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Lisana Katia Schmitz Universidade Federal do Paraná lkschmitz@ufpr.br INCREMENTO DA VENTILAÇÃO URBANA ATRAVÉS DO ESTUDO DA RUGOSIDADE E DA POROSIDADE DO CONJUNTO Francine Aidie Rossi Universidade Federal do Paraná rossi@ufpr.br 1260 9o CONGRESSO LUSO-BRASILEIRO PARA O PLANEJAMENTO URBANO, REGIONAL, INTEGRADO E SUSTENTÁVEL (PLURIS 2021 DIGITAL) Pequenas cidades, grandes desafios, múltiplas oportunidades 07, 08 e 09 de abril de 2021 INCREMENTO DA VENTILAÇÃO URBANA ATRAVÉS DO ESTUDO DA RUGOSIDADE E DA POROSIDADE DO CONJUNTO L. K. SCHMITZ, F. A. ROSSI RESUMO A estrutura fundiária de Curitiba é caracterizada por uma grande quantidade de lotes bastante estreitos, sujeitos a afastamentos de um sexto da sua altura, resultando em afastamentos de apenas dois metros, permitidos em legislações anteriores. No sentido de investigar as possibilidades de incremento da ventilação, sobretudo no miolo das quadras, o presente trabalho desenvolveu simulações microclimáticas de quadras existentes e de quadras experimentais, avaliando a aplicação dos parâmetros de uso e ocupação do lote. Deu-se ênfase a simulação da influência da rugosidade e da porosidade sobre diferentes padrões de ocupação a fim de incrementar a ventilação. Utilizando-se o software Envi-met, versão 4.4.5, foram feitos cenários e criados diferentes modelos cujas simulações retornaram incrementos na velocidade do ar no interior das quadras em percentuais significativos, reiterando a importância do estudo da rugosidade e especialmente da porosidade para maximizar a ventilação que chega aos edifícios, miolos de quadra e espaços livres urbanos. 1 INTRODUÇÃO A urbanização e a diminuição das áreas verdes nas cidades impactam nas alterações climáticas, impactando na temperatura do ar, regime regional dos ventos e no conforto térmico, dentre outros. Da mesma forma, as características urbanas de rugosidade e porosidade exercem influência na ventilação local, no conforto térmico e na qualidade do ambiente urbano. A mudança na rugosidade do solo causa a redução na velocidade do ar na cidade frente à envolvente, gerando um aumento de 5 a 20% no número de dias calmos e uma redução na velocidade média entre 20 e 30%, sendo essa mais evidente nas áreas centrais (BARRY; CHORLEY, 1985). A modificação na rugosidade também interfere no gradiente vertical de velocidades, assim como a formação de ilhas de calor e a topografia influenciam o regime de ventos urbanos, produzindo microbrisas ou circulações secundárias ligadas à orografia (FARIÑA, 2009). A velocidade do ar está diretamente ligada ao conforto térmico e a combinação dos efeitos mecânicos e térmicos do vento na cidade tem importante influência no microclima urbano e, por conseguinte, no bem-estar das pessoas nos espaços livres. A orientação das vias e razão entre altura e largura (H/W) dos cânions urbanos são os principais aspectos que influenciam no microclima urbano, afetando o balanço energético no cânion, as temperaturas superficiais, o acesso solar e a ventilação urbana (ALI- TOUDERT, MAYER, 2006). O ambiente construído afeta a permeabilidade ao vento, podendo resultar em áreas com grande circulação do ar ou bloqueando a ventilação. O gradiente vertical de ventilação urbana é menor em áreas mais verticalizadas e adensadas, em função do efeito da fricção do ar com as superfícies construídas (GIVONI, 1998). Em função dessa redução de velocidade do ar, há significante limitação para se conseguir apropriada ventilação natural em ambientes urbanos adensados (SANTAMOURIS, 2001). Em áreas consolidadas, com a orientação das vias estabelecida, é possível analisar diferentes padrões de porosidade e rugosidade e sugerir parâmetros de ocupação que possam auxiliar na melhoria da qualidade do ambiente urbano. Além da melhoria do ambiente térmico urbano, o entendimento do padrão de fluxo e velocidade do vento em cânions urbanos associado com um desenho apropriado, podem ajudar aumentar o potencial e ventilação natural das edificações e diminuir o consumo energético para climatização artificial. A definição de parâmetros urbanos, que permitam maior porosidade e rugosidade de ocupação, podem potencializar a ventilação urbana e os níveis de conforto (BARBIRATO et al., 2015, CHATZIDIMITRIOU et al. 2016, SHARMIN et al., 2017) A rugosidade e a porosidade podem ser avaliadas a partir da razão H/W. A razão H/W considera que a proporção de altura das edificações e largura da via ao longo do comprimento da via é homogênea. Porém, o ambiente urbano é heterogêneo e os efeitos da heterogeneidade são pouco estudados (BARLOW, 2014). Sharmin et al., 2017 afirmam que analisar o microclima da cidade sem levar em consideração a diversidade física pode levar a resultados imprecisos e que a consideração dessas diferenças podem ser a chave para entender as diferenças de comportamento térmico entre o dia e a noite. Várias pesquisas, por meio de simulação computacional, avaliaram a influência de diferentes parâmetros urbanos no conforto térmico urbano. Parâmetros relacionados à rugosidade e porosidade têm diferentes efeitos ao longo do dia, variando temporal e espacialmente (CHATZIDIMITRIOU et al. 2016). Para localidades de clima quente e úmido, a variação da altura dos edifícios ao longo de cânions urbanos profundos gera melhores condições térmicas se comparados com cânions que apresentam altura uniforme. Isso ocorre em função do sombreamento decorrente das edificações e do aumento de velocidade do ar no nível do pedestre. Entretanto, apesar da melhora térmica durante o dia, há a formação de ilha de calor noturna (CHATZIDIMITRIOU et al. 2016; SHARMIN et al., 2017, JAMEI, RAJAGOPALAN, 2019). Cânions com relação H/W menor que 0,5 apresentam valores de temperatura do ar mais altos se comparados com cânions com H/W maiores que 1 (EMMANUEL, JOHANSSON, 2006, ALI-TOUDERT, MAYER, 2006, MUNIZ-GÄAL et al. 2018, JAMEI, RAJAGOPALAN, 2019). O sombreamento causado pelas edificações diminui os valores de temperatura do ar e melhora o nível de conforto no nível do pedestre no verão (CHATZIDIMITRIOU et al. 2016, MUNIZ-GÄAL et al. 2018). Em situações de baixa relação H/W o uso da vegetação no cânion é recurso favorável para o melhoramento do clima e a diminuição do estresse térmico (MUNIZ-GÄAL et al. 2018). Os níveis de conforto térmico também melhoram em situações com vias orientadas entre 30° e 60° em relação ao norte (DE, MUKHERJEE, 2018). Essa mesma orientação em relação à direção dominante do vento é mais efetiva para garantir os níveis de conforto térmico (GIVONI, 1994, DE, MUKHERJEE, 2018). De modo geral, ocupações que propiciam rugosidade e porosidade melhoram a ventilação urbana em localidades de clima quente e úmido (NG et al., 2006; MACIEL, 2018). Desta forma, a ocupação urbana com vazios entre edificações e com edificações com alto gabarito permitem a penetração máxima do vento. Maior velocidade do vento melhora o conforto térmico ao ar livre, melhora a ventilação passiva de edifícios e ajuda na dispersão de poluentes por mistura de ar (DE, MUKHERJEE, 2018). Barbirato et al. (2015) afirmam que para potencializar o aproveitamento das estratégias bioclimáticas, em climas quente e úmido, deve-se estimular a baixa ocupação do solo e aumentar o coeficiente de aproveitamento. Para localidades de clima quente e úmido, o sombreamento das calçadas, a potencialização da ventilação urbana e o espaçamento entre edificações, são estratégias que melhoram o conforto térmico no nível do pedestre e nas edificações. Entretanto, em cidades de clima temperado, como o caso de Curitiba, com diferentes condições térmicas ao longo do ano, há a necessidade de se pensar soluções que potencializem as estratégias passivas para as diferentes condições climáticas. Como por exemplo, a necessidade de ventilação no verão e aquecimento no inverno (ASSIS,FROTA, 1999). Assim, é essencial o entendimento e a avaliação do impacto que diferentes situações de ocupação do solo podem gerar no microclima e no conforto térmico. A definição de parâmetros urbanísticos de uso e ocupação do solo deve levar em consideração as peculiaridades climáticas de cada localidade e a dinâmica de interação clima/ocupação urbana. Para tal, o uso de ferramentas de simulação computacional se torna essencial, pois possibilita a geração de diferentes alternativas de ocupação, possibilitando a definição de parâmetros que melhorem a qualidade do ambiente urbano. 2 OBJETIVO Tendo em vista o conforto urbano nos espaços livres o presente estudo investiga o efeito da rugosidade e da porosidade do conjunto edificado sobre a ventilação urbana, buscando demonstrar diferentes cenários nos quais a morfologia de ocupação das quadras pode favorecer a ventilação entre edifícios, miolos de quadra e demais espaços livres. 3 MATERIAIS E MÉTODO O recorte espacial engloba a cidade de Curitiba, a partir da seleção de algumas áreas, as quais, em virtude de zoneamento específico tem o padrão de ocupação de lotes e quadras fortemente influenciados por parâmetros de uso e ocupação do solo da Lei nº 15.511/2019 (que Dispõe sobre o zoneamento, uso e ocupação do solo no Município de Curitiba e dá outras providências), tais como: potencial construtivo, taxa de ocupação do lote dada pelas edificações, recuo do alinhamento predial em relação às ruas, afastamentos das divisas, altura máxima permitida e taxa de permeabilidade do lote. O recorte temporal abarca o momento presente, referindo-se a variáveis climáticas de 18 de fevereiro de 2020, dia em que a temperatura do ar variou entre 20,6º C (07h00) e 32,5º C (15h00), a velocidade do vento situou-se entre 0,2 m/s (07h00) 3,9 m/s (12h00) e a umidade relativa do ar oscilou entre 42% (15h00) e 85% (00h00) de acordo com dados do Instituto Nacional de Meteorologia (INMET, 2020). Foram selecionadas quadras oriundas de zoneamentos que contemplam usos mistos, mas que atualmente são majoritariamente habitacionais: a) Zona Residencial 1, tipicamente habitacional unifamiliar, com potencial de uma vez a área do lote e altura de dois pavimentos e b) Zona Residencial 4, de habitação coletiva vertical com aproveitamento de duas a duas vezes e meia a área do lote e altura máxima entre seis e oito pavimentos e c) uma área de Ocupação Subnormal, situada na Área de Proteção Ambiental do Rio Iguaçu, de ocupação controlada. Na tabela 1 são apresentados os principais parâmetros de uso e ocupação. Tabela 1 Parâmetros de uso e ocupação dos lotes nas quadras selecionadas Zoneamento Potencial construtivo Taxa de ocupação Recuo do alinhamento predial Afastamento das divisas Altura máxima Taxa de permeabilida- de do lote Zona Residencial 1 (ZR1) 1 50% da área 5 m 1,5 m abertura de janelas 2 pavtos. 25% da área Zona Residencial 4 (ZR4) 2 ou 2,5 50% da área 5 m 2,5 m térreo e 2º pavto, h/6 para os demais e mín. de 2,5 m. 6 ou 8 pavtos. 25% da área Ocupação Subnormal Área de Proteção Ambiental do Rio Iguaçu – ocupação controlada Os dados cartográficos e cadastrais foram obtidos junto ao Instituto de Pesquisa e Planejamento Urbano de Curitiba (IPPUC) disponibilizados pelo setor de Geoprocessamento em formatos compatíveis com os softwares de geoprocessamento e datados de 2019, também foram utilizados os dados cadastrais (sistema viário, lotes, fotografias aéreas ortoretificadas etc.) portal do Mapa Cadastral também mantido pelo IPPUC. Os dados climáticos, foram obtidos do Banco de Dados Meteorológicos (BDMEP) mantido pelo Instituto Nacional de Meteorologia (INMET). 3.1 Caracterização da área de Estudo A cidade de Curitiba tem sua forma urbana diretamente influenciada pelos padrões de uso e ocupação do solo previstos em sua legislação, criando um núcleo de forma tentacular ao longo dos eixos de transporte público (correspondentes aos Setores Especiais Estruturais) que abrigam os edifícios mais altos e o gradiente de altura se reduz rumo às periferias e aos interstícios gerados pela forma tentacular. Formam-se cânions que hora canalizam os ventos e hora funcionam como barreiras, reduzindo-os significativamente. O clima pertence ao grupo C – Mesotérmicos Controlados por Massas de Ar Tropicais e Polares, denominado CW – Tropical de Altitude com Inverno Seco e Chuvas de Verão, sendo do tipo Cfb com verão fresco. Apresenta médias térmicas de 12,9º C no mês mais frio e 22,5º C no mês mais quente e precipitações médias anuais que atingem 160 mm, com ocorrência frequente de geadas severas no inverno (MENDONÇA e DANNI-OLIVEIRA, 2007). Os ventos dominantes orientam-se pelo quadrante Sudeste-Leste-Nordeste no verão e pelo quadrante Nordeste-Norte-Noroeste no inverno e medianas oscilando entre 1,7 m/s e 2,4 m/s (CASTELHANO; ROSEGHINI, 2018), o período de maior velocidade ocorre entre 12h e 16h, quando os autores observaram um limite superior próximo a 6 m/s e mediana em torno de 2,5 m. 3.2 Metodologia A metodologia baseia-se no Sistema Ambiental Urbano (S.A.U.), um sistema complexo e aberto, subdividido em três subsistemas: natural, construído e social (MENDONÇA, 2004). Os subsistemas Natural e Construído formam o input (entrada), o subsistema Social corresponde aos atributos, podendo esses ser subdivididos numa considerável quantidade de subsistemas ou instâncias. Da interação de subsistemas e subsistemas surgem os problemas ou output (saída) e sua solução consiste na aplicação do sistema, possibilitando a investigação dos cenários climáticos, do microclima e do conforto térmico urbano. O roteiro metodológico da pesquisa contemplou as etapas: a) caracterização da ocupação urbana na área de estudo; b) caracterização do clima urbano; c) simulação climática e determinação do grau de incerteza implícito; d) simulação de cenários de ocupação urbana (existentes e experimentais) e; e) determinação do incremento na ventilação urbana. 3.3 Parâmetros de simulação Os estudos consideraram quadras existentes, fazendo a leitura da ocupação presente, caracterizando-a e analisando o comportamento do vento no conjunto edificado, mas, para conduzir a investigação acerca dos efeitos dos parâmetros de uso e ocupação, foram digitalizadas quadras experimentais (com testada variando entre 12 e 15 m e área entre 360 e 600 m2, testada e área compatíveis com os zoneamentos da legislação – ZR1 a ZR4 e Setor Especial Estrutural), consideradas as dimensões de lotes mais frequentes na cidade. Verificou-se, na base cadastral do IPPUC, que 243.400 lotes possuem áreas iguais ou inferiores a 600 m2 num total de 308.638 lotes cadastrados, ou seja, 78,86% do total de lotes. Os modelos de edifícios foram desenhados de modo a utilizar o potencial construtivo máximo, respeitando taxa de ocupação do lote, área permeável, recuo do alinhamento predial, afastamento das divisas (para térreo, sobreloja e demais pavimentos), além da altura máxima. Nas unificações de lotes, deu-se prioridade a melhores condições de insolação e prevaleceu o respeito a todos os condicionantes legais. Nas simulações foi utilizado o Envi-met 4.4.5, no qual foram configurados os valores de temperatura e umidade do ar horários para o dia 18 de fevereiro de 2020, os quais variaram entre 20,6º C (07h00 min) e 32,5º C (15h00 min) no caso da temperatura do ar e entre 42% (15h00 min) e 85% (00h00 min) para a umidade relativa do ar. A velocidade do ar situou-se entre 0,2 m/s (07h00 min) 3,9 m/s (12h00 min), como a simulação teve início às 04h00 min a velocidade do ar foi de 1,0 m/s (considerada a redução para a área urbana pela equação de Santamouris [2001]). A resolução aplicada aos modelos, para incluir a ventilação entreos blocos, foi de 1,25 m (x) x 1,25 m (y) x 3,0 (z) no caso do zoneamento ZR4 e de 1,0 m (x) x 1,0 m (y) x 3,0 m (z) para as áreas de habitação unifamiliar (ZR1). Foram necessárias oito simulações do modelo-base para obtenção de correlação de 0,95 pelo teste estatístico de Pearson. A partir de então, foram utilizadas as proporções e valores das variáveis climáticas para todas as simulações. 4 DISCUSSÃO DOS RESULTADOS A ocupação voltada para a habitação unifamiliar, ocorre principalmente nas zonas habitacionais ZR1 e ZR2, as quais possuem parâmetros de uso e ocupação bastante similares, diferenciando-se pelo fato da ZR1 ser voltada para um padrão de área superior ao da ZR2. Entretanto, ambas convergem para um fenômeno que vem ocorrendo frequentemente que é a construção geminada, permitida sempre que não houver aberturas para as divisas. Esse modelo, apresentado na Fig. 1C acaba, quando muito repetido numa quadra, gerando enclaves que barram totalmente a ventilação, reduzindo sobremaneira a velocidade do ar (Va). No modelo existente, Fig. 1A, observa-se tanto a existência de casas geminadas como de edículas nos fundos dos lotes, em ambos os casos prejudicando a ventilação intralotes. A ZR1 existente Va min. 0,0 m/s Va máx. 1,24 m/s Corte Y-Z B ZR1 afastamento bilateral Va min. 0,1 m/s Va máx. 0,97 m/s Corte Y-Z C ZR1 Casas geminadas Va min. 0,0 m/s Va máx. 1,12 m/s Corte Y-Z D ZR1 Subnormal Va min. 0,0 m/s Va máx. 1,45 m/s Corte X-Z Fig. 1 Modelos ZR1 e Subnormal de simulação e espacialização dos resultados O melhor fluxo de ventilação é observado no modelo da Fig. 1B, no qual todas as casas respeitam o afastamento mínimo de 1,5 m das divisas e, verifica-se a existência de ventilação entre as edificações e nos fundos do lote. Por fim, em algumas áreas da cidade, especialmente próximas dos mananciais de abastecimento de água, tem se observado a ocupação subnormal, materializada por edificações muito próximas, geralmente justapostas, ocupação e impermeabilização do solo na faixa de 80-90%, como na Fig. 1D, caracterizada pela inexistência de ventilação entre as edificações e no fundo dos lotes. Analisando a faixa de velocidade do ar em cada modelo, constata-se que o modelo mais poroso (Fig. 1B) com afastamento bilateral é aquele que apresenta menor velocidade em geral, até 0,97 m/s, mas a melhor ventilação intralotes. Por outro lado, todos os demais, modelos de baixa permeabilidade, apresentam velocidades máximas superiores a 1,12 m/s reforçando a canalização nas vias. As seções transversais, evidenciam alguma ventilação intralotes nos modelos A e B e as demais reiteram o aumento da velocidade acima do conjunto edificado, embora todas tenham rugosidade muito similar: de 0,15 – 0,2. No caso das simulações para as quadras de Zona Residencial 4 (ZR4), observou-se que uma padronização na legislação conduzindo a uma replicação de edifícios, pautados pelos parâmetros da legislação como tem acontecido frequentemente, conduz a uma uniformidade que é prejudicial a ventilação. Verifica-se que no caso da quadra existente (Fig. 2A), em virtude da existência de residências e lotes de formas irregulares, houve um padrão mais dinâmico na ventilação; o que já não se observa nos modelos experimentais (Fig. 2B a 2D), nos quais apesar do aumento da porosidade, isso não se reflete no interior da quadra (possivelmente em face da locação dos edifícios e de sua maior fachada frente aos ventos dominantes). Por outro lado, a rugosidade, variando de 0,6 a 0,8 não mostrou impacto que pudesse ser identificado nos resultados. A partir da abertura dos valores de ventilação, verificou-se que, apesar das estratégias de unificação dos lotes ZR4 ampliarem o distanciamento das torres substancialmente, em muitos casos duplicando o afastamento mínimo de 2,5 para 5,0 m, ainda assim a velocidade do ar entre os edifícios e no centro da quadra (receptor posicionado no centro da quadra) foi inferior a velocidade que os receptores norte e sul retornaram, observando-se claramente a canalização pelas vias (Tabela 2). A exceção foi o modelo de 8 pavimentos, o qual, apesar do valor do receptor ser mais baixo, a espacialização mostra uma área de ventilação de 0,39 a 0,73 m/s conforme a Fig. 1B. Reforçando a constatação de que os modelos que facilitam a ventilação, com menores impedimentos, como no caso dos edifícios de oito pavimentos, a ventilação intralotes, no miolo da quadra, chega a ser o dobro dos outros modelos que estão situados na faixa de 0,15 a 0,30 m/s enquanto que neste a variação é de 0,3 a 0, 6 m/s. Tabela 2 Velocidade média do ar nos receptores de saída ZR4 Simulação Rec. Norte Rec. Sul Rec. Central Rec. Leste Rec. Oeste Quadra existente 0,62 0,82 0,20 0,15 0,12 ZR4 6 pavtos. 0,67 0,87 0,20 0,17 0,12 ZR4 6 pavtos unificados 0,83 0,83 0,32 0,55 0,21 ZR4 8 pavtos 0,78 0,85 0,10 0,37 0,05 ZR4 8 pavtos unificados 0,84 0,86 0,19 0,55 0,50 A Va min. 0,01 m/s Va máx. 1,48 m/s ZR4 existente Corte X-Z B Va min. 0,01 m/s Va máx. 1,43 m/s ZR4 com 6 pavimentos Corte X-Z C Va min. 0,0 m/s Va máx. 1,37 m/s ZR4 com 6 pavimentos e unificação Corte X-Z D Va min. 0,01 m/s Va máx. 1,46 m/s ZR4 com 8 pavimentos Corte X-Z E Va min. 0,01 m/s a máx. 1,51 m/s ZR4 com 8 pavimentos e unificação Corte X-Z Fig. 2 Modelos ZR4 de simulação e espacialização dos resultados. Comparando-se todos os modelos estudados, verifica-se que uma maior porosidade, dada pelo afastamento das divisas, contribui para uma melhor ventilação intralotes, ainda que com velocidades máximas mais baixas, como no caso do modelo ZR1 com afastamento bilateral ou no caso do modelo ZR4 de oito pavimentos, no qual o afastamento entre edifícios é maior. 5 CONCLUSÕES A investigação baseada na realidade curitibana acabou por limitar as opções de ocupação dos lotes, visto que se optou pelo atendimento à legislação de 2019 e o uso de uma estrutura fundiária semelhante àquela encontrada pelos arquitetos no momento de projetar os edifícios. Ainda assim, foi possível verificar, mesmo com valores baixos de velocidade do ar, que a porosidade está diretamente relacionada a melhores níveis de ventilação intralotes e especialmente no miolo das quadras. No caso da habitação de dois pavimentos a diferença é de 37,5% a mais do que nos casos de baixa porosidade, e, nos edifícios de seis a oito pavimentos, chegou ao dobro do verificado nas quadras com baixa porosidade. Os diversos modelos, ainda que apresentassem fatores de rugosidade muito diferenciados, não demonstraram clara relação da rugosidade com a ventilação, mas demonstraram de modo gritante e já sabido, que blocos uniformes de edifícios induzem o fluxo do ar a passar por sobre as coberturas, aumentando a velocidade do ar. Finalmente, apesar de acreditar que os modelos de unificação dos lotes retornariam bons resultados, isso não se verificou, possivelmente pelo maior comprimento orientado perpendicularmente ao fluxo, como barreira para os ventos dominantes, ou pelo desalinhamento dos edifícios, que acabou por gerar barreiras no centro das quadras e não favoreceu o acesso da ventilação ao centro da quadra. Os resultados da simulação, tanto numéricos como na matriz de espacialização do vento, demonstram valores muito baixos, entretanto, considerando a distância entre os edifícios, talvez seja uma limitação da resolução escolhida para o modelo. Novas simulações deverão ser realizadas no intuito de dirimir essa dúvida. 6 REFERÊNCIAS Ali-Toudert, F., Mayer, H. (2006) Effects of street design on outdoor thermal comfort. Landscape, Environmentand Society: studies in honour of Professor Ilona Bárány-Kevei on the occasion of Her Birthday. p. 45-55. Assis, E. S., Frota, A. B. (1999). Urban bioclimatic design strategies for a tropical city. Atmospheric Environment, 33, 4135-4142. Barbirato, G. M., Torres, S. C., Barbosa, E. V. R. (2015). Espaços livres e morfologia urbana: discussões sobre influências na qualidade climática e sustentabilidade urbana a partir de estudos em cidades no estado de Alagoas – Brasil. Paisagem e ambiente: ensaios, 36, p. 49-68. Barlow, J. F. (2014). 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