Круглые города оказались подвержены осадкам сильнее квадратных и треугольных
Ученые смоделировали влияние формы города и его близость к побережью на частоту и интенсивность осадков. Оказалось, что в круглых городах дожди идут чаще и интенсивнее, чем в квадратных и треугольных, наиболее выражен этот эффект в прибрежных городах. Исследование опубликовано в Earth’s Future.
Города оказывают огромное влияние на климат. Помимо прочего, застройка зданиями влияет на то, насколько часто интенсивно идут дожди как в самом городе, так и в его окрестностях. Массивы высотных домов меняют шероховатость рельефа, что сказывается на воздушных и тепловых потоках. Кроме того, город влияет на баланс влаги между землей и атмосферой.
При этом сами города остаются уязвимы для проливных дождей, поскольку непроницаемость асфальта и бетона увеличивает риски наводнений. Глобальное изменение климата в будущем лишь усилит эту проблему. Поскольку глобальная тенденция к урбанизации сохранится в обозримом будущем, важно исследовать влияние городской среды на характер осадков и учитывать полученные выводы при планировании застройки. Большинство работ оценивают влияние размера и скорости роста городов на количество дождей, в то время как о влиянии формы городов известно мало.
Группа климатологов из Гонконга, Китая и США под руководством Цзячуань Ян (Jiachuan Yang) из Гонконгского университета науки и технологии решила обратить внимание именно на этот аспект проблемы. В своем исследовании ученые смоделировали образование осадков в городах одинаковой площади, но разной формы: треугольной, квадратной и круглой. Оказалось, что в последнем типе городов осадки выпадают чаще, а их интенсивность существенно выше, чем в двух других. Эффект более выражен для прибрежных городов, где контраст между морским и городским воздухом приводит к более сильной конвекции.
Авторы использовали для симуляций ставшую уже традиционной модель исследования и прогноза погоды (Weather Research and Forecast, WRF), разработанную в Национальном центре атмосферных исследований США. В ее основе лежит численное решение уравнений гидротермодинамики атмосферы, учитывающее процессы в верхнем слое суши и воды. Для этого моделируемое пространство разбивается на сетку с адаптивной системой координат. При этом процессы подсеточного масштаба учитываются неявно с помощью параметризации. Одним из таких приемов параметризации стал метод крупных вихрей (Large Eddy Simulation, LES), который использовали авторы.
В каждом случае ученые рассматривали вычислительный домен размерами 120 × 120 × 20 километров (последний параметр — высота) с шагом полкилометра, в центре которого располагался город. Площади городов были одинаковыми и равными 400 квадратным километрам. Это соответствовало квадратному городу со стороной 20 километров, круглому — с диаметром 23 километра и городу в виде равностороннего треугольника — со стороной 30 километров. Для симуляции прибрежности городов юго-восточная часть домена была покрыта водой.
Домены имели координаты 30 градусов северной широты и 0 градусов восточной долготы для воспроизведения количества осадков в субтропическом климате. Модель предполагала, что сельский район, окружающий город, покрыт орошаемыми пахотными землями и пастбищами, а сами города обладают низкой плотностью, зданиями высотой пять метров и улицами шириной восемь метров. Доля непроницаемой поверхности составила 50 процентов, а удельная мощность антропогенной генерации тепла — 20 ватт на квадратный метр. Кроме того, авторы учитывали суточный цикл солнечной радиации, соответствующий таковому 22 июля, а также не включали в модель ветер.
В результате симуляции показали, что для городов, расположенных внутри суши, их форма, хоть и влияет на суточные осадки, но довольно несущественно. По-иному обстоит ситуация с прибрежными городами. Авторы обнаружили, что в этом случае в круглых городах выпадает осадков на 22 процента, а в квадратных — на 8 процентов больше, чем в треугольных. Также они выяснили, что утренний пик интенсивности дождей в круглых городах на 78 процентов выше, чем в треугольных. В последних, однако послеобеденные дожди проливаются раньше, чем в других конфигурациях.
Ученые объясняют результаты тем, как именно в рассмотренных городах происходит встреча различных потоков воздуха, приводящая к дождю. Если круглый город позволяет воздушным массам, поступающим со всех направлений, сходиться в центре, то в городах с углами эта картина нарушается. В них часть потоков встречается раньше, а потому и интенсивность дождей в целом не настолько пиковая. Авторы, однако, подмечают, что в реальности на погоду в конкретном городе влияет множество факторов, роль части из которых еще предстоит выяснить в будущем.
Ранее мы рассказывали, как физики изучили влияние стохастичности избыточных зарядов в водных каплях на их притяжение друг к другу. Оказалось, что этот механизм способен ускорить образование дождя в среднем на одну минуту.
Марат Хамадеев
Виной всему масштабное и преждевременное таяние морского льда
Четыре из пяти колоний императорских пингвинов в центральной и восточной части моря Беллинсгаузена не смогли вывести птенцов в 2022 году. Виной всему масштабное таяние льда, которое началось до того, как молодые особи успели опериться. В результате несколько тысяч птенцов пингвинов, скорее всего, утонули, а их родители покинули колонии. Как отмечается в статье для журнала Communications Earth & Environment, ученые впервые сталкиваются с провалом размножения у императорских пингвинов в пределах целого региона. Однако в будущем из-за антропогенных изменений климата такое будет происходить все чаще, что ставит будущее вида под угрозу. Императорские пингвины (Aptenodytes forsteri) выводят потомство в колониях, расположенных на морском льду вокруг Антарктиды. Они прибывают к местам размножения с конца марта по апрель, а в мае-июне откладывают яйца, из которых спустя два месяца вылупляются птенцы. Пингвинята растут медленно и оперяются только в декабре-январе. Таким образом, чтобы успешно вырастить птенцов, императорским пингвинам необходим стабильный ледовый покров с апреля по январь. Однако, по прогнозам ученых, из-за антропогенных изменений климата площадь льдов вокруг Антарктиды к концу века сильно сократится. В результате более девяноста процентов колоний императорских пингвинов лишатся подходящих мест для размножения, перестанут поддерживать свою численность и исчезнут. Команда орнитологов под руководством Питера Фретуэлла (Peter T. Fretwell) из Британской антарктической службы обнаружила, что по крайней мере в одном регионе Антарктиды императорские пингвины уже в наши дни испытывают серьезные проблемы из-за потери морского льда. Речь о море Беллинсгаузена, которое лежит к западу от Антарктического полуострова. В его центральной и восточной части расположены пять колоний императорских пингвинов, самая большая из которых насчитывает около 3500 пар, а самая маленькая — около 630 пар. Все они были открыты в течение последних 14 лет благодаря изучению спутниковых снимков — и лишь одну из них посещали ученые. В конце 2022 года, когда площадь ледового покрова вокруг Антарктиды находилась на рекордно низком уровне, некоторые части моря Беллинсгаузена начали оттаивать неожиданно рано и уже к ноябрю полностью очистились ото льда. Чтобы понять, как это сказалось на птенцах пингвинов, которые в это время года как раз переходят к самостоятельной жизни, Фретуэлл и его соавторы обратились к спутниковым снимкам всех пяти местных колоний. Исследователи искали на них коричневые пятна, соответствующие пингвиньему помету — по их площади можно судить о численности и успехе размножения колонии. В результате выяснилось, что из-за раннего исчезновения морского льда императорским пингвинам из большинства колоний в море Беллинсгаузена не удалось вывести потомство в 2022 году. Вероятно, птенцы в этих колониях не успели обзавестись водонепроницаемым оперением до того, как лед растаял, в результате чего утонули или умерли от переохлаждения, а их родители просто покинули колонии. Авторы оценивают потери в несколько тысяч молодых особей. В частности, вокруг колонии у острова Смайли, состоящей из примерно 3500 пар, припай разрушился на две недели раньше срока. Из-за этого часть местных пингвинов перебрались на большой айсберг, однако удалось ли выжить кому-то из птенцов, неизвестно. Колонию в заливе Верди осенью прибыло меньше особей, чем обычно — и даже они покинули ее после разрушения морского льда в конце октября — начале ноября. Колония Пфрогнер-Поинт, которая находилась на шельфовом леднике, также исчезла в начале ноября. А месяцем позже похожая судьба постигла колонию Брайант-Кост — после таяния многолетнего припая, на котором она располагалась. Исключение составила лишь небольшая колония у острова Ротшильда. Вокруг него ледовый припай начал разрушаться лишь в конце декабря, благодаря чему около 800 птенцов успели подрасти и опериться (эта цифра была получена во время облета колонии на вертолетах круизного лайнера). Судя по всему, таяние льда около острова Ротшильда замедлилось благодаря особенностям ландшафта и наличию айсбергов вокруг него. Фретуэлл и его соавторы отмечают, что отдельные колонии императорских пингвинов время от времени терпят неудачи, когда морской лед рушится под воздействием сильных штормов. Однако исследователи этого вида никогда не сталкивались с полным провалом размножения у большинства колоний в целом регионе. Более того, до сих пор в море Беллинсгаузена был известен всего один пример, когда колония не смогла вывести ни одного птенца за сезон. В теории императорские пингвины после неудачного года могли бы переместить колонию туда, где ледовые условия более надежны. Однако в море Беллинсгаузена таких мест почти нет. Экстремально низкая площадь антарктического льда в 2022-2023 годах не обязательно напрямую связана с антропогенными изменениями климата (поскольку она сильно колеблется от года к году). Возможно, эта аномалия лучше объясняется тремя подряд годами Ла-Ниньи. Тем не менее, по прогнозам климатологов, по мере того, как планета нагревается, площадь льда вокруг Антарктиды будет сокращаться. А значит, императорские пингвины все чаще будут испытывать серьезные проблемы с размножением, что поставит существование этого вида под угрозу. Магеллановы пингвины (Spheniscus magellanicus), которые обитают на побережьях Южной Америки, тоже страдают от антропогенных изменений климата. Однако для них проблемой стало не отсутствие льда (его в местах их обитания никогда не бывает), а участившиеся волны жары, которые убивают взрослых особей в период размножения. По расчетам зоологов, из-за все более жаркой погоды крупнейшая колония магеллановых пингвинов, расположенная на атлантическом побережье Аргентины, исчезнет в течение ближайших пятидесяти лет.
