DFNK Projekt A2: erste Ergebnisse

Zwischenbericht Forschungsvorhaben A2, Arbeitspaket A
Deutsches Forschungsnetz Naturkatastrophen (DFNK)

 


5. Erste Ergebnisse

Alle vier Plots sollten am Dienstag, den 21.8 gezündet und von derABAS-Kamera beflogen werden. Niederschläge am Vormittag des 21.8. und geringeTemperaturen während des gesamten Tages waren dann aber Anlass für eineVerschiebung des Experiments um zwei Tage. In dieser Zeit trockneten dieBrennmaterialien unter Sonneneinstrahlung und eines kräftigen Windes zügig ab.Zwar war das Brennmaterial nicht extrem trocken, und auch die Waldbrandwarnstufe”2″ am 23.8. war eher im normalen Bereich. Dennoch war diese Situationnach Auskunft der Forstbeamten vor Ort die Ausgangslage für die meistenWaldbrände in der Lausitz.

5.1 Streufeuchtemessung und -modellierung (DWD)

Der Probebehälter der Waage wurde am 20.8.2001 bis zu seinerHöhe von 4 cm mit relativ trockenem Streumaterial gefüllt, welches kurz zuvordem Plot 4 bis in eine Tiefe von 1-2 cm entnommen worden ist (das Auflagegewichtim Probenbehälter betrug 2,1 kg/m2 nach Ofentrocknung). Am Folgetag nahm eswährend der fallenden Niederschläge Wasser auf. Am 22.8. war das Materialaufgrund der intensiven Sonneneinstrahlung in Abtrocknung begriffen, so dassgegen 12.00 MEZ der Feuchtegehalt bei 54 % lag. Im Laufe des Nachmittagserfolgte eine weitere Feuchteabnahme auf 24,5 %. Über Nacht nahm dieStreufeuchte aufgrund von Taubildung (0,16 mm) auf 32,1 % zu. Am Morgen des23.8. verdunstete zunächst das auf der Streuoberfläche interzipierte Wasser,anschließend folgte die Desorption des in den Streuelementen gebundenenWassers, so dass die Streufeuchte am Nachmittag einen Wert von 9 % erreichte.Dieser Wert entspricht der Gefahrenstufe 4 für Bodenfeuer.

Abb.3. Messung der Streufeuchte (SF) und relativen Luftfeuchte in 35cm Höhe (RF). Zusätzlich ist die durch einen kapazitiven Benetzungssensor(Ben) festgestellte Taubenetzungsdauer auf der Abszisse dargestellt.

Die Streufeuchtemessungen konnten zur Validierung des im DWD entwickeltenStreufeuchtemodells (Wittich 1998) herangezogen werden. Dieses Modell beschreibtdie Streufeuchte als Funktion des Wasser- und Energiehaushalts und simuliertsowohl die Wasserabsorption als auch die Ad- und Desorptionsprozesse. AlsEingangsdaten dienen die üblichen Standardparameter Niederschlag,Lufttemperatur, relative Luftfeuchte, Windgeschwindigkeit, Globalstrahlung undthermische Strahlung der Atmosphäre. Das Modell gibt die gemessenenAbtrocknungsphasen und den zwischenzeitlichen, nächtlichen Feuchteanstieg mitausreichender Genauigkeit wieder (Abb.4).

Abb.4. Vergleich der gemessenen und der modelliertenStreufeuchte.

 

5.2 Brennmaterialzustand (GFMC)

Neben der Feuchte der Gesamtstreu wurden Feuchtegehalte für dieunterschiedlichen Brennmaterialien am Boden gemessen. Tabelle 2 gibt eineÜberblick der direkt vor dem Brand gemessenen Feuchtegehalte und derWetterparameter während des Brandes.

Tab.2. Wichtige Parameter für die Versuchsbrände sindFeuchtigkeitsgehalt des Brennmaterials und die aktuellen Wetterdaten(Lufttemperatur und -feuchte in Bodennähe, Windstärke (Min, Mittel, Max) in 35cm Höhe).

Plot Uhrzeit
der Zündung
Feuchtegehalt (%) Luft-
temperatur
Relative 
Luftfeuchte
Windstärke     Gras
((tot) Gras
(grün) 1 10 100 °C % m/s I 13:45 28 100 9,7 12,8 13,0 28 44 0,5..0,8..1,3 II 14:43 29 42 0,7..1,0..1,4 III 17:54 25 47 0,6..1,0..1,3 IV 15:58 29 44 0,5..0,9..1,3

 

5.3 Feuerverhalten

Um 13:45 Uhr wurde die erste Fläche unter böigem und wechselhaften Wind ander Ost-Seite gezündet. Dabei garantierte eine Feuerlinie, die entlag desBestandesrandes gelegt wurde, ein gleichmäßiges Durchlaufen der Feuerfrontdurch die Probefläche. Ein breiter Grasgürtel an den stark besonnten Seitenwirkte entzündungsfördernd und verbrannte unter Flammenbildung bis zu 1,4 mLänge.

 

Abb.5. Flammenlänge (Min-Mittel-Max) der Feuerfront in denProbeplots. Deutlich werden sowohl die hohe Varianz innerhalb eines Plots alsauch die Unterschiedlichkeit zwischen den Versuchsparzellen.

Wie auch später bei den anderen Probeflächen zeigten sich sehr bald dieAuswirkungen des inhomogen verteilten Brennmaterials auf der Fläche. Zwarschritt die Feuerfront insgesamt zügig durch die Versuchsfläche, treibenderFaktor war der Wind; doch die Ausprägung des Feuers war doch sehrunterschiedlich. Stellenweise, wo z.B. gehäuft Gras vorkam (Drahtschmiele undReitgras im Bestand) oder trockene und noch benadelte Äste am Boden lagen, kames zu einer erheblichen Flammenlänge von bis zu 70 cm, an anderen Stellen, dienur eine geringe Auflage hatten, kam das Feuer zu stehen und erlosch sogar vonselbst. Hinter der Feuerfront war der Boden mit einer feinen, gräulichenAscheschicht bedeckt, lokal kam es zu einem Nachbrennen von stärkeren Ästenoder alten Stöcken. Das Feuer konsumierte sämtliche feinen Brennmaterialien,Gräser und die oberste Streuschicht und teilweise die stärkeren Äste.

 

Abb.6. Ausbreitungsgeschwindigkeit (V) der Feuerfront in den vierProbeflächen. Die Aufnahmen in Plot IV konnten in Gras/ohne Gras unterteiltwerden, begraste Teile wurden wesentlich schneller vom Feuer durchlaufen.
Ein ähnliches Bild bot sich in Plot II, das anschließend gezündet wurde undeine vergleichbare Brennmaterialauflage hatte. Plot III hingegen unterschiedsich erheblich von den anderen beiden, vorher gebrannten Flächen. Zwar stockteein sehr ähnliches Stangenholz auf allen dreien, doch war der Unterwuchs vonPlot III durch dichtes Calamagrostis-Gras dominiert. Hinzu kamen erheblicheReste eines Durchforstungseingriffes, der ca. 5 Jahre vorher stattgefundenhatte. Diese Reste waren u.a. verantwortlich für den hohen Anteil anBrennmaterial der Zeitverzugsklassen 100 und 1000 Stunden (Tab.1). Sofort nachdem Entzünden entwickelte sich eine sehr intensive, sich schnell fortbewegendeFeuerfront, die hauptsächlich durch die trockene Grasschicht getragen wurde.Die im Vergleich zu den ersten beiden Flächen wesentlich größereEnergiefreigabe war deutlich spürbar und spiegelt sich z. B. in denTemperaturkurven wieder (Abb.7). Die entzündeten Durchforstungsreste branntenlang anhaltend nach.
In Plot IV war die Baumschicht unterschiedlich strukturiert. In der Dickung mitBaumhöhen bis zu 8 m und teilweise vorhandenen Kronenansätzen direkt am Bodenlagen Voraussetzungen für die Entwicklung eines Vollfeuers vor. Auch in diesemBestand war das Brennmaterial ungleichmäßig verteilt, insbesondere dieBedeckung bzw. Mächtigkeit der Grasschicht. Die Geschwindigkeit der Ausbreitungdes Feuers war dementsprechend unterschiedlich. Am dicht begrasten Bestandesrandbreitete sich das Feuer zügig und mit Flammenlängen um 60 cm aus, imBestandesinneren kam es jedoch ohne deckende Grasschicht und nur geringeBrennmaterialauflagen manchmal zum Erlöschen der Flammen. An Stellen mithöheren Auflagen von Reisig war die Verweilzeit des Feuers länger, und eskonnten sich Vollfeuer entwickeln, insbesondere in tief beasteten Baumgruppen.In solchen Fällen waren Flammen bis in 10 m Höhe zu beobachten, doch branntenan einer Stellen maximal zehn Bäume. Ein aktives oder unabhängiges Kronenfeuerentstand nicht.
Aufgrund der Inhomogenität des Bestandes war es nötig, mehrere Feuerlinien zulegen, so dass die unterschiedlichen Stadien des Bodenfeuers gleichzeitig aufder Probefläche beobachtet werden konnten.

5.4 Temperaturentwicklung

Messungen oberhalb des Mineralbodens

Die in Abbildung 7 wiedergegebenen Temperaturkurven, die von derArbeitsgruppe Feuerökologie gemessen wurden, stellen den Temperaturverlauf derFeuerfront in den unterschiedlichen Höhen über dem Mineralboden dar. Diehöchsten Temperaturen treten in Bodennähe auf, dort wirkt die Hitze derrestlichen Glut und Asche länger nach. Die Annäherung der Feuerfront an dieMessstellen ist jedoch in 30 oder 50 cm Höhe früher abzulesen. Bedingt durchdie hohe Ausbreitungsgeschwindigkeit der Feuerfront und die mäßigeBrennmaterialauflage kommt es aber nur kurzzeitig zu hohen Temperaturen. In PlotI und II war nach weniger als drei Minuten die Temperatur wieder unter 80°Cabgesunken, im Plot III dauerte dies wesentlich länger. Die Verweildauer desFeuers und die in dieser Zeit freigewordene Energie bestimmen wesentlich dieMortalität des Baumbestandes.
Bemerkenswert sind die unterschiedlichen Maximaltemperaturen. Während in Plot Ilediglich knapp 420°C erreicht werden, kommt es in Plot III zu Temperaturenüber 700°C, allein bedingt durch die dichte Grasschicht und dieDurchforstungsreste am Boden.

Abb.7 a,b. Temperaturverlauf drei Minuten vor bis sieben Minuten nachErreichen der Maximaltemperatur in Plot I und III. Man beachtet die fast doppeltso hohe Maximaltemperatur in Plot III und das lange Nachbrennen derDurchforstungsreste am Boden.

Abbildung 8 zeigt die vom DWD im Zentrum von Plot IV erfasstenBodentemperaturen und die Oberflächentemperatur der nordöstlichenSeitenfläche des Bestandes. Während dieses Messzeitraumes lag dieLufttemperatur in 2 m Höhe über der angrenzenden, von der Brandentwicklungunbeeinflussten Freifläche bei 27°C.

Kurz nach der Zündung des am Nordostrand des Plot IV gelegten Bodenfeuerswurde das Signal des auf der Freifläche positionierten Strahlungspyrometersdurch Rauchentwicklung beeinflusst. Die Flammen selbst machten nur einengeringen Anteil innerhalb des Pyrometer-Sichtfeldes aus und wirkten späterhauptsächlich als Hintergrundstrahler hinter den vom Bodenfeuer unterlaufenenBäumen des Vordergrundes.

Das vom Boden in die Wipfel kletternde Feuer entwickelte sich erst im Zentrumvon Plot IV, und zwar dort, wo die Bodentemperatursensoren installiert waren.Hier lagen einzelne stärkere Totholzstücke am Boden, die auch nach Durchgangder Feuerfront sehr lange und intensiv brannten. Während des Vollfeuers stiegdie Bodentemperatur in 2 cm Tiefe auf 166°C, während der vomStrahlungspyrometer erfasste Messfeldausschnitt des nordöstlichenBestandsrandes eine Maximumtemperatur von 97°C aufwies. Die Temperatursensorenin 10 und 20 cm Tiefe blieben bis ca. 15.30 MEZ unbeeinflusst von derFeuerfront. Danach brach der Datentransfer ab, da die im Boden verlegtenMesskabel durch Feuereinwirkung zerstört wurden.

Abb. 8. Zeitreihen der im infraroten Spektralbereich erfasstenOberflächentemperatur (Tir) des nordöstlichen Bestandsrandes und Zeitreihender im Zentrum von Plot IV (Bereich des Vollfeuers) gemessenen Bodentemperaturen(Tb) in 2, 5, 10 und 20 cm Tiefe.

5.5 Befliegung mit der BIRD-Kamera

Bei der vorläufigen Auswertung verschiedener Luftbildaufnahmen desABAS-Systems stellte sich heraus, dass dieses System in der Lage ist, die hoheenergetische Dynamik der Brandflächen quantitativ zu erfassen.

Abb.9. Ausschnitte eines mit ABAS aufgenommenen Streifens, in dem diebrennenden Plots I, II und IV in den Bildfragmenten B bis D farbig zu erkennensind (s. Text)

Abbildung 9 zeigt Ausschnitte eines Aufnahmestreifens, der mit ABASaufgenommen wurde, und in denen die brennenden Plots I, II und IV in denBildfragmenten B bis D farbig zu erkennen sind. Eine Farbkodierung derFeuerdarstellungen wurde vorgenommen, um die Temperaturskalen der Feuer optischvon den Grautönen der normal temperierten Umgebung abzuheben. Dabei entsprechendie Farben:

Blau:    ~ 50 – 130 °C 
Grün: ~ 130 – 230 °C 
Gelb: ~ 230 – 330 °C 
Rot:            > 330°C

Bildfragment A ist im sichtbaren Bereich bei 0,5 µm Wellenlänge registriertund zeigt die starke Rauchentwicklung bei Plot IV. Bildfragment B ist immittleren Infrarot (IR) Bereich bei 3,7 µm Wellenlänge registriert, der fürdie Erkennung von Feuern am geeignetsten ist. Bild C ist im thermalen IR Bereichbei 8,8 µm Wellenlänge aufgezeichnet, welcher weniger sensitive für heißeZiele ist, und damit auch niedrigere scheinbare Temperaturen signalisiert.
Bildfragment D ist eine vorläufige Darstellung der sogenannten effektivenFeuertemperatur in jedem Pixel.

Tab.3. Effektive Temperaturen und Flächen der Feuer in den Plots I,II, und IV

ABAS-Überflug Plot I Plot II Plot IV Überflug 5 (16:34 h)
Temperatur, °C
Fläche, m2
516
13
536
53
566
79 Überflug 6 (16:43 h)
Temperatur, °C
Fläche, m2
521
10
556
94
616
65

Die Bildfragmente B bis D und Tabelle 3 zeigen sehr eindrucksvoll diejeweilige Entwicklung der Brände: 
Plot I: Kleine Rest-Schwelfeuer (dieses Plot wurde 13:45 gezündet, und14:30 h teilweise gelöscht) 
Plot II: Umfangreiche Schwelfeuer, auch noch wenig Flammen (dieses Plotwurde 14:45 h gezündet, dann sich selbst überlassen und nichtgelöscht), 
Plot IV: Mehrere frisch gezündete flammende Feuerstellen, wobei Plot IVwährend des Überfluges 6 besonders heiße Feuerstellen aufweist.

5.6 Automatische Branddetektion (Günter Naumann)

Die eingesetzten Kameras des Automatisierten Waldbrand-Früherkennungssystems(AWFS) sind in unterschiedlicher Entfernung von den Brandflächen positioniert.Die Entfernungen der AWFS-Detektorstandorte zum Versuchsgebiet sind:

  •  Kathlow: 8 km 
  •  Reuthen: 23 km 
  •  Jerischke: 30 km

Wie zu erwarten, meldeten die nächstgelegenen Wachtürme die Brände amschnellsten. Erstaunlich ist aber, dass schon eine Minute nach dem Zünden derFläche die erste Meldung kam. Die verdeutlicht die Effektivität undFunktionalität der eingesetzten Technik. Die weiter entfernten Türme meldetendie Rauchfahne später, beeindruckend ist hier aber die große Distanz, überdie die Kameras wirksam tätig sind (Tab.4).

Tab.4. Protokoll der AWFS-Kameras während der Testfeuer

Plot Zeit   Meldung FWT / AWFS I 13.45 Zündung     13.46   Kathlow 13.59   Reuthen             II 14.43 Zündung     14.44   Kathlow 14.47    Reuthen 14.48   Jerischke       IV 15.58 Zündung      16.01   Kathlow 16.07   Reuthen             III 17.54 Zündung durch Rauchentwicklung vorhergehender Brände keineDifferenzierung zwischen Versuch 3 und 4 möglich

Die von dem Kameras auf den Feuerwachtürmen aufgezeichneten Bilder zeigendeutlich die langgestreckte Rauchwolke. Exemplarisch ist eine Aufnahme vomFeuerwachturm Kathlow (Abb.10).

Abb.10. Digitale Aufnahme vom Feuerwachturm Kathlow, mit detektiertemFeuer im kleinen Rahmen (Uhrzeit 16:52, Feuer in Plot IV, nachlassendeRauchbildung in I und II).

5.7 Verhalten der Brandkäfer

Die von der Aktivkohle eluierten Duftproben wurden gaschromatographisch (GC)getrennt und parallel durch einen universellen Flammenionisationsdetektor (FID)und einen elektroantennographischen Detektor (EAD) nachgewiesen. Der EAD misstdie elektrophysiologische Antwort einer isolierten Antenne von M. acuminata aufdie Komponenten der Duftstoffmischung. Die parallele Detektion durch FID und EADermöglicht einerseits eine quantitative Erfassung sämtlicher im Rauchgasvorhandener organischer Verbindungen durch den FID, andererseits die Zuordnungder Antennenreaktion zu bestimmten Substanzen im EAD. Eine Identifizierung derDuftstoffe erfolgt durch Gaschromatographie-Massenspektrometrie.

Abb.11. Reaktion des FID (Flammenionisationsdetektor) und des EAD(Elektroantenno-graphischer Detektor mit Antenne von Melanophila acuminata) aufunterschiedliche Substanzen in den Rauchgasen.

Mit diesen Experimenten konnte gezeigt werden, dass die Antennen von M.acuminata Guajakol-Verbindungen im Rauchgas besonders empfindlich nachweisenkönnen (bis 1pg/ml). Unter Berücksichtigung der aus schwelendem Kiefernholz inLaborversuchen freigesetzten Menge Guajakol konnte abgeschätzt werden, dass eineinziger, auf 2 m Höhe angekohlter Kiefernstamm bei schwachem Wind noch inüber 1 km Entfernung von den Käfern zu wahrzunehmen ist.

 


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