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No início de dezembro de 2017, o Thomas Fire devastou quase 300.000 acres do sul da Califórnia. O calor intenso das chamas não apenas matou árvores e vegetação nas encostas acima de Montecito, mas também vaporizou suas raízes.
Um mês depois, na madrugada de 9 de janeiro, uma forte tempestade atingiu as encostas áridas com mais de meia polegada de chuva em cinco minutos. O solo sem raízes se transformou em uma lama poderosa, agitando um desfiladeiro esculpido em um riacho e pegando pedregulhos na corrida antes de se espalhar no fundo e invadir as casas. Vinte e três pessoas morreram no desastre.
Essa tragédia poderia ter sido evitada? Qual é o ponto de inflexão em que um declive sólido começa a escorrer como um líquido? Novas descobertas de uma equipe liderada por Douglas Jerolmack da Penn’s School of Arts & Sciences and School of Engineering and Applied Science em colaboração com Paulo Arratia da Penn Engineering e pesquisadores da Universidade da Califórnia, Santa Barbara (UCSB), aplicam física de ponta para responder a essas perguntas. Seu estudo, publicado no Anais da Academia Nacional de Ciênciasrealizou experimentos de laboratório que determinaram como o comportamento de falha e fluxo de amostras dos deslizamentos de lama de Montecito estava relacionado às propriedades do material do solo.
“Nós não estávamos lá para ver isso acontecer”, diz Jerolmack, “mas nossa ideia era: ‘Poderíamos aprender algo sobre o processo de como uma encosta sólida perde sua rigidez medindo como as misturas de água e solo fluem quando são em diferentes concentrações?’”
Unindo o teórico e o aplicado
Durante o inverno de 2018, Jerolmack estava de licença sabática e viajou para o Instituto Kavli de Física Teórica da UCSB – mas não para estudar deslizamentos de terra. “É um lugar para vir e resolver problemas que são tópicos de fronteira na física”, diz ele. “Sou geofísico, mas não estava lá para fazer geociência. Estava lá para aprender sobre essa física de fronteira, especialmente sobre a física de suspensões densas.”
Três dias após a chegada de Jerolmack, no entanto, ocorreram os fluxos de detritos. Cerca de um mês depois, quando era seguro fazê-lo, Thomas Dunne, geólogo da UCSB e coautor do artigo, o convidou para coletar amostras de Montecito.
Era uma tarefa sombria. Algumas amostras vieram dos restos devastados de casas, onde os fluxos de lama da encosta eram fortes o suficiente para empurrar pedras enormes pelos leitos dos riachos até – e às vezes através – das casas. “Quando chegamos perto da boca do cânion, era quase como uma falange de pedregulhos”, diz Jerolmack. “As casas foram enterradas até o teto; os carros foram pulverizados e irreconhecíveis.”
Levando as amostras de volta ao laboratório, o objetivo dos pesquisadores era modelar como a composição da lama e as tensões a que ela está submetida influenciam quando ela começa a fluir, superando as forças que conferem rigidez às substâncias, o que os cientistas chamam de “estado encravado .”
Não foi a primeira vez que engenheiros e cientistas tentaram esse tipo de modelagem a partir de amostras de campo. Alguns estudos tentaram simular as condições de campo colocando pás cheias de sujeira e lama em grandes reômetros, um dispositivo que gira amostras rapidamente para medir sua viscosidade ou como seu fluxo responde a uma força definida. Os reômetros típicos, no entanto, só dão resultados precisos se uma substância for homogênea e bem misturada, não como as amostras de Montecito, que continham várias quantidades de cinzas, argila e rochas.
Reômetros mais sensíveis e de alta tecnologia, que medem a viscosidade de pequenas quantidades, podem superar essa desvantagem. Mas eles vêm com outro: amostras que contêm partículas maiores – digamos, rochas na lama – podem obstruir seu delicado funcionamento.
“Percebemos que poderíamos fazer medições que sabíamos serem confiáveis e precisas se usássemos esse dispositivo extremamente sensível”, diz Jerolmack, “mesmo que isso custasse ter que peneirar o material mais grosseiro de nossas amostras”.
Um sinal claro de amostras ‘sujas’
A investigação contou com a expertise de cada membro da equipe. O pós-doutorando da UCSB Hadis Matinpour preparou, gravou e plotou as primeiras amostras e analisou a composição de partículas naturais. Sarah Haber, na época assistente de pesquisa da Penn, determinou a composição química dos materiais, incluindo quantidades importantes como o teor de argila.
“Tínhamos todos esses dados brutos e estávamos tendo problemas para entendê-los”, diz Jerolmack. “Robert Kostynick, então estudante de mestrado na Penn, pegou o projeto para sua tese e dedicou uma enorme quantidade de trabalho braçal e pensamento para organizar, interpretar e tentar recolher muitos dados.”
Essas contribuições se apoiaram em uma compreensão da física de ponta relacionada às forças em ação em suspensões densas. Isso inclui fricção, à medida que as partículas se esfregam umas nas outras; lubrificação, se uma fina película de água ajuda as partículas a deslizarem umas sobre as outras; ou coesão, se partículas pegajosas como argila se unirem.
“Tivemos a audácia, ou talvez a ingenuidade, de tentar aplicar alguns desenvolvimentos realmente recentes da física a um material realmente confuso”, diz Jerolmack.
O pós-doutorando da Penn, Shravan Pradeep, que tem profundo conhecimento em reologia, ou no estudo de como os materiais complexos fluem, também se juntou à equipe. Ele identificou precisamente como as propriedades materiais do solo – tamanhos de partículas e teor de argila – determinavam suas propriedades de falha e fluxo. Sua análise mostrou que entender a viscosidade das partículas, medida como “estresse de rendimento”, e quão perto as partículas podem se agrupar no “estado congestionado”, pode explicar quase inteiramente os resultados observados nas amostras de Montecito.
O estresse de rendimento pode ser imaginado imaginando creme dental ou gel de cabelo, diz Jerolmack. Em um tubo, esses materiais não fluem. Somente quando uma força é aplicada ao tubo – um aperto firme – eles começam a fluir. O estado de congestionamento pode ser pensado como o ponto em que as partículas estão tão amontoadas que são incapazes de passar umas pelas outras.
“O que percebemos foi que com os fluxos de detritos, quando você não os pressiona com força, seu comportamento é governado inteiramente pela tensão de escoamento”, diz Jerolmack. “Mas quando você está empurrando com muita força – a força da gravidade carregando um fluxo de detritos pela encosta de uma montanha – o comportamento viscoso passa a dominar e é determinado pela distância entre a densidade das partículas e o estado congestionado.”
No laboratório, os pesquisadores não conseguiram simular a falha, o ponto em que um solo sólido, restringido por “bloqueio”, se transformou em uma lama móvel. Mas eles poderiam aproximar o inverso, avaliando os materiais lamacentos misturados com água em diferentes concentrações para extrapolar o estado encravado.
“A beleza disso é que, quando você obtém amostras da natureza, elas podem estar em todo lugar em termos de composição, quanta cinza elas contêm, o local de onde você coletou”, diz Arratia. “Ainda assim, no final, todos os dados simplesmente desmoronaram em uma única curva mestra. Isso lhe diz que agora você tem um entendimento universal que vale se você está no laboratório ou nas montanhas de Montecito.”
Com as mudanças climáticas, a frequência e a intensidade dos incêndios florestais estão crescendo em muitas regiões, assim como a intensidade dos eventos de precipitação. Assim, o risco de deslizamentos catastróficos não está desaparecendo tão cedo.
As novas descobertas para prever o estresse de escoamento e o estado congestionado podem ajudar a informar a modelagem que os governos federal e local fazem para simular fluxos de detritos, dizem os pesquisadores. “Digamos, se chover tanto e eu tiver esse tipo de material, quão rápido ele fluirá e quão longe”, diz Jerolmack.
E de uma forma mais geral, Jerolmack e seus colegas esperam que o trabalho, que combinou ciências teóricas e empíricas, leve a mais abordagens interdisciplinares. “Podemos pegar as descobertas mais recentes da física e relacioná-las diretamente com um problema ambiental ou geofísico significativo”.
O estudo foi apoiado pelo Army Research Office (doações W911NF2010113 e W911NF-18-1-0379), National Science Foundation (doações 1720530 e 1734355), Petroleum Research Fund (Grant 61536-ND8) e a Fundação John MacFarlane.
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