Vattentunneln gör det möjligt att analysera värmeflöden i städer. Kredit:Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology
Värmeböljor ökar över hela världen – och det inkluderar Schweiz. Särskilt städer lider av detta:temperaturskillnaden mellan stad och landsbygd kan uppgå till flera grader. En ny vattentunnel vid Empa skulle kunna bidra till att lindra dessa urbana värmeöar i framtiden – till exempel genom att städer säkerställer lägre temperaturer lokalt genom vegetation, vattenytor och ljusare material och skapa utrymme för vind för att lufta städer bättre.
April 2018 visade temperaturer i Schweiz som vanligtvis är vanligare i maj — och i maj påminde vädret redan om midsommar. Detta är inte längre ett undantag. År efter år slås värmerekorden. Städer lider mycket mer av värmeböljorna än den omgivande landsbygden:temperaturskillnaderna mellan stadszoner och de omgivande grönområdena kan vara så stora som flera grader.
Fenomenet är känt som urbana värmeöar. Det finns flera anledningar till temperaturskillnaderna:De mörka ytorna på trottoarer och hustak absorberar mer solljus under dagen — och behåller det bättre. Tillskottsvärme genereras i staden av trafik och industri. Vidare, det finns vanligtvis brist på vegetation som skulle kunna sänka temperaturen genom avdunstning. Och de tätt placerade byggnaderna blockerar vinden, vilket kan ge svalare omgivande luft.
Hur kan vinden transportera värme ut ur staden?
Värmen är inte bara obehaglig utan har också allvarliga effekter:Energiförbrukningen för kylning ökar, Ozonnivåerna på marknivån stiger och temperaturerna leder till ytterligare sjukdomar och till och med dödsfall. Och fler och fler människor drabbas:Över hälften av världens befolkning bor i stadsområden idag. Till 2030, denna andel förväntas stiga till två tredjedelar. Städer och forskargrupper runt om i världen arbetar på sätt att lindra denna urbana värmeö-effekt. Särskild uppmärksamhet ägnas åt vinden:den kan leda bort värmen från städerna, ta med svalare luft från omgivande sjöar och skogar och kyla dessutom ytorna genom konvektion. Under värmeböljor med lite vind, flyteffekten spelar en viktig roll:när varm luft stiger över staden, kallare luft kan strömma upp nedanför. Dessutom, områden med kallare luft kan skapas:t.ex. parker med växtlighet, lättare ytor som absorberar mindre solstrålning eller ytor där vatten avdunstar, till exempel, konstgjorda sjöar eller våta material. Vinden kan fördela denna kallare luft i områden där värmeöeffekten inte kan bekämpas lokalt.
För att vinden ska leda bort värmen från städerna, dock, staden ska byggas på ett sådant sätt att luftmassor kan flyta relativt lätt runt byggnaderna. Dock, detta är allt annat än trivialt:det har ännu inte funnits tillräckligt med forskning om hur urbana strukturer påverkar lokala vindförhållanden. För att optimera städer på ett sådant sätt att de effektivt kan förhindra värmeöarna, man måste först förstå vad som händer exakt:Hur flyter och virvlar vinden på byggnader och över uppvärmda vägar? Och hur förändrar detta temperaturfördelningen?
En fråga om skala
Att besvara dessa frågor är syftet med den nya vattentunneln vid Empa, som officiellt invigdes idag. Men varför krävs det en vattentunnel för att bättre förstå vindrörelser? Det är en fråga om skalning:Eftersom modellerna av stadsstrukturer bara är en bråkdel av storleken på verkliga byggnader och vägar, vatten beter sig precis som vinden i en riktig stad vid lämpliga flödeshastigheter. Vattentunneln har två tydliga fördelar jämfört med en vindtunnel, som också lämpar sig för att studera vindströmmar i städer:Å ena sidan, mindre modeller kan användas, d.v.s. ett större område av staden kan undersökas. Å andra sidan, Flödesfältet och temperaturfördelningen i vattnet kan mätas samtidigt.
Detta görs med ett lasermätningssystem:forskargruppen blandar små partiklar och ett fluorescerande färgämne i vattnet. Partiklarna belyses med en pulserande laserstråle utsträckt till ett plan. Under en sådan laserpuls, en kamera tar två bilder i snabb följd. Mätsystemet kan nu utvärdera hur långt och i vilken riktning partiklarna har rört sig mellan de två bilderna och bestämma flödeshastigheter och flödesriktningar. Tack vare det fluorescerande färgämnet, forskarna kan bestämma temperaturfördelningen:Den absorberar grönt laserljus och avger ljus av en annan färg – ju varmare vattnet är, desto starkare ljus. En andra kamera, som filtrerar bort det gröna laserljuset, registrerar den emitterade ljusfördelningen.
Bestämningen av de svala och varma flödesstrukturerna gör det möjligt för forskare att få nya insikter om hur värme kan avlägsnas från städer. These results could help planners, architects and governments in the future to develop cities so that life in urban areas remains bearable even during increasing heat waves.