Temperature pericolosamente alte, soprattutto nelle città, spesso causano condizioni come il colpo di calore e l'esaurimento da calore o esacerbano condizioni mediche preesistenti come le malattie cardiovascolari. Tra il 1999 e il 2010 almeno 8, 081 persone sono morte negli Stati Uniti a causa di malattie legate al calore.

Uno dei principali fattori alla base di questo numero sorprendente è l'effetto isola di calore urbana. Ciò causa elevate disparità di temperatura tra le città e le aree circostanti a causa del calore intrappolato dalle concentrazioni di popolazione e dalle infrastrutture create dall'uomo. L'81% dei decessi segnalati:più di 6, 500 in totale:si sono verificati nelle aree urbane.

Armato di una sovvenzione dal programma Prediction of and Resilience against Extreme Events (PREEVENTS) della National Science Foundation (NSF), un team di ricercatori della Carnegie Mellon si è proposto di fornire alle città uno strumento per comprendere meglio questo pericoloso fenomeno.

Il team era guidato dai Professori Associati Matteo Pozzi e Mario Berges del Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale, e il loro Co-PI, ricercatrice Kelly Klima del Dipartimento di ingegneria e politiche pubbliche.

Il frutto del loro lavoro è l'OMBRA, che sta per Valutazione del calore superficiale per ambienti sviluppati. Attraverso SHADE, Il gruppo, tra cui il ricercatore post-dottorato Carl Malings e il professor Elie Bou Zeid di Princeton, hanno sviluppato modelli spazio-temporali su piccola scala delle temperature urbane di Pittsburgh.

Mentre i ricercatori di Princeton si sono concentrati sulla simulazione delle condizioni meteorologiche e di altri fattori che contribuiscono alle temperature in un determinato luogo, il team CMU ha adottato un approccio più basato sui dati. Pozzi e Maling, un dottorato di ricerca all'epoca allievo del Pozzi, lavorato per sviluppare "modelli statistici per modellare meglio, comprendere, e rendersi conto di come la temperatura cambia nel tempo e nello spazio" all'interno dell'ambiente urbano.

Hanno scoperto che le alte temperature causate da eventi di ondate di calore regionali possono aggiungere un altro potente ingrediente alla pentola di pericolosi fattori di temperatura in gioco nell'ambiente urbano.

"Uno, la temperatura è più alta nelle aree urbane, " dice Malings. "Due, è ancora più alto durante le ondate di calore. E tre, le temperature possono variare molto in tutta la città, perché la composizione dell'edificio è molto diversa. Questo rende l'effetto molto diverso."

Mentre il team di Princeton è stato in grado di modellare questi fattori in un dato momento, farlo sull'intera città sarebbe estremamente impegnativo dal punto di vista computazionale, rendendo questo metodo poco pratico per la modellazione e la previsione della temperatura in tempo reale.

"L'idea su cui stiamo lavorando è quella di costruire quelli che chiamiamo 'modelli surrogati, ' che sono fondamentalmente modelli più semplici che catturano lo stesso tipo di informazioni ma possono essere eseguiti molto più rapidamente per avvicinarsi alle previsioni in tempo reale, "dice Maling.

Utilizzando questo sistema di modelli surrogati, il team è stato in grado di iniziare a osservare tendenze più ampie delle temperature tra luoghi diversi nel tempo. Pur essendo nelle prime fasi del progetto, le loro scoperte hanno già portato a diverse pubblicazioni, incluso il loro documento più recente su una metodologia per il rilevamento ottimale per supportare il processo decisionale in scenari di temperature estreme. Ciò potrebbe consentire un sistema di allerta precoce molto migliore per le popolazioni ad alto rischio di malattie legate al caldo.

Nella prospettiva a lungo termine, il modello potrebbe informare le decisioni infrastrutturali per gli ingegneri civili. Utilizzando le informazioni fornite dalle tecniche di modellazione del team, urbanisti e architetti potrebbero integrare infrastrutture verdi e altre tecniche di mitigazione del calore nelle città del futuro, combattere alla fonte l'effetto isola di calore urbana.

"Il quadro risultante aiuterà i futuri urbanisti e gestori a prendere decisioni che riguardano la temperatura all'interno della città, "dice Berges, "e saranno in grado di sfruttare il flusso in rapida crescita di dati dei sensori disponibile negli ambienti urbani".

Per Maling, ora ricercatore post-dottorato presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica, le informazioni di SHADE aiuteranno anche a prendere decisioni future su dove posizionare i sensori per risultati ottimali. Le conclusioni che spera di trarre da questi sensori non si limitano solo all'effetto isola di calore urbana.

"Si può fare una cosa simile con l'inquinamento atmosferico, dove prendi la tua previsione preventiva delle concentrazioni di inquinamento e poi li aggiorni con le misurazioni del sensore e ottimizzi le decisioni in base a ciò, "dice Maling.

Avendo finora limitato la loro modellazione a Pittsburgh e New York, il team prevede di estendere il suo ambito a una gamma più ampia di città in futuro.

"Le città hanno proprietà simili, ma solo a partire da Pittsburgh e New York come i nostri casi di studio, ci sono sicuramente comportamenti diversi tra i due, " afferma Pozzi. "La nostra idea per il futuro è sviluppare modelli in scala urbana per diverse città, ma è necessario fare una calibrazione specifica per ogni singola città".