Análise multifractal de séries temporais de focos de calor no Brasil

Queimadas e incêndios florestais atingem milhões de hectares de terras brasileiras, causando graves consequências ecológicas, sociais e econômicas, incluindo emissões de gases do efeito estufa, perda de biodiversidade, erosão do solo, etc. Para estabelecer métodos eficientes para prevenção e supressão do fogo, importantes para proteção do meio ambiente, é necessário conhecer onde, quando e porquê os incêndios ocorrem, a área queimada e como se iniciam e se propagam. Atualmente, vários satélites são disponibilizados para monitoramento das características do fogo: áreas de risco, incêndios atualmente ativos, área queimada, fumaça e emissão de gases. Focos de calor são pixels na imagem de satélite, com intensidade infravermelha correspondente a vegetação queimada. Dependendo da resolução, um foco pode representar uma queimada ou parte de um incêndio maior. O número de focos combinado a outras informações fornecidas pelos satélites pode ser usado para estimar a área queimada, e prever as consequências ecológicas e econômicas. Neste trabalho, foi estudada a dinâmica de focos de calor detectados no Brasil pelo satélite NOAA-12, durante o período 1998-2007, utilizando o método Multifractal Detrended Fluctuation Analysis, desenvolvido para detecção e quantificação das propriedades mutifractais das séries temporais não estacionárias. Foram calculados o expoente generalizado de Hurst h(q), o expoente Renyi (q) e o espectro de singularidade f( ). Os resultados mostraram a existência de correlações de longo alcance, caracterizadas por uma hierarquia dos expoentes de escala, conseqüência de um processo estocástico multifractal. Baseado nos resultados empíricos, também foram mostrados que o Multifractal Cascade Model pode ser usado para gerar séries artificiais dos focos de calor. A propriedade multifractal da dinâmica dos focos de calor poderá ser incorporada em modelos teóricos e simulações computacionais de dinâmica de incêndios e fenômenos relacionados.Vegetation and forest fires affect millions of hectares of Brazilian land and have severe ecological, social and economic consequences, including emissions of green house gases, loss of biodiversity, soil erosion etc. To establish efficient methods for prevention and suppression of fires, which is crucial for preservation of environment, it is necessarily to know the spatial location and time of occurrence of fires, burned area, why they occur, and how they initiate and propagate. Several satellite systems are currently available for monitoring different fire characteristics: dry areas that are susceptible to fire, actively flaming fires, burned area and smoke, and trace gas emissions. Hot pixels are satellite image pixels with infrared intensity corresponding to burning vegetation. Depending of image resolution, a hot pixel may represent one fire, or a part of a larger fire. Together with other satellite data, the number of hot pixels can be used to estimate the burned area and predict environmental and economics consequences. In this work we study the dynamics of hot pixels detected in Brazil by satellite NOAA-12 during the period 1998-2007, using the method Multifractal Detrended Fluctuation Analysis, which serves to detect and quantify multifractal properties of non-stationary temporal series. We calculate the generalized Hurst exponent h(q), Renyi exponent (q) and singularity spectrum f( ). The results show the existence of power-law long-term correlations that are described by a hierarchy of scaling exponents, which is the consequence of an underlying multifractal stochastic process. Based on this empirical result we also show that the Multifractal Cascade Model can be used to produce synthetic data for hot pixels dynamics. The observed multifractal property of temporal series of hot pixels should be incorporated in theoretical models and computer simulations of the fire dynamics and related phenomena.Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNP