Arrangemanget av en stads gator och byggnader spelar en avgörande roll för den lokala urbana värmeönseffekten, vilket gör att städer blir varmare än omgivningen, forskare har funnit. Det nya fyndet kan ge stadsplanerare och tjänstemän nya sätt att påverka dessa effekter.

Vissa städer, som New York och Chicago, läggs ut på ett exakt rutnät, som atomerna i en kristall, medan andra som Boston eller London arrangeras mer kaotiskt, som de störda atomerna i en vätska eller ett glas. Forskarna fann att de "kristallina" städerna hade en mycket större värmeuppbyggnad jämfört med sin omgivning än de "glasliknande" städerna.

Studien, publiceras idag i tidningen Fysiska granskningsbrev , fann dessa skillnader i stadsmönster, som de kallar "textur, "var den viktigaste determinanten för en stads värmeöseffekt. Forskningen utfördes av MIT och National Center for Scientific Research seniorforskare Roland Pellenq, som också är chef för ett gemensamt laboratorium vid MIT/ CNRS/ Aix-Marseille University (MSE) 2 (MultiScale Material Science for Energy and Environment); professor i civil- och miljöteknik Franz-Josef Ulm; forskningsassistent Jacob Sobstyl; (MSE) 2 senior forskare T. Emig; och M.J. Abdolhosseini Qomi, biträdande professor i civil- och miljöteknik vid University of California i Irvine.

Heat island -effekten har varit känd i decennier. Det beror i huvudsak på att stadsmaterial, som betong och asfalt, kan absorbera värme under dagen och utstråla den tillbaka på natten, mycket mer än områden som är täckta av vegetation. Effekten kan vara ganska dramatisk, lägga till så mycket som 10 grader Farenheit till nattemperaturer på platser som Phoenix, Arizona. På sådana platser kan denna effekt avsevärt öka hälsoproblem och energianvändning under varmt väder, så en bättre förståelse för vad som producerar det kommer att vara viktigt i en tid då allt fler människor bor i städer.

Teamet fann att användning av matematiska modeller som utvecklats för att analysera atomstrukturer i material ger ett användbart verktyg, som leder till en enkel formel för att beskriva hur en stads design skulle påverka dess värmeöseffekt, Säger Pellenq.

"Vi använder verktyg för klassisk statistisk fysik, "förklarar han. Forskarna anpassade formler som ursprungligen utformades för att beskriva hur enskilda atomer i ett material påverkas av krafter från de andra atomerna, och de reducerade dessa komplexa uppsättningar av relationer till mycket enklare statistiska beskrivningar av de relativa avstånden från närliggande byggnader till varandra. De tillämpade dem sedan på byggnadsmönster som bestämdes utifrån satellitbilder av 47 städer i USA och andra länder, slutligen sluta med ett enda indexnummer för varje - kallad lokal ordningsparameter - som sträcker sig mellan 0 (total störning) och 1 (perfekt kristallin struktur), att tillhandahålla en statistisk beskrivning av klungan av närmaste grannar till en given byggnad.

För varje stad, de var tvungna att samla in tillförlitliga temperaturdata, som kom från en station i staden och en annan utanför den men i närheten, och bestäm sedan skillnaden.

För att beräkna denna lokala orderparameter, fysiker måste vanligtvis använda metoder som att bombardera material med neutroner för att lokalisera atomernas positioner inom dem. Men för detta projekt, Pellenq säger, "för att få byggpositionerna använder vi inte neutroner, bara Google maps. "Med hjälp av algoritmer utvecklade de för att bestämma parametern från stadskartorna, de fann att städerna varierade från 0,5 till 0,9.

Skillnaderna i uppvärmningseffekten verkar bero på hur byggnader utstrålar värme som sedan kan absorberas av andra byggnader som vetter mot dem direkt, bestämde laget.

Speciellt för platser som Kina där nya städer snabbt byggs, och andra regioner där befintliga städer expanderar snabbt, informationen kan vara viktig att ha, han säger. På heta platser, städer kan utformas för att minimera den extra uppvärmningen, men på kallare platser kan effekten faktiskt vara en fördel, och städer kan utformas i enlighet därmed.

"Om du planerar en ny del av Phoenix, "Säger Pellenq, "du vill inte bygga på ett nät, eftersom det redan är väldigt varmt. Men någonstans i Kanada, en borgmästare kan säga nej, vi väljer att använda rutnätet, för att hålla staden varmare. "

Effekterna är betydande, han säger. Teamet utvärderade alla stater individuellt och fann, till exempel, att enbart i delstaten Florida orsakar effekter av urbana värmeöar uppskattningsvis 400 miljoner dollar i överskottskostnader för luftkonditionering. "Detta ger en strategi för stadsplanerare, "säger han. Även om det i allmänhet är enklare att följa ett rutmönster, när det gäller att placera verktygsledningar, avlopp och vattenledningar, och transportsystem, på platser där värme kan vara ett allvarligt problem, det kan vara väl värt de extra komplikationerna för en mindre linjär layout.

Denna studie tyder också på att forskning om byggmaterial kan erbjuda en väg framåt för att hantera värmeinteraktionen mellan byggnader i städernas historiska centrum.

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.