Перегрев воздуха в городе связали с геометрией уличной сети и высотой зданий

Физики связали перегрев городского воздуха относительно сельской местности с плотностью застройки и высотой зданий. Оказалось, что простая математическая модель, которая учитывает также геометрию уличной сети в городе, достаточно точно предсказывает разницу температур в городе и на природе в разных городах в ночное время, пишут ученые в Physical Review Letters.

Известно, что температура воздуха в городе значительно превосходит температуру в окружающей этот город сельской местности. Этот эффект ученые называют городским островом тепла (urban heat island) и вызван он несколькими причинами: ростом уровня теплового излучения, изменением влажности и интенсивности циркуляции воздуха, а также увеличением теплоемкости среды. Обычно центр острова тепла немного сдвинут относительно центра города в сторону преобладающего направления ветра, однако точное распределение температуры (как пространственное, так и периодическое — с течением времени) зависит от большого числа параметров, среди которых физические свойства поверхности, температура внутри жилых помещений и взаимное расположение источников тепла.

Физики из США и Франции под руководством Ролана Пелленка (Roland J.-M. Pellenq) из Массачусетского технологического института решили оценить, как на свойства острова тепла влияет геометрия города и структура сети улиц. Для этого ученые проанализировали данные о разнице температур воздуха между городом и сельской местностью, собранные в 50 городах по всему миру в ночное время. Ночью разница температур максимальна и на нее влияют всего два основных фактора: количество тепла, которое удалось запасти на нагретых поверхностях в течение дня, и скорость, с которой это тепло рассеивается ночью. Существует и ряд других факторов, однако, по словам авторов исследования, их вклад можно считать незначительным.

Для количественного описания эффекта, физики разработали математическую модель, в которой расположение зданий в городе, которое они назвали «городской текстурой», описывается через относительную площадь зданий, их взаимное расположение и высоту. Первое приближение модели было двумерным и не учитывало высоту или объем зданий.

Чтобы описать геометрию уличной сети и относительное расположение зданий в том или ином городе, области вокруг метеорологических станций радиусом около 5 километров ученые представляли как двумерную карту построек, на которой каждое здание описывается точкой. Радиальное распределение этих точек можно описать математически: максимумы и минимумы распределения связаны с расстоянием между зданиями и определяют их кластерную структуру. В зависимости от размеров кластеров для разных городов характерны разная плотность застройки и разная степень упорядоченности. Например, структуру двумерных кластеров, образованных зданиями в Чикаго, (с очень большой степенью упорядоченности) ученые сравнивают с кристаллической фазой, а сильно разупорядоченное расположение строений в Лос-Анджелесе — с жидкостью.

Качественное описание этих распределений показало очень простую взаимосвязь: чем меньше размер таких кластеров (то есть больше упорядоченность и плотность застройки), тем выше ночная температура в городе по сравнению с окружающей, негородской, местностью.

Для количественного описания перегрева городского воздуха физики ввели в модель параметр, который также учитывает высоту зданий: видимость неба с земли, то есть тот процент неба, который не загорожен зданиями с учетом их высоты. Связав с помощью модели теплового излучения геометрические характеристики городской застройки и разницу температур между городом и сельской местностью, ученые разработали полную модель, которая с хорошей точностью описывает данные измерений. Ученые отмечают, что далеко не для всех городов, например, известны данные о высоте зданий, однако для тех 22 городов, для которых удалось провести полноценное сравнение данных измерений с предсказаниями модели, было обнаружено хорошее согласие.

По словам авторов работы, полученные результаты помогут в будущем разработать новые подходы для повышения эффективности энергопотребления в городах и оптимизации строительства новых городских районов.

Исследованию городского климата, его динамике и влияния на здоровье последнее время посвящается все больше работ, которые рассматривают климатические явления как с точки зрения физики, экологии или медицины. Например, в одном из недавних исследований ученые попытались связать урбанизацию пригородов с увеличением выбросов углекислого газа в атмосферу, однако выяснилось, что прямой корреляции между двумя этими факторами нет.

Александр Дубов