Promieniowa zmienność makrostruktury drewna wiatrołomów sosny zwyczajnej (Pinus sylvestris L.) i świ

Promieniowa zmienność makrostruktury drewna wiatrołomów sosny zwyczajnej (Pinus sylvestris L.) i świerka pospolitego (Picea abies Karst.) w relacji do niektórych właściwości drewna

Książka “Promieniowa zmienność makrostruktury drewna wiatrołomów sosny zwyczajnej (Pinus sylvestris L.) i świerka pospolitego (Picea abies Karst.) w relacji do niektórych właściwości drewna” wydana została w serii Rozprawy naukowe.   Mechanizm złamania pnia drzewa iglastego próbowało wytłumaczyć wielu badaczy, opierając się głównie na mechanice pnia. Dwie najbardziej znane historycznie to teorie: mechaniczna Metzgera i fizjologiczna Jaccarda.

Teoria mechaniczna tłumaczy kształtowanie się pnia, a także konarów (głównie szerokości słojów rocznych) jako reakcję na obciążenia mechaniczne korony i wiatru. Zgodnie z jej założeniami drzewo najpierw wykształca swoistą odporność (odpowiednią powierzchnię przekroju), a następnie rośnie na wysokość.

W teorii fizjologicznej zwiększanie się średnicy pnia jest wywołane przede wszystkim potrzebą rozwoju drzewa, szczególnie korony i zależne od konieczności przewodzenia wody. Ostatecznie, żadna z teorii nie wyjaśniła precyzyjnie procesu tworzenia się strzały. Z czasem teorie te dały podstawę do dalszych badań i hipotez opisujących mechanikę pnia, a wyczerpujący ich przegląd zrobił Zajączkowski. Wspomniany autor twierdzi, iż złamanie drzewa następuje na skutek drgania wywołanego porywem silnego wiatru. Mogą to być drgania zginające lub torsyjne (skręcające). Jeśli w danym momencie wychylenie drzewa (drganie) będzie przeciwne do kierunku porywu wiatru, zsumują się sprężystość wychylonej strzały i siła wiatru, w efekcie czego może dojść do złamania strzały, która gwałtownie wychyli się w przeciwnym kierunku. Momenty zginające w strzale są rozłożone nierównomiernie, zwykle największe wartości osiągają w odległości co najmniej kilku metrów od podstawy pnia. Mechanika pnia i związana z nią analiza odporności na wiatr szczególnie drzew iglastych jest stale przedmiotem zainteresowania wielu badawczy.

Podobnie drzewa wyrosłe na terenach miejskich (przeważnie liściaste) o znacznie bardziej skomplikowanych kształtach i zależnościach w rozkładzie naprężeń również są przedmiotem różnych badań, w których dominuje indywidualne podejście do każdego drzewa. Prace te dotyczą zasadniczo precyzyjnej oceny ryzyka uszkodzenia drzewa przez wiatr z uwzględnieniem rozmaitych wad drewna.

Obecność omawianych zagadnień w literaturze przedmiotu wynika z potrzeby wypracowania mechanizmów obrony przed skutkami klęsk żywiołowych wywołanych silnym wiatrem, których skutki społeczne i ekonomiczne są szczególnie dotkliwe w ostatnich dziesięcioleciach. Ze względu na nasilenie wiatrów i ich katastrofalne skutki tematyka ta została podjęta przez wielu autorów, a IUFRO poświęciło temu specjalne konferencje „Wind and wind-related damage to trees” w 1993 roku i „Winds and other abiotic risks to forests” w 1998 roku.

Opisywane w literaturze uszkodzenia i straty wywołane silnymi wiatrami w lasach dotyczą wiatrów o różnym charakterze. Najbardziej brzemienne w skutki są wiatry pochodzenia cyklonalnego, które należą do zjawisk o dużym zasięgu obejmującym obszar o średnicy kilkuset kilometrów. Obejmują wówczas zasięgiem znaczną część Europy, w której tego typu zjawiska występują w zimnej porze roku. W Niemczech i w Polsce są często nazywane orkanami.

Dla odróżnienia cyklony tropikalne (huragany, tajfuny) pojawiają się w porze ciepłej. Lokalnie mogą wystąpić wiatry burzowe (nawałnice) lub feny (halny). Najbardziej niszczycielską siłę, chociaż o małym zasięgu, mają trąby powietrzne, w Ameryce Północnej nazywane tornadami. Siła niszcząca wiatru zależy przede wszystkim od prędkości i rodzaju wiatru. W literaturze światowej wiatry są opisywane za pomocą różnych klasyfikacji i terminów, niekiedy utrudniających wzajemne porównywanie opisów. Praca Cullena przedstawia zestawienie i porównanie stosowanych klasyfikacji prędkości wiatrów, ich nazewnictwa i skal (różnych jednostek metrycznych).

Chociaż potężne wiatry o zasięgu europejskim były notowane już w 1362 roku, to jednak niszczycielskie wiatry występujące obecnie mają coraz większe znaczenie ekonomiczne. Potężny huraganowy wiatr, nienotowany jak podaje Kubiak od około 300 lat, który szalał w listopadzie 1972 roku na terenie RFN i NRD zniszczył ponad 27 mln m3 drewna, późniejsze ataki szkodników wtórnych w kolejnych latach doprowadziły do poważnych strat. Na przełomie 1981 i 1982 roku tylko na terenach Polski skala uszkodzeń od wiatru wyniosła blisko 15 mln m3. Zimowe wichury z 1990 roku w Niemczech, określone „huraganem stulecia”, przyniosły kilkakrotnie większe straty od poprzednika z 1972 roku. Zniszczeniu uległo około 70 mln m3 drewna. Wydaje się, że w ostatnich latach cyklony występują w Europie znacznie częściej i są coraz bardziej brzemienne w skutki.

Dwa grudniowe cyklony z 1999 roku: „Anatol” (2-4 grudnia) i „Lothar” (24-27 grudnia) przyniosły w Europie straty równe blisko 13 mld euro, w styczniu 2005 roku „Gudrun” (w niemieckiej prasie jako orkan „Erwin”) położył blisko 70 mln m3 lasów w południowej Szwecji, dwa lata później w styczniu 2007 roku orkan „Kyrill” zniszczył około 65 mln m3 drewna, nie licząc olbrzymich zniszczeń w innych działach gospodarki, potem przyszedł słabszy, ale również groźny orkan „Emma” w lutym 2008 roku. Monitorowanie i prognozowanie rozwoju cyklonów na północnym Atlantyku jest zagadnieniem bardzo poważnie traktowanym we współczesnej meteorologii.   Zniszczenia spowodowane wiatrem w lasach Polski należą również do poważnych. Już w 1930 roku zanotowano szkody o rozmiarze 1,5 mln m3 w polskiej części Sudetów. Po wojnie co kilka lat notowano dużą klęskę wiatrołomów w Polsce. Dokładny wykaz szkód od wiatrów i śniegu w lasach polskich dla okresu 1946-1988 sporządził Zajączkowski (1991). Wynika z niego, że zdecydowana większość szkód powstała w okresie jesienno-zimowym (49 mln m3 z 55,68 mln m3), a dominującym czynnikiem niszczącym był wiatr (47,85 mln m3). Znaczne szkody w lasach polskich poczyniły również wspomniane wcześniej zimowe cyklony „Lothar” i „Kyrill”. Jedynie zniszczenia w Puszczy Piskiej w 2004 roku wystąpiły w lipcu.

Pierwszym problemem pojawiającym się podczas wystąpienia dużych klęsk wiatrołomów jest konieczność jak najszybszego zagospodarowania terenu poklęskowego. Temat ten znalazł już miejsce w literaturze w postaci licznych opracowań dotyczących kolejnych klęsk. Jakość surowca pochodzącego z terenów poklęskowych również była omawiana dokładnie w literaturze. Drewno pozyskane z terenów poklęskowych charakteryzuje się dużym zróżnicowaniem średnic i wymiarów, jest to głównie drewno iglaste pochodzące z drzewostanów młodszych i średnich klas wieku. Wyróżnia się licznymi wadami o charakterze mechanicznym i biologicznym. Drewno poklęskowe znajduje różne zastosowanie, chociaż jest postulowane wyłączenie tego drewna z zastosowań konstrukcyjnych. Ze względu na dużą jego podaż na rynek nie zawsze jest to możliwe, poza tym normy na drewno okrągłe w Polsce nie wymagają określania pochodzenia surowca.

Często powtarzające się szkody w lasach wywołane przez wiatr przyczyniają się do konieczności opracowania sposobów ochrony przed nimi. Dotyczy to szczególnie określenia warunków sprzyjających powstawaniu klęsk i podjęcie planowania ryzyka uszkodzeń. Przyczyn powstawania klęsk upatruje się nie tylko w silnych wiatrach, ale również w strukturze i układzie drzewostanów, w ich kondycji zdrowotnej, w odporności osobniczej pojedynczych drzew i w zabiegach gospodarczych prowadzonych w lasach.

Wraz z postępem technicznym umożliwiającym wykorzystanie techniki komputerowej oraz wzrostem poziomu wiedzy powstało wiele prac dotyczących modelowania i prognozowania ryzyka wystąpienia szkód w lasach. Quine zaproponował empiryczno-mechaniczny model szacowania ryzyka na obszarach w Wielkiej Brytanii wykorzystujący charakterystykę drzew, drzewostanów oraz GIS. Bardzo zaawansowany model (oparty na teorii mechanicznej) również wykorzystujący cechy drzew i drzewostanów oraz GIS zaproponował Peltola i in. Talkkari i in. wykorzystali opisywany model do prognozowania ryzyka w północnowschodniej Finlandii. Inne zaawansowane modele i metody prognostyczne przedstawili również Jalkanen i Matttla, Valinger i Fridman oraz Miller i in., którzy zaproponowali narzędzie pozwalające na integrację i wykorzystanie wielu modeli (m.in. wymienionych) poprzez sieć WWW.

Zaawansowane modele numeryczne muszą jednak mieć odpowiednią bazę danych, w tym również uwzględniającą wiele mierzalnych cech drzew i drzewostanów. Biorąc pod uwagę systemy gospodarowania w lesie, są możliwe do kontrolowania w dużym zakresie zarówno ład przestrzenny, jak i czasowy. Wiele cech drzewostanów z powodzeniem wykorzystuje się w bazach danych w różnych gospodarstwach leśnych. Zupełnie inaczej wygląda sytuacja w wypadku indywidualnych cech drzew, a ściślej samej struktury drewna. Drewno niestety jest obarczone znacznymi wadami (z punktu widzenia użytkownika), które poważnie ograniczają jego wykorzystanie i sprzyjają powstawaniu uszkodzeń w następstwie silnych wiatrów. Struktura drewna kształtuje się różnie w zależności od warunków wzrostu i rozwoju. Drzewo wyrosłe w samotności ma znacznie większą odporność na wiatr od drzewa wyrosłego w zwarciu, inne też będą właściwości mechaniczne obu drzew. Poznawanie reakcji drewna w powiązaniu z jego właściwościami jest istotne z punktu widzenia poszukiwania prostych parametrów pozwalających w miarę precyzyjnie określać możliwości wykorzystania drewna oraz jego zachowania się w organizmie żywym, jakim jest drzewo.

Szczególnie istotne będzie samo prognozowanie reakcji drewna na obciążenia statyczne i dynamiczne. Większość dotychczas wykonywanych badań drewna dotyczyła określania jego właściwości przy znormalizowanych poziomach wilgotności.

Obecnie wyzwaniem staje się przewidywanie zachowań drewna z wyprzedzeniem szczególnie w warunkach różnej wilgotności drewna.   Badania podjęte w niniejszej pracy są próbą odniesienia podstawowych cech makrostrukturalnych (słoistość i udział drewna późnego w słoju rocznym) do zachowań tkanki drzewnej w warunkach drewna suchego i drewna maksymalnie spęczniałego. W pracy podjęto wysiłek w kierunku wykazania bezpośredniej różnicy w reakcji wymienionych elementów makrostruktury sosny i świerka na działanie sil ściskających i zginających. Badania prowadzone na drzewach złamanych przez wiatr służą również zbadaniu ewentualnych zaburzeń w strukturze drewna spowodowanych działaniem silnego wiatru. Dodatkowym celem pracy jest dążenie do poszukiwania prostych metod pozwalających prognozować zachowanie się drewna, których przykładem jest proponowany współczynnik optymalności struktury.