Byens varmeø-effekter afhænger af en bys layout

Arrangementet af en bys gader og bygninger spiller en afgørende rolle for den lokale varmeø-effekt, som får byer til at være varmere end deres omgivelser, forskere har fundet. Det nye fund kunne give byplanlæggere og embedsmænd nye måder at påvirke disse effekter på.

Nogle byer, som New York og Chicago, er lagt ud på et præcist gitter, som atomerne i en krystal, mens andre såsom Boston eller London er arrangeret mere kaotisk, ligesom de uordnede atomer i en væske eller et glas. Forskerne fandt ud af, at de "krystallinske" byer havde en langt større opbygning af varme sammenlignet med deres omgivelser, end de "glaslignende" havde.

Studiet, offentliggjort i dag i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve , fandt disse forskelle i bymønstre, som de kalder "tekstur, " var den vigtigste determinant for en bys varmeø-effekt. Forskningen blev udført af MIT og National Center for Scientific Research seniorforsker Roland Pellenq, som også er direktør for et fælles MIT/CNRS/Aix-Marseille Universitetslaboratorium kaldet (MSE)2 (MultiScale Material Science for Energy and Environment); professor i civil- og miljøteknik Franz-Josef Ulm; forskningsassistent Jacob Sobstyl; (MSE)2 seniorforsker T. Emig; og M.J. Abdolhosseini Qomi, assisterende professor i civil- og miljøteknik ved University of California i Irvine.

Varmeø-effekten har været kendt i årtier. Det skyldes hovedsageligt, at bybygningsmaterialer, såsom beton og asfalt, kan absorbere varme i løbet af dagen og udstråle den tilbage om natten, meget mere end områder dækket med vegetation gør. Effekten kan være ret dramatisk, tilføjer så meget som 10 grader Farenheit til nattetemperaturer på steder som Phoenix, Arizona. På sådanne steder kan denne effekt betydeligt øge sundhedsproblemer og energiforbrug i varmt vejr, så en bedre forståelse af, hvad der producerer det, vil være vigtigt i en tid, hvor stadig flere mennesker bor i byer.

Holdet fandt ud af, at brug af matematiske modeller, der blev udviklet til at analysere atomare strukturer i materialer, giver et nyttigt værktøj, fører til en ligetil formel til at beskrive den måde, en bys design ville påvirke dens varmeø-effekt, siger Pellenq.

"Vi bruger værktøjer fra klassisk statistisk fysik, " forklarer han. Forskerne tilpassede formler, der oprindeligt blev udtænkt til at beskrive, hvordan individuelle atomer i et materiale påvirkes af kræfter fra de andre atomer, og de reducerede disse komplekse sæt af relationer til meget enklere statistiske beskrivelser af de relative afstande af nærliggende bygninger til hinanden. De anvendte dem derefter på mønstre af bygninger bestemt ud fra satellitbilleder af 47 byer i USA og andre lande, i sidste ende ender med et enkelt indekstal for hver - kaldet den lokale ordensparameter - der spænder mellem 0 (total uorden) og 1 (perfekt krystallinsk struktur), at give en statistisk beskrivelse af klyngen af ​​nærmeste naboer til en given bygning.

For hver by, de skulle indsamle pålidelige temperaturdata, som kom fra en station i byen og en anden uden for den, men i nærheden, og derefter bestemme forskellen.

For at beregne denne lokale ordreparameter, fysikere er typisk nødt til at bruge metoder som at bombardere materialer med neutroner for at lokalisere atomernes positioner i dem. Men for dette projekt, Pellenq siger, "For at få bygningspositionerne bruger vi ikke neutroner, bare Google maps." Ved hjælp af algoritmer udviklede de til at bestemme parameteren fra bykortene, de fandt, at byerne varierede fra 0,5 til 0,9.

Forskellene i opvarmningseffekten ser ud til at skyldes den måde, bygninger genudstråler varme på, som derefter kan genabsorberes af andre bygninger, der vender direkte mod dem, holdet bestemte.

Især for steder som Kina, hvor nye byer hurtigt bliver bygget, og andre regioner, hvor eksisterende byer ekspanderer hurtigt, oplysningerne kan være vigtige at have, han siger. På varme steder, byer kunne designes til at minimere den ekstra opvarmning, men på koldere steder kan effekten faktisk være en fordel, og byer kunne udformes derefter.

"Hvis du planlægger en ny sektion af Phoenix, " Pellenq siger, "du ønsker ikke at bygge på et gitter, da det allerede er et meget varmt sted. Men et sted i Canada, en borgmester kan sige nej vi vælger at bruge gitteret, for at holde byen varmere."

Effekterne er betydelige, han siger. Holdet evaluerede alle staterne individuelt og fandt, for eksempel, at i staten Florida alene forårsager bymæssige varmeø-effekter en anslået 400 millioner dollars i ekstra omkostninger til aircondition. "Dette giver en strategi for byplanlæggere, " siger han. Selvom det generelt er nemmere at følge et gittermønster, med hensyn til placering af forsyningsledninger, kloak- og vandrør, og transportsystemer, på steder, hvor varme kan være et alvorligt problem, det kan være de ekstra komplikationer værd for et mindre lineært layout.

Denne undersøgelse tyder også på, at forskning i byggematerialer kan tilbyde en vej frem til korrekt styring af varmeinteraktion mellem bygninger i byernes historiske centrumområder.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.