Questão 4 Unicamp 2021 - 2ª fase - dia 2 - Elite Colégio e Pré-Vestibular

Questão 4

Função Afim Calorimetria

Estudos mostram que a taxa de desmatamento nos principais biomas brasileiros tem aumentado significativamente desde 2015, causando a fragmentação da paisagem e tornando esses biomas altamente propensos a incêndios. Apesar dos processos químicos envolvidos na combustão da madeira ocorrerem de forma similar nos diferentes biomas, as diferenças na vegetação fazem com que as queimadas tenham características e consequências distintas em cada bioma.

a) A vegetação na Amazônia é caracterizada majoritariamente por florestas altas e densas, enquanto o Pantanal é coberto por vegetação predominantemente aberta. Supondo que todos os outros fatores sejam similares nos dois biomas, compare a velocidade de propagação das queimadas na Amazônia e no Pantanal. O tempo para queimar uma mesma área será maior em qual desses dois biomas? Justifique sua resposta.

b) Um dos parâmetros mais importantes para entender o comportamento do fogo é a intensidade da linha de frente do fogo, $I$ , que representa a quantidade de calor liberado por unidade de tempo por unidade de comprimento da frente do fogo. A intensidade pode ser modelada fisicamente como o produto do calor de combustão do combustível, $H$ , pela quantidade do combustível disponível, $q$ (medida em kg/m²), e pela velocidade de propagação do fogo, $r$ (medida em m/s):

$I = H \cdot q \cdot r$

No gráfico abaixo, os pontos representam a intensidade de diferentes queimadas registradas no Cerrado em função do produto $q \cdot r$ . A reta representa a curva de tendência que melhor ajusta os dados. A partir destas informações, estime o calor de combustão do combustível disponível para queima no Cerrado brasileiro.

Resolução

a) Há dois fatores importantes que devem ser considerados no espalhamento de um incêndio: a taxa com que o calor liberado na combustão é absorvido pelo ambiente e a taxa com que a insolação disponibiliza energia para a manutenção da combustão.

Florestas altas e densas possuem ambiente com maior umidade do que lugares de vegetação predominantemente aberta, uma vez que há maior taxa de evapotranspiração. Como a água é uma substância de alto calor específico, a umidade é capaz de absorver grande quantidade de calor do ambiente sem sofrer consideráveis variações de temperatura, e desta forma funciona como um reservatório de energia garantindo pequena amplitude térmica e temperaturas, em média, menores. Há estudos¹ que indicam que florestas possuem temperaturas até 5ºC menores, em média, do que pastagens de vegetação aberta. No caso de incêndios, a umidade dificulta a propagação do fogo, retendo boa parte da energia liberada, além de dificultar a queima do combustível vegetal, mantendo a matéria orgânica úmida e, portanto, menos capaz de absorver a energia que é necessária para iniciar a combustão.

Além disso, em florestas densas ocorre menor insolação da superfície, devido à sombra garantida pelas copas. Este fator contribui para a menor disponibilidade de energia à matéria orgânica combustível, sendo um fator que dificulta a propagação de incêndios. Há estudos² que indicam que áreas florestais já exploradas pela indústria madeireira e áreas florestais já atingidas por incêndios possuem maior susceptibilidade à proliferação do fogo devido a alterações na estrutura vegetal e maior entrada de iluminação solar.

Em vista do exposto acima, o tempo necessário para queimar uma mesma área é menor no Pantanal, de vegetação predominantemente aberta, onde há maior disponibilidade energética devido à menor umidade e maior disponibilidade de radiação solar.

b) Buscamos uma relação linear entre a intensidade do fogo $I$ e o produto $q \cdot r$ da disponibilidade de combustível pela velocidade de propagação do fogo. Nesta relação linear, o calor de combustão $H$ do combustível é o coeficiente angular:

$I = H \cdot (q \cdot r) .$

O coeficiente linear nesta relação é nulo; extrapolando o gráfico apresentado no espaço de respostas vemos que a linha intercepta a origem, como esperado. Observe a figura:

Desta forma, tomando o par de pontos destacados em vermelho na figura abaixo, o coeficiente angular é dado por

$H = \frac{Δ I}{Δ (q \cdot r)} = \frac{(800 - 400) 10^{3} W / m}{(0, 06 - 0, 03) k g / m \cdot s} = \frac{400}{0, 03} \cdot 10^{3} \frac{W \cdot s}{k g} = \frac{4}{3} \cdot 10^{7} \frac{J}{k g} \Rightarrow$

$H ≅ 1, 33 \cdot 10^{7} \frac{J}{k g}$

¹ RELATÓRIO DE AVALIAÇÃO DE MEIO TERMO DA EFETIVIDADE DO FUNDO AMAZÔNIA: 2008 - 2018 (http://www.fundoamazonia.gov.br/export/sites/default/pt/.galleries/documentos/monitoramento-avaliacao/avaliacoes-externas/FA-Relatorio-Avaliacao-Meio-Termo-Fundo-Amazonia.pdf - Acessado em 09/02/21 às 20h00)

² Análises de susceptibilidade e impacto de incêndios florestais em uma floresta alagável (igapó) na Amazônia central por meio de lidar terrestre portátil (http://www.dsr.inpe.br/sbsr2015/files/p0240.pdf - Acessado em 09/02/21 às 20h00)