De inrichting van de straten en gebouwen van een stad speelt een cruciale rol in het lokale stedelijke hitte-eilandeffect, waardoor steden heter zijn dan hun omgeving, onderzoekers hebben gevonden. De nieuwe bevinding zou stadsplanners en ambtenaren nieuwe manieren kunnen bieden om die effecten te beïnvloeden.

Sommige steden, zoals New York en Chicago, zijn op een nauwkeurig raster gelegd, als de atomen in een kristal, terwijl andere zoals Boston of Londen chaotischer zijn gerangschikt, zoals de ongeordende atomen in een vloeistof of glas. De onderzoekers ontdekten dat de "kristallijne" steden een veel grotere warmteontwikkeling hadden in vergelijking met hun omgeving dan de "glasachtige" steden.

De studie, vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven , vond deze verschillen in stadspatronen, die ze "textuur, " was de belangrijkste determinant van het hitte-eilandeffect van een stad. Het onderzoek werd uitgevoerd door MIT en National Center for Scientific Research senior onderzoeker Roland Pellenq, die ook directeur is van een gezamenlijk laboratorium van de MIT/CNRS/Aix-Marseille University genaamd (MSE)2 (MultiScale Material Science for Energy and Environment); hoogleraar civiele techniek en milieutechniek Franz-Josef Ulm; onderzoeksassistent Jacob Sobstyl; (MSE)2 senior onderzoeker T. Emig; en M.J. Abdolhosseini Qomi, assistent-professor civiele en milieutechniek aan de Universiteit van Californië in Irvine.

Het hitte-eilandeffect is al decennia bekend. Het komt in wezen voort uit het feit dat stedelijke bouwmaterialen, zoals beton en asfalt, kan overdag warmte opnemen en 's nachts weer uitstralen, veel meer dan met vegetatie bedekte gebieden. Het effect kan behoorlijk dramatisch zijn, het toevoegen van maar liefst 10 graden Fahrenheit aan nachttemperaturen in plaatsen zoals Phoenix, Arizona. Op dergelijke plaatsen kan dit effect bij warm weer de gezondheidsproblemen en het energieverbruik aanzienlijk verhogen, dus een beter begrip van wat het produceert, zal belangrijk zijn in een tijdperk waarin steeds meer mensen in steden wonen.

Het team ontdekte dat het gebruik van wiskundige modellen die zijn ontwikkeld om atomaire structuren in materialen te analyseren een handig hulpmiddel is, wat leidt tot een eenvoudige formule om te beschrijven hoe het ontwerp van een stad het hitte-eilandeffect zou beïnvloeden, zegt Pellenq.

"We gebruiken instrumenten uit de klassieke statistische fysica, " legt hij uit. De onderzoekers pasten formules aan die aanvankelijk waren bedacht om te beschrijven hoe individuele atomen in een materiaal worden beïnvloed door krachten van de andere atomen, en ze reduceerden deze complexe sets van relaties tot veel eenvoudigere statistische beschrijvingen van de relatieve afstanden van nabijgelegen gebouwen tot elkaar. Ze pasten ze vervolgens toe op patronen van gebouwen, bepaald op basis van satellietbeelden van 47 steden in de VS en andere landen, uiteindelijk eindigend met een enkel indexnummer voor elk - de lokale ordeparameter genoemd - variërend tussen 0 (totale wanorde) en 1 (perfecte kristalstructuur), om een ​​statistische beschrijving te geven van de cluster van naaste buren van een bepaald gebouw.

Voor elke stad, ze moesten betrouwbare temperatuurgegevens verzamelen, die van het ene station binnen de stad kwam en een ander daarbuiten maar dichtbij, en bepaal dan het verschil.

Om deze lokale orderparameter te berekenen, natuurkundigen moeten meestal methoden gebruiken zoals het bombarderen van materialen met neutronen om de posities van atomen erin te lokaliseren. Maar voor dit project Pellenq zegt, "om de bouwposities te krijgen gebruiken we geen neutronen, gewoon Google maps." Met behulp van algoritmen die ze ontwikkelden om de parameter uit de stadsplattegronden te bepalen, ze ontdekten dat de steden varieerden van 0,5 tot 0,9.

De verschillen in het verwarmingseffect lijken het gevolg te zijn van de manier waarop gebouwen warmte opnieuw uitstralen die vervolgens kan worden geabsorbeerd door andere gebouwen die er direct tegenover staan, het team bepaald.

Vooral voor plaatsen als China waar in hoog tempo nieuwe steden worden gebouwd, en andere regio's waar bestaande steden snel groeien, de informatie kan belangrijk zijn om te hebben, hij zegt. Op warme plaatsen, steden kunnen worden ontworpen om de extra verwarming te minimaliseren, maar op koudere plaatsen kan het effect juist een voordeel zijn, en steden zouden dienovereenkomstig kunnen worden ontworpen.

"Als je een nieuw gedeelte van Phoenix plant, "Pellenq zegt, "je wilt niet bouwen op een raster, omdat het al een erg warme plaats is. Maar ergens in Canada, een burgemeester mag nee zeggen, we zullen ervoor kiezen om het raster te gebruiken, om de stad warmer te houden."

De effecten zijn aanzienlijk, hij zegt. Het team evalueerde alle staten afzonderlijk en vond, bijvoorbeeld, dat alleen al in de staat Florida de stedelijke hitte-eilandeffecten naar schatting $ 400 miljoen aan extra kosten voor airconditioning veroorzaken. "Dit geeft een strategie voor stedenbouwkundigen, " zegt hij. Hoewel het over het algemeen eenvoudiger is om een ​​rasterpatroon te volgen, wat betreft het plaatsen van nutsleidingen, riool- en waterleidingen, en transportsystemen, op plaatsen waar hitte een ernstig probleem kan zijn, het kan de extra complicaties zeker waard zijn voor een minder lineaire lay-out.

Deze studie suggereert ook dat onderzoek naar bouwmaterialen een uitweg kan bieden om de warmte-interactie tussen gebouwen in de historische binnenstad van steden goed te beheren.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.