Storbritanniens järnvägstrafik har drabbats av omfattande tågförseningar och höga nivåer av avbokningar under värmeböljan. Hela östkustlinjen mellan Edinburgh och London var stängd i timmar den 20 juli på grund av värmen.

Så varför orsakar värmeböljan så mycket förödelse på tåglinjerna? Liksom de flesta byggmaterial expanderar stål, som rälsen är gjorda av, när lufttemperaturen ökar. När denna rörelse hålls tillbaka av förankringen, som håller skenan och slipern (de rektangulära stöden för rälsen) på plats, byggs inre spänningar upp och kompression spännar eller knäcker skenan.

Denna buckling kan göra att ett långt stålstycke, såsom en stålskena, böjas något eller böjas. Tåg kan inte färdas över järnvägslinjer med veck. I USA har veck orsakade av solen orsakat över 2 100 tåg urspårningar under de senaste 40 åren, vilket motsvarar cirka 50 urspårningar per år.

När lufttemperaturen når 30°C kan räls i solen nå 50°C. I Storbritannien införs en tillfällig hastighetsbegränsning när räls når denna temperatur eftersom tåg utsätter mindre tryck på rälsen när de saktar ner. Vissa järnvägsunderhållsteam målar räls vita för att kyla ner dem på sommaren. Enligt Network Rail kan detta sänka rälstemperaturen med 5°C, till 10°C. Network Rail-arbetare började måla tåglinjerna flera dagar före värmeböljan i juli.

Moderna järnvägssystem blir allt bättre på att hålla räls på plats. De flesta spår består av långa rälsbitar som sträcks och svetsas ihop, vilket hjälper till att hålla dem på plats. Detta minskar risken för buckling. När ett spår består av korta skenor som är ihopskruvade, lämnar Network Rail små luckor mellan var och en för att möjliggöra expansion i varmt väder.

Elektriska tåg drivs ofta av luftledningar som också kan skadas av varmt väder. Värme kan göra att trådar expanderar och sjunker. För mycket häng kommer att bryta luftledningsutrustningen. Ett remskivasystem håller överliggande vajrar spända och kan kompensera för häng.

Hur andra nationer klarar sig

När temperaturerna stiger till aldrig tidigare skådade nivåer, spricker till och med spanska tåglinjer, som vanligtvis klarar sig bra i värmen, och tjänsterna ställs in.

Kontinuerliga svetsskenor, som används som standard över hela världen, inklusive i Storbritannien, är optimerade för att arbeta runt en given "stressfri temperatur" (SFT). Ju högre denna temperatur är, desto varmare kan skenorna bli utan att bucklas.

I Storbritannien är SFT 27°C, den traditionella medeltemperaturen på sommaren. I USA varierar standardvärdena mellan 35°C och 43°C.

Om den brittiska SFT var högre, skulle järnvägarna kunna fungera i varmare väder eftersom rälsen inte skulle expandera så mycket vid högre temperaturer. Men om skenorna är gjorda för för hög SFT kommer de inte att klara de kallare temperaturerna de upplever på vintern. Detta skulle skapa enorma påfrestningar och rälsen kunde slita av sin förankring.

Vissa länders järnvägar klarar av så höga temperaturvariationer genom att använda solida betongplattor för att hålla tillbaka de högre krafterna som skapas. Men skivbanor kostar ungefär fyra gånger så mycket att installera som standard ballastbanor.

Klimatförändringarna innebär att många länders järnvägar oftare kommer att nå temperaturer som de inte var designade för att klara av, vilket hotar kollektivtrafiken i en skala som aldrig tidigare skådats. Vi såg precis den högsta temperaturen som någonsin registrerats i Storbritannien på 40,3°C, långt över den tidigare dagliga högsta temperaturen på 38,7°C 2019.

Under konstruktionen av HS2, den nya höghastighetsjärnvägen som byggs mellan London, Manchester och Leeds, har broar och luftledningar försetts med sensorer för att samla in data om väder inklusive lufttemperaturen. Dessa data kommer att användas för att skapa de digitala tvillingarna i HS2, vilket möjliggör en ny typ av underhåll som kan förutsäga höga temperaturer och andra typer av störande väder.

En digital tvilling är en digital representation av järnvägsnätet. Detta skulle göra det möjligt för ingenjörer att simulera framtida scenarier för det brittiska järnvägsnätet och förutsäga vad som kan hända om höga temperaturer förutses, och kunna vidta förebyggande åtgärder i förväg. Detta kan vara ett sätt att förhindra några av de enorma avbokningar som setts i den senaste brittiska värmeböljan.