La combustió és una reacció química autopropagada, que va acompanyada d’un despreniment energètic. Perquè aquesta reacció es produeixi és imprescindible la presència simultània d’uns reactius (combustible i comburent), i una aportació de calor externa inicial; el resultat d’aquesta reacció és la formació de noves substàncies (productes). Si la reacció de combustió es completa, els productes que s’obtenen són, principalment, diòxid de carboni (CO2) i aigua (H2O) (Arnaldos V.J. et. al., 2004).
Reacció de combustió
Combustible + Comburent + Calor inicial → CO2 + H2O + Calor
L’eliminació de qualsevol d’aquests tres elements provocarà que l’incendi no es pugui mantenir.
Fases de la Combustió En termes generals i per a qualsevol combustible, el procés de combustió es produeix en tres fases: ignició, combustió i extinció.
Com s’ha comentat, per iniciar qualsevol reacció de combustió, es requereix una aportació de calor (anomenat procés d’ignició). La fase de combustió correspon a l’estat estacionari en què es produeix la reacció de combustió de forma contínua, consumint-se combustible i comburent. La fase d’extinció marca el final del procés de combustió. L’extinció es produeix per la limitació d’algun dels components indispensables per produir la reacció de combustió, normalment del combustible o del comburent.
Un combustible sòlid segueix el següent procés de combustió:
1-Fase d’ignició: Aquesta fase sol ser la més complexa, sobretot en funció de l’estat del combustible, i consta de tres processos:
-
Deshidratació: La primera calor aportada en el procés d’ignició és utilitzada per evaporar l’aigua (humitat) que pugui tenir el combustible. Aquest procés es produeix a una temperatura al voltant dels 100ºC.
-
Piròlisi: Una vegada evaporada l’aigua, la calor aportada s’utilitza per a la descomposició tèrmica del combustible i l’evaporació de volàtils. Aquest procés es produeix a una temperatura d’entre 200 i 500ºC.
-
Inflamació: Quan hi ha suficient combustible en fase de vapor barrejat amb l’aire, la calor aportada permetrà la inflamació d’aquesta barreja, activant-se així la reacció de combustió. Això té lloc entre 350 i 600ºC.
2-Fase de combustió: Un cop iniciada la combustió, aquesta es mantindrà mentre hi hagi suficient combustible i comburent i mentre l’energia subministrada per la reacció de combustió sigui suficient per continuar evaporant el combustible.
3-Fase d’extinció: L’extinció arribarà quan s’acabi el combustible o el comburent, o bé quan l’energia despresa en la combustió no sigui suficient per continuar evaporant el combustible.
Els combustibles forestals es poden analitzar des d’un punt de vista macroscòpic o microscòpic. Des d’un punt de vista macroscòpic un bosc pot ser considerat combustible forestal i com a tal té unes propietats que definiran el comportament de l’incendi, sobretot pel que fa a la seva evolució sobre el territori. Aquestes propietats s’anomenen propietats extrínseques. Des d’un punt de vista microscòpic el combustible forestal majoritari és la fusta, la qual té també unes propietats que afectaran el comportament del foc pel que fa a la reacció de combustió. Aquestes propietats s’anomenen propietats intrínseques.
Propietats intrínseques:
El procés de combustió està influït per la composició química del combustible forestal. Les molècules quantitativament més importants que conté el combustible forestal i que intervenen en el procés de combustió són la cel·lulosa, l'hemicel·lulosa i la lignina.
Però les plantes tenen també altres compostos que, tot i que són quantitativament menys importants, tenen un paper rellevant en la inflamabilitat dels vegetals, com són els terpens i les resines. Aquests compostos conjuntament tenen una calor de combustió d'una mica més del doble que la cel·lulosa.
Els vegetals rics en minerals actuen com catalitzadors en la piròlisi de la cel·lulosa, afavorint la formació de carbó en detriment dels compostos volàtils inflamables (quitrans). Els vegetals rics en minerals cremaran amb més dificultat i formaran flames més petites que els que són pobres en minerals.
Propietats extrínseques:
Les propietats extrínseques més importants que afecten la intensitat i velocitat de propagació dels incendis són:
-
Càrrega de combustible: Es defineix com la quantitat de combustible (mesurat en base seca) present per unitat de superfície, normalment s’expressa en tones per hectàrea (tn/ha). Es poden trobar també altres maneres d’expressar la càrrega de combustible, com per exemple el nombre de peus per hectàrea en zones de vegetació arbòria.
-
Grandària i forma del combustible: La forma i grandària dels combustibles vegetals s’expressa normalment en termes de la seva relació superfície/volum (m2/m3) ⎯ sovint s’expressa amb la lletra σ⎯, com més petit sigui el combustible més gran serà aquesta relació.Com que les partícules petites tenen una superfície gran comparada amb el seu volum (σ gran) s’assequen més ràpidament i també són més fàcils de cremar. És per això que sovint tenen una gran influència en la propagació de l’incendi.
-
Compacitat i densitat aparent: La compacitat és una mesura de l’espai existent entre la vegetació. Com menys espai hi hagi (més compacitat) més difícil és, en general, la propagació de l’incendi, ja que l’aire entra amb més dificultat. Si la vegetació està més separada, serà més sensible als canvis d’humitat i l’aire penetrarà amb més facilitat, fet que acostuma a facilitar la propagació de l’incendi. La compacitat s’acostuma a donar en termes de densitat aparent (en terminologia anglesa bulk density) ⎯designada normalment amb la lletra β⎯ que és la massa de matèria vegetal dividida pel volum que ocupa en una determinada distribució. La densitat aparent és sempre menor que la densitat del material, ja que aquesta no inclou aire mentre que en la densitat aparent part del volum està ocupat per aire. Per això és un bon indicador de la porositat. Com menor sigui la densitat aparent menys compacitat hi haurà i més espais buits seran ocupats per aire i no per vegetació.
-
Disposició del combustible: La manera com la vegetació es disposa sobre el terreny té una influència molt important en el comportament del foc. En general es poden distingir dues disposicions diferents segons l'orientació:
Disposició horitzontal
Disposició vertical
L’herba, els arbusts o els arbres tenen una disposició vertical sobre el terreny, mentre que branques i troncs morts caiguts, fulles mortes i brossa en general tenen una disposició horitzontal.Els combustibles disposats horitzontalment són un factor determinant en la propagació de l’incendi. Si es troben molt dispersos, serà difícil la propagació de l’incendi; per contra si estan distribuïts de manera contínua i uniforme la propagació de l’incendi estarà pràcticament assegurada.
La disposició vertical dels combustibles determina quina part d’ells es veuen involucrats en l’incendi. Si hi ha continuïtat vertical, l’incendi pot passar fàcilment del sotabosc cap a les capçades, fet que pot comportar un canvi significatiu en el comportament de l’incendi.
Els combustibles forestals solen classificar-se en tres grups segons la seva distribució vertical en el terreny, ja que el foc es comporta molt diferent en cada un d'aquests estrats:
-
Combustibles de sòl
-
Combustibles de superfície
-
Combustible aeri o de capçades
En les fases de combustió s’ha vist que el contingut d’aigua d’un sòlid afecta el procés d’ignició. Durant la combustió, part de la calor generada s’utilitza per deshidratar el combustible adjacent el que s'està cremant. Si aquest conté molta aigua, es necessitarà molta energia per evaporar-la. Si l’energia alliberada en la combustió no és suficient per evaporar l’aigua, la ignició no podrà tenir lloc i la combustió s’aturarà. El contingut d’humitat és, per tant, un factor clau en la propagació dels incendis forestals.
En un material sòlid el contingut d’humitat s’expressa com a massa d’aigua per unitat de massa del material totalment sec (després d’estar unes hores a l’estufa a 100±5 ºC).
Ara bé, en el cas dels sòlids cal tenir presents una sèrie de consideracions relacionades amb l’equilibri entre fases. Quan un material s’exposa a l’aire a una temperatura i humitat determinades, aquest material perdrà o guanyarà aigua fins que s’estableixin unes condicions d’equilibri. La humitat corresponent a aquest equilibri ⎯humitat d’equilibri⎯ varia àmpliament amb la humitat relativa de l’aire.
El fet que la humitat dels combustibles forestals depengui de les condicions ambientals fa que sigui un paràmetre difícil de determinar per culpa de la seva gran variabilitat temporal. Les condicions ambientals varien al llarg del dia i per tant l’equilibri a assolir també. Això fa que en general el combustible es trobi en un estat transitori permanent, buscant una situació d’equilibri que va canviant.
La humitat dels combustibles forestals també depèn del seu estat, si són morts o vius i, en aquest darrer cas, de l’estat vegetatiu en què es trobin. En general els combustibles que tenen menys d’un 30% d’humitat (punt de saturació de la fibra) es consideren morts. Els combustibles vius poden tenir humitats des del 30% fins al 300%.
Humitat dels combustibles forestals morts: La humitat dels combustibles forestals morts depèn lògicament de les condicions meteorològiques: pluja, vent, temperatura i humitat de l’aire. La fusta (troncs) absorbeix aigua mentre la seva superfície estigui mullada (és a dir mentre vagi plovent), per tant la seva humitat dependrà més de la durada de la pluja que de la quantitat que en cau. En canvi la humitat dels combustibles disposats en forma de capa sobre el sòl (humus, fulles, etc.) depèn sobretot de la quantitat de pluja caiguda, ja que el sòl reté la major part de l’aigua caiguda que podrà anar difonent lentament cap al combustible encara que hagi parat de ploure.
El vent contribueix sobretot en l’assecament dels combustibles, arrossegant les partícules de vapor que s’estiguin alliberant. L’efecte sol ser més important en partícules de diàmetre petit (major relació superfície-volum) que en combustibles de diàmetres grans o disposats en capes sobre el sòl.
La temperatura de l’aire afecta tant la seva humitat com la seva pressió de vapor i per tant afecta la humitat d’equilibri. Com més elevada és la temperatura del combustible menor la humitat relativa de l’aire que l’envolta i per tant menor la humitat d’equilibri, cosa que alhora afavoreix l’assecament del combustible. La temperatura del combustible depèn de l’hora del dia, de l’angle del sol, del nivell d’insolació, etc.
La humitat relativa afecta sobretot els combustibles de diàmetre petit. Els canvis que es poden produir al llarg d’un dia afecten relativament poc als combustibles de diàmetres grans. Aquests només es veuran afectats per la humitat relativa quan es produeixin períodes llargs sense precipitació.
La manera com un combustible forestal mort reacciona davant els canvis meteorològics buscant la humitat d’equilibri, depèn de diversos factors: característiques del combustible, posició respecte del sòl i topografia del terreny on es trobi.
Les característiques del combustible més importants són la composició del material (si es tracta de tronc, fulles, herba, etc.) i les seves dimensions (diàmetre dels troncs, gruix de capa per a llits de fulles o gespa). Els troncs reaccionen de manera individual als canvis meteorològics en funció de la seva porositat (com més porós més fàcilment guanyarà o perdrà aigua) i el seu estat de descomposició (com més descompost estigui més porositat). Les fulles i tots aquells combustibles que es disposin formant una capa, reaccionen de manera conjunta als canvis meteorològics en funció de la porositat del llit que formin i de la profunditat a la qual es trobin.
El comportament també serà diferent en funció de si el combustible es troba directament sobre el sòl (fulles caigudes) o per sobre d’ell (fulles mortes penjant de l’arbre) i en funció de si es troba en una zona oberta o ombrívola. Els que es troben sobre el sòl es veuran afectats també per la humitat d’aquest, mentre que els aeris estaran més exposats al vent i al sol.
La topografia afecta també el contingut d’humitat. Els combustibles estaran menys exposats al sol a les cares nord de les muntanyes i per tant el contingut d’humitat tendirà a ser superior. Les que es troben a més altitud també tindran més humitat, ja que la temperatura sol ser més baixa i la humitat més alta.
En funció doncs de tots aquests factors, el temps que tardarà un combustible en assolir la humitat d’equilibri variarà. Això fa que s’hagi definit el concepte de temps de resposta (Fosberg, 1970) a vegades també anomenat temps de retard (en terminologia anglesa timelag period).
Temps de resposta (timelag period: El temps de resposta és el temps que tarda un combustible mort en un ambient a 26,7ºC (80 F) i una humitat relativa del 20% (Schroeder and Buck, 1970) en assolir el 63% de la diferència entre la humitat inicial i la humitat d’equilibri en les condicions ambientals fixades. El temps de resposta és una característica del combustible (que depèn bàsicament de la mida d’aquest) i es pot expressar en minuts, hores o dies.
Alguns autors (Lancaster, 1970; Deeming et al., 1977) han classificat els combustibles en funció del temps de resposta i de la seva mida (Taula 1.1). Aquesta classificació s’ha utilitzat sobretot en la definició dels índexs de risc i en els models de propagació d’incendis forestals.
Taula 1.1. Classificació dels combustibles segons la relació entre la seva mida i el temps de resposta
Humitat dels combustibles forestals vius: Els combustibles forestals vius poden retardar, aturar o contribuir a la propagació del foc en funció del seu contingut d’humitat. Mentre la humitat dels combustibles forestals morts depèn bàsicament de les condicions meteorològiques, en els combustibles vius depèn a més, i de forma important, del seu cicle vegetatiu, el qual varia d’una espècie a una altra i en totes elles depèn de la variabilitat estacional.
La millor manera de determinar el contingut d’humitat d’un combustible forestal viu és agafant-ne una mostra i mesurant-la. Nogensmenys, això acostuma a ser complicat sobretot en zones de difícil accés o quan s’està desenvolupant un incendi. En aquests casos la manera més ràpida de disposar d’un valor aproximat és a partir de les dades de la taula 1.2 (Rothermel, 1983)
Taula 1.2. Valors aproximats de la humitat dels combustibles forestals vius segons l’etapa del cicle vegetatiu en què es trobin.
En general pels combustibles de tipus herbaci se sol considerar que en les pitjors condicions (èpoques de l’any més seques) tenen continguts d’humitat inferiors al 30% i es tracten com els combustibles morts. Ara bé, en estacions humides o quan el combustible està molt verd, aquesta suposició deixarà de ser certa.