As chamas começam a subir. Mike Heck pula de volta. Os tentáculos se inclinam para cima, oscilando ao vento, depois se aglutinam em um vórtice de chamas, um tornado incandescente que se contorce em laranja e vermelho. "Lá vai!" Diz um espectador. Outro assobia espantado.
Mas ninguém está preocupado. Heck acertou o fogo deliberadamente, acendendo uma panela de líquido no chão de uma sala forrada com blocos de concreto para conter as chamas. Um capô de sucção impede que a fumaça suba nas salas de aula próximas.
O supervisor de Heck, o cientista de incêndios Michael Gollner, da Universidade de Maryland, em College Park, evoca regularmente em seu laboratório pilares tão chamativos, conhecidos como redemoinhos de fogo. (Gollner e colegas exploram a ciência desses fenômenos na Revisão Anual de Mecânica dos Fluidos de 2018.) A partir deles e de outros experimentos ardentes, ele busca aprender como as chamas se intensificam e se espalham à medida que as cidades e as paisagens queimam. O objetivo de Gollner é entender melhor o que leva o fogo a pular de casa em casa e de árvore em árvore.
Reunir novos insights sobre o comportamento do fogo tornou-se cada vez mais urgente à medida que os incêndios se tornaram mais extremos, particularmente no oeste da América do Norte. A partir de meados da década de 1980, grandes incêndios florestais de repente se tornaram muito mais comuns nas florestas ocidentais dos EUA, especialmente nas Montanhas Rochosas do norte. Mais recentemente, as florestas no noroeste do Pacífico tiveram o maior aumento nos tamanhos de incêndios florestais, com um aumento de quase 5.000% na área de queimadas de 2003 a 2012, em comparação com a média de 1973-1982. Em todo o país, a área média queimada nos anos desde 2000 é quase o dobro da média anual dos anos 90.
E apenas nos últimos dois anos, vários infernos mortais incineraram partes da Califórnia. Mais de 5.600 prédios foram totalmente queimados em Santa Rosa em outubro de 2017. Em julho passado, em Redding, uma imensa nuvem de ar quente e cinzas gerou um “firenado” como o do laboratório de Gollner - mas muito maior e feroz o suficiente matar um bombeiro. No mesmo mês, incêndios queimaram vastas áreas em Mendocino e em outros três condados. Quatro meses depois, 85 pessoas morreram no Acampamento de Fogo no Paraíso, muitas delas incineradas enquanto tentavam escapar do incêndio em seus carros.
Quebra De Recorde
Ao todo, os recentes incêndios do estado marcaram recordes para os maiores incêndios florestais, os mais letais e os mais destrutivos da Califórnia. "A natureza deu uma sequência surpreendente de eventos, cada um superando o anterior", diz Janice Coen, cientista da atmosfera que estuda incêndios florestais no Centro Nacional de Pesquisa Atmosférica em Boulder, Colorado. Ela e os outros se perguntam: “Isso é diferente do passado? Oque esta acontecendo aqui?"
O número total de todos os incêndios florestais nos EUA mostra um aumento geral nas últimas décadas, embora haja muita variabilidade de ano para ano. O total de hectares queimados nesses incêndios florestais mostra uma tendência ascendente similar, embora um pouco mais dramática. Estudos que se concentraram em incêndios florestais no oeste dos EUA mostraram um claro aumento nos últimos anos no número de grandes incêndios. (National Interagency Coordination Center / Revista Conhecível) Muitos fatores impulsionaram essa expansão sem precedentes da devastação de incêndios florestais. Décadas de apagamento reflexivo de incêndios, assim que acenderam, permitiram o acúmulo de arbustos e árvores que alimentam o fogo em áreas não queimadas. A mudança climática traz temperaturas mais altas, menos chuva e neve, e mais chances de os combustíveis secarem e queimarem. (A mudança climática causada pelo homem tem sido responsável por quase dobrar a área florestal queimada no oeste dos Estados Unidos desde 1984.) Enquanto isso, mais pessoas estão se mudando para áreas selvagens, aumentando a chance de que alguém acenda um fogo ou esteja em perigo quando Ninguém começa a crescer.
Coen e outros cientistas estão usando a física para ajudar a revelar o que faz com que uma chama comum se transforme em um megafire épico. Para fazer isso, alguns pesquisadores dirigem para as bordas dos incêndios florestais, sondando seus segredos com equipamentos de laser e radar que podem ver através das nuvens de fumaça. Outros desenvolveram modelos de ponta que descrevem como as chamas correm pela paisagem, impulsionadas não apenas pelos combustíveis e pelo terreno, mas também pela forma como o fogo e a atmosfera se alimentam uns dos outros. E outros ainda, como Gollner, estão planejando experimentos de laboratório para descobrir por que uma casa pode incendiar-se enquanto seu vizinho permanece ileso.
Tais descobertas podem mostrar como as pessoas podem se preparar melhor para um futuro com incêndios florestais mais intensos e, talvez, como os bombeiros podem combatê-las com mais eficácia.
Tempo de Fogo
Quando se trata de brigas, "há muita confiança no que as pessoas viram incêndios no passado", diz Neil Lareau, meteorologista da Universidade de Nevada, em Reno. “Essa experiência profunda pessoal é realmente valiosa, mas se quebra quando a atmosfera entra no que eu chamaria de modo outlier - quando você vai estar presenciando algo que você nunca viu antes.”
Então Lareau trabalha para coletar informações sobre os incêndios enquanto eles se desdobram, na esperança de um dia poderem fornecer avisos específicos para os bombeiros enquanto eles lutam contra as chamas. Ele entende o perigo mais do que muitos pesquisadores acadêmicos fazem: ele passou três verões tentando chegar o mais perto possível de incêndios florestais, como parte da renomada equipe de pesquisa de meteorologia de fogo liderada por Craig Clements da San Jose State University na Califórnia.
Como os caçadores de tempestades que perseguem tornados nas planícies do Meio-Oeste, os caçadores de fogo precisam estar preparados para qualquer coisa. Eles passam por treinamento de bombeiros, aprendendo como antecipar onde a linha de fogo pode se mover e como implantar um abrigo de incêndio em uma emergência. Eles se registram no sistema federal de gerenciamento de emergências para que possam ser oficialmente convidados para áreas onde o público não pode ir. E eles viajam com uma sofisticada máquina de varredura a laser na traseira de um de seus caminhões para penetrar nas cinzas e plumas de fumaça subindo de um fogo ativo.
"Apenas em virtude de apontar nosso laser para as coisas, começamos a ver coisas que as pessoas não haviam documentado no passado", diz Lareau. As primeiras descobertas incluem por que uma pluma de fogo se espalha à medida que sobe, enquanto o ar enfumaçado é empurrado para fora e o ar é dobrado para dentro, e como colunas rotativas de ar podem se formar dentro da pluma. "Há um ambiente fascinante onde o fogo e os processos atmosféricos interagem uns com os outros", diz ele.
As nuvens de pirocumulonimbos formam-se e alimentam-se do calor que surge de um incêndio florestal ou erupção vulcânica. À medida que uma nuvem de fumaça sobe, ela esfria e se expande, permitindo que a umidade na atmosfera se condense em uma nuvem que pode criar raios ou até mesmo incêndios - essencialmente uma tempestade nascida do fogo. (Departamento de Meteorologia, Austrália / Revista Knowable) Um dos exemplos mais dramáticos de “clima de fogo” são as nuvens parecidas com trovoadas que podem aparecer bem acima do fogo. Chamadas de nuvens pyrocumulonimbus, elas se formam quando há umidade relativamente alta na atmosfera. Uma nuvem de cinzas e ar quente sobe rapidamente do fogo, expandindo-se e esfriando à medida que se eleva. Em algum ponto, normalmente com cerca de 15.000 pés de altura, esfria o suficiente para que o vapor de água dentro do ar se condense em uma nuvem. A condensação libera mais calor na pluma, revigorando-a e gerando uma nuvem branca brilhante que pode elevar-se até 40.000 pés de altura.
Sob a base das nuvens, o ar pode subir a velocidades que se aproximam dos 130 quilômetros por hora, impulsionado pela convecção dentro da pluma, descobriu a equipe do Estado de San Jose. Quanto mais o fogo cresce, mais o ar é puxado para a corrente ascendente, intensificando toda a conflagração. E em casos raros, pode até gerar um tornado flamejante abaixo.
Nascimento de um furacão de fogo
Lareau assistiu a um firenado quase em tempo real durante o incêndio de Carr, perto de Redding, em julho de 2018. Nesse caso, ele não estava por perto com um laser em seu caminhão, mas sentado em um computador olhando dados de radar. Os radares meteorológicos, como aqueles usados para a previsão local, podem rastrear a velocidade de partículas pequenas, como as cinzas que se movem no ar. Quando o incêndio de Carr se desenvolveu, Lareau retirou dados de radar de uma base militar a quase 90 milhas do crescente incêndio. Observando como as cinzas se moviam em direções opostas em diferentes níveis na atmosfera, ele podia ver como a rotação atmosférica dentro da pluma estava diminuindo e se intensificando. Como patinadores de figuras que puxavam seus braços durante um giro, a rotação contraiu e acelerou para formar um vórtice coerente - um tornado embutido na maior nuvem de cinzas.
É apenas o segundo exemplo conhecido, depois de uma tempestade de 2003 na Austrália, de um tornado formado por causa de uma nuvem pyrocumulonimbus, Lareau e seus colegas escreveram em dezembro na Geophysical Research Letters . O fogo fornece o calor inicial que gera a nuvem, que gera o tornado. "As dinâmicas que levam ao colapso da rotação não são apenas impulsionadas pelo fogo, elas também são impulsionadas pela própria nuvem", diz Lareau. “Isso é realmente o que é diferente neste caso, comparado ao seu turbilhão de fogo de jardim.”
Imagine um furacão no meio de uma conflagração, e é fácil ver porque o incêndio de Carr foi tão devastador. Com a velocidade do vento chegando a 140 quilômetros por hora, o tornado de incêndio derrubou torres elétricas, enrolou um cano de aço em torno de um poste e matou quatro pessoas.
Essa nuvem de pirocumulonimbus surgiu em fogo de Willow perto de Payson, Arizona, em 2004. Abaixo está a pluma de fumaça escura; acima é a nuvem surpreendentemente branca de gotículas de água condensada. (Eric Neitzel / Wikimedia Commons) Prever o próximo passo do Flames
Esse tipo de devastação é o que leva Coen a modelar incêndios florestais. Ela cresceu na periferia de Pittsburgh, filha de um bombeiro, e mais tarde ficou fascinada pela forma como os ventos, turbilhões e outras correntes atmosféricas ajudam a impulsionar a propagação das chamas. Dependendo de como o ar flui através da paisagem, um incêndio pode mudar onde ele está se movendo - talvez se dividindo em duas partes e, em seguida, fundindo-se novamente, ou disparando pequenos redemoinhos ou girando ao longo da linha de fogo. “Os silvicultores pensam em incêndios como combustível e terreno”, diz Coen. “Para nós, como meteorologistas, vemos muitos fenômenos que reconhecemos.”
Nos anos 80 e 90, os meteorologistas começaram a vincular modelos climáticos, que descrevem como o ar flui sobre terrenos complexos, com aqueles que preveem o comportamento do fogo. Um desses sistemas, um modelo de computador desenvolvido no Missoula Fire Sciences Laboratory do Serviço Florestal dos EUA em Montana, agora é usado regularmente por agências federais para prever onde os incêndios crescerão.
Coen deu um passo adiante e desenvolveu um modelo conjunto de atmosfera e fogo que incorpora o fluxo de ar. Pode, por exemplo, melhor simular como os ventos turbulentos e os picos se formam em terrenos íngremes.
Detalhes
Seu modelo tornou-se incrivelmente real em 8 de novembro de 2018, quando ela estava programada para dar uma palestra, "Entendendo e Prevendo incêndios florestais", na Universidade de Stanford. Na noite anterior, enquanto trabalhava em sua apresentação, ela viu relatos de que a Pacific Gas and Electric Company estava considerando o fechamento de equipamentos em partes do sopé da Serra Nevada, porque fortes ventos estavam previstos.
Na manhã seguinte, ela foi ao simpósio, mas sentou-se no banco de trás procurando na internet e ouvindo os rádios de emergência. Enquanto os colegas falavam, ela seguiu o tráfego do scanner, ouvindo que um incêndio havia incendiado no norte da Califórnia e se espalhado rapidamente em direção à cidade do Paraíso. "Foi quando eu tive que iniciar a minha apresentação", diz ela. “Eu poderia dizer pelos ventos, por quão mal a evacuação estava indo, que seria um evento horrível. Mas naquele momento não sabíamos que seria o mais mortal da história da Califórnia. ”
Aqueles ventos fortes sobre os quais ela ouvira falar acabaram sendo cruciais para como o fogo se espalhou e engolfou o Paraíso. Fortes ventos descendentes empurraram as chamas para a cidade densamente arborizada. Era totalmente previsível de acordo com a física em seus modelos, Coen diz: "Muitas coisas estranhas fazem sentido depois que você olha para essas circulações de escala fina."
Outro exemplo é o incêndio de Tubbs que devastou Santa Rosa em outubro de 2017, rugindo por 12 milhas em pouco mais de três horas. Os modelos de Coen exploram como os fluxos de ar conhecidos como os ventos de Diablo se movem pela paisagem. Acontece que uma camada de ar estável deslizou rapidamente sobre a complexa topografia acima de Santa Rosa. Onde atingiu os cumes das montanhas, gerou rajadas de ventos de alta velocidade. Surpreendentemente, as rajadas de vento não saíram dos picos mais altos, mas sim de um conjunto menor de picos que estavam a favor do vento. A localização de algumas dessas rajadas de vento, que atingiram até 90 milhas por hora de acordo com o modelo dela, corresponde ao local onde o incêndio se incendiou - talvez devido a falhas no equipamento elétrico. Coen descreveu o trabalho em Washington, DC, em dezembro, em uma reunião da American Geophysical Union.
Os modelos de Coen também ajudam a explicar o incêndio no Redwood Valley, que começou na mesma tempestade que o incêndio de Tubbs. (Catorze fogos separados eclodiram no norte da Califórnia em 48 horas, quando um sistema meteorológico de alta pressão no interior fez os ventos de Diablo correrem para o alto mar.) Mas nesse caso havia uma lacuna de 11 quilômetros nas montanhas que os ventos eram capaz de se apressar, comprimindo e acelerando. Era como um único rio estreito de ventos - o que seria difícil de detectar com previsão de tempo ou fogo tradicional, diz Coen. "Se você estivesse olhando para os dados meteorológicos e percebesse que essa situação era incomum em comparação com o restante, sua mente tenderia a descartá-la", diz ela.
Mas os meteorologistas precisam prestar atenção àqueles sinais de leituras de vento de alta velocidade. Eles podem estar sinalizando que algo muito localizado - e muito perigoso - está acontecendo.
Da centelha à combustão
Pesquisadores como Coen rastreiam a propagação do perímetro de um incêndio para prever onde a linha de fogo ativa pode se mover. Mas a física também pode ajudar os cientistas a entender melhor um outro tipo de propagação do fogo: o que acontece quando os ventos pegam as brasas e as colocam a quilômetros à frente da frente de fogo. Quando eles pousam, essas brasas podem, às vezes, permanecer no local por horas antes de acenderem uma pilha de folhas, um deck ou qualquer outra coisa inflamável. Esse é um grande problema para os bombeiros tentando descobrir onde implantar seus recursos - seja para permanecer na linha de fogo principal ou para perseguir onde eles acham que os incêndios locais podem acender.
Para chegar a essa questão, na Universidade de Maryland, Gollner tem trabalhado com a física de pequena escala do que é necessário para uma brasa acender. Seu laboratório está no Departamento de Engenharia de Proteção contra Incêndio e parece a parte. Isqueiros de butano enchem gavetas. Uma caixa de palha de pinheiro repousa sobre uma prateleira. Luvas grossas de proteção contra fogo estão no topo de um banquinho. O ar cheira levemente acre, como o cheiro de um fogo que acabou de se extinguir.
Ao longo de uma parede do laboratório, sob um grande capô de ventilação, Gollner mostra uma engenhoca de metal um pouco mais plana e larga do que uma caixa de sapatos. É aqui que ele cria uma brasa ao acender um pedaço de madeira em forma de cortiça e colocá-lo dentro da caixa. Um ventilador sopra uma brisa constante sobre o fogo ardente, enquanto os instrumentos sob a caixa medem a temperatura e o fluxo de calor da superfície em que está sentado. Com este dispositivo, a Gollner pode estudar o que é necessário para que as brasas gerem calor suficiente para iniciar um incêndio no prédio. "Muitos estudos foram feitos em canteiros de grama e coisas boas", diz ele. “Queríamos entender como isso inflama seu deck, seu telhado ou sua estrutura?”
Acontece que uma única brasa, ou um punhado de brasas, não pode acumular tanto calor se pousar em um material como um convés ou um telhado. Mas coloque uma ou duas dúzias de brasas no aparelho de Gollner e o fluxo de calor sobe dramaticamente, ele e seus colegas relatam no March Fire Safety Journal . "Você começa a ter radiação novamente entre eles", diz ele. “Brilha sob o vento - é simplesmente lindo”.
Michael Gollner, cientista de incêndios da Universidade de Maryland, demonstra um dispositivo que testa como o fogo se espalha em diferentes ângulos. Quando ele eleva a superfície de ignição de horizontal para inclinado, as chamas reagem de maneira diferente - informações que os bombeiros podem usar quando lutam contra incêndios crescentes. (Alexandra Witze) Apenas uma pequena pilha de brasas pode gerar cerca de 40 vezes o calor que você sentiria do sol em um dia quente. Isso é tanto aquecimento, e às vezes mais, como vem do próprio fogo. Também é suficiente para acender a maioria dos materiais, como a madeira de um deck.
Portanto, se houver muitas brasas voando à frente de um incêndio, mas essas brasas ficarem relativamente distantes umas das outras, elas podem não acumular o calor irradiante necessário para gerar um incêndio pontual. Mas se as brasas se acumulam, talvez sopradas pelo vento em uma fenda de um convés, elas podem se queimar juntas e depois acionar uma ignição, diz Gollner. A maioria das casas que queimam na interface urbano-florestal se inflamam dessas brasas, muitas vezes horas após a passagem da frente de incêndio.
Entender o fluxo de calor nessas pequenas escalas pode esclarecer porque algumas casas queimam enquanto outras não. Durante o incêndio de Tubbs, as casas de um lado de algumas ruas foram destruídas, enquanto as do outro lado quase não sofreram danos. Isso pode ser porque a primeira casa que acendeu a energia irradiada para o vizinho, que depois queimava casas vizinhas como dominós por causa do calor irradiante. Quando as casas estão juntas, há tanto que os donos de casas podem fazer para mitigar o perigo, limpando a escova e materiais inflamáveis pela casa.
Controlando a Fera
Gollner - um nativo da Califórnia que cresceu evacuando de incêndios florestais - está agora trabalhando em outros aspectos da propagação do fogo, como o que é preciso para um pedaço de vegetação em chamas se romper em ventos fortes e inflamar outros arbustos a favor do vento. Ele está estudando os redemoinhos de fogo para ver se eles podem ser usados para queimar manchas de óleo no oceano, já que os turbilhões queimam o óleo mais rápido e mais limpo do que um fogo não rotativo. E ele está começando um projeto sobre os efeitos na saúde de inalar fumaça de incêndio.
Por enquanto, ele espera que sua pesquisa possa ajudar a salvar casas e vidas durante um incêndio ativo. "Você nunca vai fazer nada à prova de fogo", diz ele. "Mas à medida que você melhora, você faz uma grande diferença." Casas construídas com escudos contra brasas entrando por aberturas de sótãos, ou usando materiais resistentes a ignição como asfalto em vez de telhas de madeira, podem ter menor probabilidade de inflamar do que casas não construídas para esses padrões. Se apenas dez lares e não mil se incendiarem durante uma tempestade, os bombeiros poderão administrar melhor a próxima grande conflagração, diz Gollner.
À medida que o clima se aquece e os incêndios se tornam mais extremos, os cientistas de incêndio sabem que seu trabalho é mais relevante do que nunca. Eles estão pressionando para fazer com que a pesquisa seja importante onde é importante - na linha de frente, com funcionários de gerenciamento de emergências. Coen, por exemplo, está trabalhando para executar seus modelos de incêndios florestais mais rápido do que em tempo real, de modo que quando o próximo grande incêndio começar, ela pode prever rapidamente para onde ele pode ir, considerando o vento e outras condições atmosféricas. E Lareau está desenvolvendo maneiras de rastrear a propagação de um incêndio quase em tempo real.
Ele usa informações sobre o clima, como o radar terrestre que usou para rastrear o Carr firenado, bem como satélites que podem mapear o perímetro do fogo estudando o calor que flui do solo. Eventualmente, ele quer ver um sistema de previsão em tempo real para incêndios florestais como aqueles que existem atualmente para tempestades, tornados, furacões e outros eventos climáticos.
"As advertências não vão parar o fogo", diz Lareau. “Mas talvez nos ajude a decidir onde tomar essas decisões. Estes são ambientes onde os minutos são importantes ”.
A Revista Knowable é um esforço jornalístico independente de Análises Anuais. Alexandra Witze (@alexwitze) é uma jornalista científica que vive na interface urbano-florestal acima de Boulder, Colorado, onde ocasionalmente vê fumaça de incêndios nas proximidades.
