Какие следы оставляет ветер в лесу и что по ним можно выяснить
Ураганный ветер убивает людей, разрушает здания, переворачивает автомобили, ломает опоры линий электропередачи. А еще валит деревья. Изучая такие лесные руины, можно получить немало информации об устроивших их метеорологических явлениях — причем даже многие годы спустя. По шрамам, которые оставляет ветер на теле леса, можно понять, шквал ли это был или смерч, куда направлялся, каким был. О российских ветровалах и том, что по ним можно сказать об ураганных ветрах прошлого, рассказывают Александр Чернокульский из Института физики атмосферы РАН и Андрей Шихов из Пермского университета.
В этом декабре сильный торнадо пронесся по четырем американским штатам. Для декабря это очень необычно, сильные смерчи (так обычно называют торнадо в России) в зимний сезон — большая редкость. Россия не понаслышке знакома со смерчами, который регулярно носится и над ее землями, как правило, с мая по сентябрь. В это же время чаще всего наблюдаются и шквалы — резкие усиления ветра, обычно непродолжительные.
Особенно сильные шквалы и смерчи могут приводить к катастрофическим ветровалам (их также называют сплошными или массовыми), уничтожая почти весь древостой. К тому же такие ветровалы помогают распространяться вредителям леса (например, короедам-типографам) и увеличивают риск лесных пожаров. С другой стороны, ветровалы также способствуют естественному обновлению лесных экосистем, повышая их устойчивость. Правда, это скорее относится к эндемичным ветровалам — регулярным вывалам или сломам отдельных деревьев под действием неэкстремальных ветров.
Как сдувает деревья
В литературе, помимо слова «ветровал», можно встретить также термин бурелом, которым обозначают участки леса, на которых деревья сломаны под воздействием ветра, а не вырваны с корнями. В последнее время для изучения ветровалов стали применять спутниковые снимки, на которых отличить бурелом от ветровала невозможно. Поэтому мы для простоты будем использовать их как полные синонимы.
Вообще, устойчивость деревьев к воздействию ветра зависит от самых разных факторов:
- метеорологических, в которые входит не только скорость ветра, но и, например, дополнительная нагрузки на крону дерева в виде сильного дождя, мокрого снега или гололеда;
- свойств самих деревьев — их породы, возраста, формы кроны, корневой системы;
- местоположения — крутизны и экспозиции склона, влажности почвы, мощности почвенного профиля.
Все эти факторы учитывают современные математические модели для расчета вероятности ветровала при заданных метеорологических условиях для заданных пород деревьев в определенной местности.
Сломает ветер дерево или вырвет его с корнем в первую очередь зависит от формы кроны, типа корневой системы дерева и свойств почвы. Сосны, например, ветер чаще будет ломать, а ели и пихты — вырывать. Вероятность слома дерева зависит и от прочности древесины. Так, в США при оценке интенсивности смерчей древесные породы делят на две группы: с прочной древесиной (дуб, клен, береза, ясень) и с мягкой (сосна, ель, пихта, кедр, кипарис).
Сказываются и свойства грунта. Наиболее подвержены вывалу деревья, растущие на переувлажненных или маломощных горных почвах. Даже ветер умеренной скорости может свалить деревья в таких местах. Более чувствительны к ветру и деревья, произрастающие по краям вырубок. Нельзя назвать устойчивыми к ветру и городские деревья — у них, как правило, плохо развита корневая система.
Сплошные ветровалы в лесах оставляют после себя ветры, скорость которых близка к ураганным значениям. Если их сопровождает сильный мокрый снег или гололед, то хватит и более низкой скорости ветра. Например, в Швейцарии большинство крупных сплошных ветровалов происходило при скорости ветра 35 метров в секунду и выше. Признаком наиболее высоких скоростей ветра, характерных для сильных смерчей (категории F3 и выше по шкале Фудзита, скорость ветра больше 70 метров в секунду) являются такие повреждения, как сорванная с деревьев кора. Но их установить можно только по фотографиям с места или в ходе реального обследования на местности.
Самые большие ветровалы связаны с циклонами. Например, ураган «Катрина» в августе 2005 года уничтожил или повредил больше двух миллионов гектаров леса в США. Иногда подобные тропические циклоны добираются и до России: тайфун «Лайонрок» 31 августа 2016-го повредил более 26 тысяч гектаров лесов в Приморском крае, в том числе в Сихотэ-Алиньском заповеднике.
В Западной и Центральной Европе катастрофические ветровалы — детища североатлантическиих циклонов. Они появляются главным образом осенью и зимой, когда скорость ветра в завихрениях над Атлантикой достигает ураганных значений. Больше всего леса пострадало от них в самом конце 1999 года: декабрьские циклоны «Лотар» и «Мартин» погубили больше 200 миллионов кубических метров древостоя, это в несколько раз больше годовой нормы потерь от ветровалов. Сказалась не только чрезвычайная сила штормов, но и старение европейских лесов: чем старше деревья, тем они менее устойчивы к воздействию ветра.
Атлантические циклоны, продвигаясь вглубь Европы, достаточно быстро теряют свою силу. Дальше на первый план выходят конвективные явления теплого периода — шквалы и смерчи. Так, на западе Польши 11 августа 2017 года разрушительный долгоживущий шквал с порывами ветра до 42 метров в секунду повредил больше 78 тысяч гектаров леса.
В Европе ветровалы губят больше леса, чем лесные пожары: на них приходится 53 процента всех потерь от природных факторов. Поэтому их исследованиям здесь уделяется большое внимание. Например, Швеция и Швейцария скрупулезно собирают данные о ветровалах на своей территории уже больше века, а всеевропейская цепочка наблюдений стала непрерывной в 50-х годах.
Наш бурелом
Что касается России, то масштабы ветровалов даже только по Европейской части, не говоря уже о стране в целом, до недавнего времени были известны лишь очень приблизительно. Внимание исследователей привлекали в основном отдельные катастрофические события, такие, как ветровал в Висимском заповеднике на Среднем Урале 6 июня 1995 года, или разрушения древостоя от разрушительного шквала в Ленинградской и Новгородской областях 29 июля 2010 года. Влияние ветровалов на лесные экосистемы изучают в заповедниках — например, в Центрально-Лесном заповеднике, где за 30 лет крупные ветровалы случались три раза: в 1987, 1996 и 2017 годах. На Урале, у Висимского (Свердловская область) и Вишерского заповедников (Пермский край) есть данные о ветровалах, вызванных совместным воздействием ветра и снега — они произошли, соответственно, в 1995 и 2015 году. Однако систематических исследований ветровальных повреждений в России до недавнего времени не было.
Это, наконец, изменилось после того, как в открытом доступе появились многолетние спутниковые наблюдения Landsat и стало возможно получить данные о потерях лесов от ветровалов за последние 35 лет на всей Европейской территории России.
Сплошные ветровалы Европейской России за 1986–2020 годы. Указаны даты 11 крупнейших ветровалов
Общая площадь полностью уничтоженных ветровалами лесов в Европейской России — 313 тысяч гектаров. Это 0,21 процента от всей земли, покрытой лесом в этом регионе.
Много это или мало? Если сравнивать с вырубкой, то буквально капля в море: 90 процентов потерь лесов в 1985–2012 годах дело рук дровосеков. А если сравнить урон от ветра с ущербом от пожаров (которые у всех на слуху) за последние 20 лет, то он в 3,5 раза меньше — и это учитывая катастрофическое лето 2010 года. А в ряде регионов ветровалы и вовсе оказались главным природным фактором повреждения лесного покрова: например, в Новгородской области больше одного процента леса за последние 35 лет повалил ветер.
2001-2021 годы: (а) отношение площади сплошных ветровалов к общей площади потерь лесного покрова; (б) Отношение площади гибели лесов от крупных (> 1 км2) ветровалов и пожаров
Больше всего нашим лесам навредили несколько сильных конвективных штормов со шквалами со скоростью ветра свыше 30 метров в секунду, которые оставили за собой полосы сплошного бурелома протяженностью несколько сотен километров. В США такие события называют испанским словом «дерéчо» (что значит «прямой»). И если в Соединенных Штатах они нередки, неплохо описаны в Европе, то в России их буквально только что открыли. Именно с деречо связаны два крупнейших ветровала по нашим данным: они датируются 27 июня и 29-м июля 2010 года, их суммарная площадь больше трети от площади всех ветровалов на европейской территории России за 35 лет.
Так что лето 2010 года по праву можно считать климатическим стресс-тестом для нашей страны: тогда, оказывается, погода не ограничилась одной только рекордной жарой и мощными пожарами. Во время разрушения двух блокирующих антициклонов на их западной периферии сформировались деречо, прожившие более 8 часов каждый. Июньский шторм навредил лесам и населенным пунктам Ярославской, Костромской, Вологодской и Архангельской областей, а июльский прошелся по Новгородской и Ленинградской областям, Карелии, а потом пересек границу и продолжил валить лес уже в Финляндии. Погибли и были травмированы десятки человек. Ветер «лизнул» почти 50 тысяч квадратных километров — это чуть больше Московской области — и повалил 125 тысяч гектаров леса. Геометрия ветровала впечатляет: длина шрама, который оставил на теле леса деречо, больше 600 километров, а ширина между крайними точками в некоторых местах доходит до 70 километров. Сильнее всего тогда пострадали возрастные хвойные деревья — они вообще более уязвимы к ветру.
Ветровалы после двух событий деречо: 27 июня 2010 (красный цвет) и 29 июля 2010 (фиолетовый)
Но такие разрушительные и обширные шквалы очень редки. А вот ветровалы площадью от 5 до 20 тысяч гектаров случаются каждые 5–10 лет. Последний такой случился совсем недавно, 15 мая 2021 года. И, кстати, тоже на западной периферии блокирующего антициклона. Возможно, это не случайно: метеорологи сейчас активно изучают связь между блокирующими антициклонами и повышенной активностью конвективных штормов.
Ветровалы от вспышки шквалов и смерчей 15-го мая 2021 года
Смерч или шквал?
Смерчи на европейской территории России валят деревья не реже, чем сильные шквалы. Например, в начале XX века смерч полностью уничтожил знаменитую Анненгофскую рощу в Лефортово.
Я видел его начало и конец: пожелтело небо, налетели бронзовые тучи, мелкий дождь сменился крупным градом, тучи стали черными, они задевали колокольни. Наступивший мрак сменился сразу зловеще желтым цветом. Грянула буря, и стало холодно. Над Сокольниками спустилась чёрная туча — она росла снизу, а сверху над ней опускалась такая же другая. Вдруг все закрутилось … среди зигзагов молний вспыхивали желтые огни, и багрово-желтый огненный столб крутился посередине. Через минуту этот ужас оглушающе промчался, руша все на своем пути. Неслись крыши, доски, звонили колокола; срывало кресты и купола, вырывало с корнем деревья; огромная Анненгофская роща была сбрита; столетние деревья или расщеплены, или выворочены с корнем. Было разрушено огромное здание Кадетского корпуса и Фельдшерской школы. По улицам — горы сорванных железных крыш, свернутых в трубочку, как бумага. Кое-где трупы. Много убитых и раненых…
— В. А. Гиляровский, «Русское слово»
Анненгофская роща, последствия смерча 16 июня 1904
Анненгофская роща, последствия смерча 16 июня 1904
На спутниковых снимках высокого разрешения достаточно легко отличить следы смерча на теле леса от отметины, оставленной шквалом. В первом случае хорошо виден поворот упавших деревьев влево по отношению к пути смерча — это указывает на циклоническое вращение вихря против часовой стрелки (смерчи, закрученные в другую сторону, в России случаются крайне редко). А шквалы просто укладывают деревья в направлении своего движения.
Ветровал от смерча 7-го июня 2009 года в Республике Коми. Виден поворот упавших деревьев против часовой стрелки
Ветровал от шквала 27-го июня 2010 года в Ярославской области. Деревья лежат по направлению ветра
Ветровалы, вызванные смерчами, находить на спутниковых снимках проще: у них характерная линейная форма, а повреждения древостоя идут сплошной чертой с четкими границами. Мы уже нашли больше 500 таких следов за последние 20 лет, но их общая площадь на территории Европейской России всего 13 процентов от всей площади ветровалов. Смерчи более локальны, чем сильные шквалы, и поэтому площадь ветровалов даже от самых сильных и долгоживущих смерчей не превышает 1-3 тысяч гектаров. Так, знаменитый Ивановский смерч 9 июля 1984 года, помимо человеческих жертв и разрушенных домов, оставил в лесу след, который тянется 81,5 километра и занимает в общей сложности 971 гектар, а вообще в тот день вся вспышка смерчей (их было не меньше восьми) повалила 3,8 тысячи гектаров леса. Заметьте, ветровалы 2010 года на порядок (!) крупнее.
Площадь ветровалов может служить хорошим индикатором интенсивности смерча: в целом, чем он слабее, тем меньше оставляет за собой ветровал, и наоборот. По спутниковым снимкам видно, что в России в последнее время не раз возникали смерчи, следы от которых похожи на ветровал от Ивановского смерча — протяженностью до 80 километров и до двух километров в ширину. Эти следы датируются 1993, 2008, 2012 и 2013 годами — а такой славы не снискали, потому как прошли над малонаселенными территориями. Есть крупные смерчевые ветровалы и за Уралом: например, в августе 2001 года в Томской области смерч прошел по лесу около 70 километров и вывалил около 3400 гектаров леса.
Ветровалы от смерчей на снимках Landsat: (а) 24 июля 1993 года в Новгородской области; (б) в августе 2001 года в Томской области
Спутниковые снимки позволили нам по-новому взглянуть на климатологию смерчей в России. Например, помогло понять, что смерчи бывают даже в Арктике: они несколько раз проходили вблизи Северного полярного круга и оставили после себя очень внушительные ветровалы. Самый северный из них прошел по Центральной Сибири, вблизи 67 параллели северной широты.