flyttar successivt uppåt. Död finkvist utgör också ett gott bränsle, men kvantiteterna bränsle per volymsenhet är då lägre, och över tiden faller allt mer av de döda grenarna i trädkronans undre del av trädet. Ju mer separerade finbränslena i kronskiktet är från marken, desto intensivare brand på marken behövs för att flammorna skall kunna antända trädskiktet. En annan faktor som är av betydelse för risken för kronbrand är densiteten av bränsle uppe i kronskiktet. Glesa, välgallrade skogsbestånd är obenägna att underhålla en kronbrand. Gran är väsentligt mer fördragsam mot skugga än tall och gran kan därför ofta växa som underbestånd i talldominerad skog. Det kan skapa en beståndstyp med god kontinuitet av bränsle ända från SOU 2007:60 Bilaga B 21 31 marken till trädtopparna. Sådan beståndsstruktur är gynnsam för uppkomst och spridning av kronbrand. Lövträd har alltså en mycket högre fukthalt i sina blad än barrträden och minskar därför risken för kronbrand. Dessutom kan lövförna kväva mossskiktet, vilket ofta leder till en för elden ofördelaktig bränslebädd på marken under täta lövträdsbestånd. Dessutom brukar gräs och örtfloran vara rikare, genom det bättre ljusinflödet. kan därför förutsättningarna för brand vara dåliga här. Risväxter som bränsle Risväxter är gynnsamma bränslen. Det gäller i synnerhet de städsegröna arterna kråkbär, mjölon, skvattram, lingon och ljung. Deras blad har generellt låg fukthalt. Blåbär och odon är sämre, då bladen som fälls har väsentligt högre fukthalt. Risväxterna tillför i allmänhet inte mer än ett par hekto finbränsle /m2, men i synnerhet ljung kan ibland nå väsentligt större tal: Upp till /m2 i extrema fall. Om ljungskiktet är tillräckligt tätt kan man få en eld att gå fram även om den underliggande förnan och mossan är för fuktig för att brinna. Samma sak gäller för kråkbär. Detta hör dock till undantagen och så fort det blir ett mindre avbrott i den täta fällen av ris, stannar elden. Risväxterna förmår alltså normalt inte själva bära en eld, utan stöd från brand i bränslet på marken. Levande växter strävar att hålla en fukthalt i sina blad, men för risväxterna, som har en försvarlig del ved i form av tunna kvistar, sker en betydelsefull förändring av hela växtens fukthalt . Till det bidrar också dynamiken mellan gamla och nya blad. I figur 13 visas förändringen i de ovanjordiska skotten hos tre risväxter över säsongen. Man kan notera hur låg fukthalten är för alla arterna tidigt , innan de nya årsskotten och de nya bladen vuxit ut. För blåbär sker en dramatisk förändring i och med lövsprickningen, vilket brukar sammanfalla med lövsprickningen för björk. På blåbärsdominerad mark leder detta till en ytterligare förändring: marken skuggas nu effektivt av blåbärsbladen och vinden nära markytan bromsas, vilket leder till väsentligt långsammare avdunstning från markytan. Man kan notera att det även sker en kraftig förändring för lingon, när årsskotten utvecklas, men det sker senare än för blåbär. är de unga skotten mycket Bilaga B 21 SOU 2007:60 32 vattenrika, varefter det sker en successiv mognad av skott och blad och vattenhalten sjunker. Figur 13 Fukthaltens förändring över säsongen hos blåbär, lingon och ljung. Data från skogsmark i . Örter och gräs som bränsle Levande örter och gräs har så hög fukthalt att de verkar direkt hämmande på brandspridningen. Är ört/gräsinslaget litet märks det knappast, men när det är täta bestånd av grönt gräs eller örter kan elden ofta självdö, även om det råder stor torka. ger i synnerhet gräs en förna som är idealisk som bränsle, varför ört/ gräsdominerade marker har en distinkt växling från brandfarlig till brandsäker . I Figur 14 visas förändringen i spridningshastighet i en serie försöksbränningar som utfördes på ohävdad till sen juni. När den nya gräsväxten på allvar började sticka upp över förnan hämmades spridningshastigheten dramatiskt. sker en viss nedbrytning av den gamla förnan , men denna SOU 2007:60 Bilaga B 21 33 effekt är antagligen helt underordnad det ökade fukthalten i bränslebädden som orsakas av inväxning av färska gröna gräsblad. Det finns inga kvantitativa undersökningar av ört/gräsvegetationens bromsande förmåga i skogsvegetation. Så länge man under örterna och gräsen har ett kontinuerligt skikt av lucker mossa och förna, brukar elden långsamt äta sig fram, men om det är heltäckande örtvegetation dör elden oftast. Det finns en intressant successionsbetingad förändring i detta avseende. Efter avverkning ökar inslaget av gräs och örter påtagligt, i synnerhet på bördiga marker. Hyggen på bördiga marker blir då, liksom kulturmarker med gräsvegetation, högriskområden under vår-försommar, men lågriskområden under högsommar. På mager mark sker inte så dramatiska förändringar i markvegetationen efter avverkning, och därmed inte heller i bränsleförhållandena. (Däremot är avdunstningen, och därmed förutsättningarna för brand, dramatiskt olika på hygge och skog även för mager mark (se eget kapitel). Figur 14 Spridningshastighet i en serie försöksbränningar på . Efter att de nya grässkotten börjat sticka upp genom förnan under senare delen av maj, bromsades brandspridningen effektivt. Indexvärde för ges som streckad kurva. Lägg märke till den dåliga spridningen under den senare delen trots relativt höga indexvärden. Data från , NV . För södra delen av landet sker detta inemot en månad tidigare. Bilaga B 21 SOU 2007:60 34 En ganska viktig aspekt när det gäller gräs/örtförna är om den har pressats ned av ett tjockt snötäcke eller ej . Dels torkar bränslebädden långsammare om den är nedpressad, men framförallt är brandspridningen långsammare. Om vintern varit snöfattig kan man alltså räkna med ännu snabbare (och därmed mer intensiva) bränder på . På med ett inslag av videbuskar hindras förnans nedpressning och man får en mer upprättstående bränslebädd. Vattenrelationer Förna, det vill säga dött växtmaterial, tar upp fukt via nederbörd eller dagg samt direkt från luftens vattenånga. Det avges sedan i ångfas till luften. Mossa och lav fungerar i detta avseende precis som dött växtmaterial. Det beror på att de saknar rötter och ledningsbanor för att ersätta vatten i torksituationer. Mossornas blad saknar också en effektiv kutikula (tätt ytskikt) som kan hämma avdunstningen. Mossor, lavar och dött organiskt material på marken tar alltså upp vatten i samband med regn. När det är helt mättat är fukthalten i storleksordningen 400–(beräknat på torrvikt). Om man beräknar att finbränslena i mossa/förnaskiktet utgör ca /m2 innebär det en vattenmängd motsvarande 4–nederbörd. Tillförs ytterligare vatten sjunker det bara ner i djupare lager. Humuslagret under mossan kan på motsvarande sätt hålla ett förråd av , beroende på dess massa. Vattenavgivningen från mossan sker sedan via avdunstning som gör att torkning sker från ytan. Den interna vattendiffusionen i mossa/förnalagret är dålig på grund av den luckra strukturen och efter en tids torka finner man därför skarpa gradienter i fukthalt från ytan och neråt. Hastigheten i vattenavgivning från en yta med fritt vatten är proportionell mot ångtrycksdeficitet (skillnaden mellan ångtrycket vid mättnad och aktuellt ångtryck) i gränsskiktet mellan vattnet och luften. Flera olika vädervariabler påverkar detta: relativ luftfuktighet, temperatur och vind. Temperaturen verkar på två sätt. Dels kan varm luft hålla mer fukt (den relativa fukthalten sjunker) och dels ökar avgivningen från bränslet med dess egen temperatur. Vindeffekten beror på att fuktmättad luft förs bort från gränsskik SOU 2007:60 Bilaga B 21 35 tet och ersätts med torrare luft, vilket leder till snabbare avdunstning. Ett skogsbestånd förändrar avdunstningen både genom att sänka temperaturen i markytan och i den marknära luften samt genom att bromsa vinden. Det är därför flerfaldiga skillnader i avdunstningshastighet mellan ett tätt skogsbestånd och öppen mark, även om bränslena på marken är desamma. Olika brandriskindex simulerar vanligen avdunstningen med temperatur, relativ luftfuktighet och vind som ingångsvariabler. Av de tre fuktindex som finns i FWI (se beskrivning under eget kapitel) ingår alla tre variablerna bara vid beräkningen av FFMC, det vill säga det index som beskriver ytskiktet av finbränslen. Avdunstningsfunktionen för DMC beräknas enbart på temperatur och relativ luftfuktighet, med bedömningen att vinden har liten effekt på avdunstningen från lite djupare bränsleskikt på marken. Avdunstningsfunktionen i DC beror bara av temperatur. Tanken är att främst diffusionshastigheten (vilken beror av temperaturen) är begränsande för avdunstningshastigheten från djupa organiska marklager. Vatten kan naturligtvis också tas upp och avföras via växternas rötter. Detta är helt försumbart i mossan/förnan, men nere i humusen finns en stor mängd rötter och det är troligt att ganska mycket vatten förs bort den vägen snarare än via direkt avdunstning till atmosfären. Eftersom torkindex som DMC och DC eller HBV är baserade på anpassning till experimentella data snarare än på teoretisk analys, behöver de exakta mekanismerna inte vara perfekt beskrivna. Modellen kan ändå ge en god simulering. Om det är en längre följd av dagar utan nederbörd, brukar man kunna se en successiv förflyttning av torkgränsen allt djupare nedåt i humusen. Det talar för att den mesta uttorkningen verkligen sker genom avdunstning uppåt, snarare än via rotupptag. Allteftersom bränslet blir torrare, sjunker vattenavgivningen i absoluta tal. För FFMC, DMC och DC förutsätter man en exponentiellt sjunkande fukthalt över tiden (vid konstanta förhållanden i vädret). Det betyder att den procentuella vattenavgivningen är (lika stor andel av det kvarvarande fria vattnet avges per tidsenhet). Argumentet är att det blir successivt allt svårare för vatten att lämna materialet ju torrare detta är. Antagandet om ett exponentiellt samband stöds rätt väl av undersökningar där man följt uttorkningen över tiden i skilda bränslen. Däremot har bränsle av olika dimension, respektive olika djup i markens bränslebädd, Bilaga B 21 SOU 2007:60 36 olika hastighet i vattenavgivning. Under samma väderförhållanden tar det alltså olika tid att nå en viss fukthalt. De tre fuktindexen i FWI-systemet är konstruerade för att fungera just så: alla har en logaritmiskt avtagande fuktavgivning och med olika hastighet i processen. Som exempel tar det vid väder (ingen nederbörd, RH och 21oC) för FFMC att förlora 2/3 av materialets initiala fukthalt, för DMC och för DC . Figur 15 Sambandet mellan relativ luftfuktighet och fukthalt i bränslet (dött organiskt material) vid jämvikt. Det finns en liten skillnad i jämviktsfulthalt vid samma RH, beroende på om materialet har gått från ett fuktigare tillstånd (övre kurvan) eller från ett torrare (nedre kurvan). Anledningen är inte fullt klarlagd, men har med vattenbindning att göra. Dessa kurvor är relativt oberoende av temperaturen och av exakt vilket bränsle det gäller. Däremot skiljer det stort i hur snabbt jämvikt inställer sig. För tunna och välventilerade bränslen som gräsförna eller mossans ytskikt går det mycket snabbt (minuter-timmar), när väl det fria vattnet har avdunstat. För riktigt grova bränslen, som döda trädstammar, tar det veckor. SOU 2007:60 Bilaga B 21 37 når man ett skede när fukthalten i bränslet står i jämvikt med luftens fukt. Det finns då inte längre något fritt vatten kvar i hålrum etc. utan allt vatten är hygroskopiskt bundet till de olika molekyler som bygger upp materialet. Sjunker den relativa luftfuktigheten så avges ytterligare vatten från bränslet och stiger den tas fukt upp ur luften. Sambandet mellan relativ luftfuktighet och fukthalt i bränslet är ganska lika för olika typer av organiskt material och även ganska oberoende av temperaturen. Detta samband visas i Figur 15, och är av yttersta vikt för brandriskbedömningar. När luften är fullt mättad, dvs. när den relativa fukthalten är , är jämviktsfukthalten i bränslet kring 30– . Man är då väl över den fukthalt när brandspridning alls är möjlig (ligger kring 20–). När den relativa fukthalten istället är nere kring (inte ovanligt under riktigt torra och varma vår och försommardagar) ligger jämviktsfukthalten vid och man kan förvänta sig en explosiv brandspridning. När väl det fria vattnet är borta ur bränslet svarar det förvånansvärt snabbt på förändringar i den relativa luftfuktigheten, vilket gör att man har en ständig pendling i fukthalt allteftersom RH förändras över dygnet. Att förändringen kan gå så snabbt beror på att det är ganska små fuktmängder i absoluta tal. Det är naturligtvis en viss eftersläpning i bränslets fukthalt relativt RH, men denna är bara någon timme, när det rör sig om finbränslet i markens ytskikt (Figur 16). Bilaga B 21 SOU 2007:60 38 Figur 16 Förändringar i finbränslets fukthalt över för bränslebäddar av mossa respektive gräsförna.