Города и эффект острова тепла

*

Интересное исследование архитектуры городов провели американские ученые, они выясняли, как расположение городских улиц и зданий на них влияют на температуру внутри мегаполисов. Об этом вряд ли задумывались строители и проектировщики, но в итоге имеющаяся конфигурация застройки приводит к тому, что внутри городов жарче, чем снаружи. Выводы исследователей могут заинтересовать специалистов и станут еще одним фактором при выборе тех или иных решений застройки.

Некоторые города (как правило построенные сравнительно недавно), такие как Нью-Йорк и Чикаго, имеют четкую структуру планировки, они как бы наложены на прямоугольную сетку. Другие мегаполисы, такие как Лондон или Бостон застроены хаотично и расположение улиц у них не выражает закономерностей.

Результаты исследования, опубликованные недавно сотрудниками Массачусетского технологического института и калифорнийского университета в издании “Physical Review Letters”, показало, что эти различия в городских моделях, или как они их назвали - уличные “текстуры”, стали наиболее важным фактором, определяющим эффект повышенного нагрева воздуха в городе.

В урбанистике этот эффект известен давно и носит название “острова тепла” (heat island effect). Связывают его в основном с тем, что традиционные строительные материалы, применяемые в городах, такие как бетон и асфальт, поглощают солнечное тепло в течение дня и излучают его после заката в количествах гораздо больших, чем окружающие районы, покрытые растительностью. Эффект может быть настолько сильным, что ночные температуры в городе Феникс (штат Аризона) больше на несколько градусов (до десяти градусов по Фаренгейту). Это прямо влияет на здоровье жителей, а также увеличивает потребление электроэнергии, используемой для охлаждения домов.

*

Команда обнаружила, что можно использовать математические модели, разработанные для анализа атомных структур материалов, и для исследования эффекта теплового острова, в итоге они получили в явном виде зависимость плана застройки и увеличения температуры внутри города.

Авторы объяснили, что они взяли инструменты классической статистической физики и адаптировали для новой области формулы, первоначально разработанные для описания того, как отдельные атомы в материале воздействуют друг с другом. В итоге сложные множества взаимодействий свелись к более простым статистическим описаниям относительных расстояний соседних зданий друг относительно друга. После этого они применили полученные зависимости к матрицам зданий, заполненных по спутниковым изображениям почти пятидесяти крупных городов США и других стран. В конечном итоге получили некий индекс хаотичности от 0 (полный беспорядок) до 1 (идеальная “кристаллическая” структура), статистически описывающий расположение зданий во всем городе.

Чтобы вычислить этот параметр для материалов, физикам обычно приходится использовать такие методы, как бомбардировка нейтронами для определения местоположения атомов внутри. Для городов, к счастью, потребовались только google-карты. Получившиеся значения коэффициента варьировались от 0,5 до 0,9.

После этого для этих же городов собрали данные о температурах внутри и снаружи, разница и определяла насколько велик эффект острова тепла. Различия в нагреве, по-видимому, возникают из-за того, что отраженное от зданий тепло солнца поглощается в том числе и соседними строениями, стоящими неподалеку. Таким образом происходит дополнительный их нагрев. И в структурах городов с четкой планировкой и стоящими рядом зданиями эффект будет больше.

Новые данные пригодятся при проектировании новых районов и городов - например в Китае сейчас очень много таких проектов. В жарких местах нужно уменьшать упорядоченность застройки, а в северных странах можно наоборот увеличивать, таким образом сохраняя тепло. Подобно тому как животные греются в мороз друг о друга, также и здания расположенные рядом немного, но согревают соседа.

Сила эффекта весьма значительна, например, только в штате Флорида последствия повышенного нагрева зданий выливаются в издержки на охлаждение воздуха кондиционерами примерно на 400 миллионов долларов в год. Это огромные затраты, которые можно снизить при грамотном проектировании территорий застройки. Хотя в целом заказчикам выгоднее следовать прямоугольной схеме - инфраструктура (транспорт, инженерные сети) проектируется очень просто, но потом эксплуатация такого города будет выливаться в дополнительные затраты. Дополнительной выгодой будет использование при строительстве новых материалов - они могут либо поглощать тепло больше, чем обычные, либо наоборот больше его отражать, а может быть это будет переменный параметр? Дело за будущим.

*