Anche se non sei un appassionato giocatore, è probabile che tu abbia sentito parlare di SimCity. Rilasciato nel 1989 e distinto per il suo gameplay a tempo indeterminato, SimCity ha dato a molti giocatori il primo assaggio del pieno controllo sullo sviluppo di una città, cementando per sempre il suo posto nella storia dei videogiochi.

In una curiosa svolta del gameplay verso l'adattamento alla vita reale, le simulazioni di città virtuali ora consentono agli urbanisti di avere un'idea dei risultati delle loro decisioni senza dover costruire una singola struttura fisica. In un momento in cui il mondo viene drasticamente rimodellato dal cambiamento climatico, la modellazione basata sui dati dei paesaggi urbani è anche immensamente utile per i governi per preparare le loro città agli scenari peggiori causati dal riscaldamento globale e dall'innalzamento del livello del mare.

"Singapore, essendo un'isola bassa con una superficie terrestre limitata, è particolarmente vulnerabile ai cambiamenti climatici, " ha detto Hee Joo Poh, uno scienziato senior presso l'Institute of High Performance Computing (IHPC), UNA STELLA, citando l'aumento delle temperature e l'urbanizzazione in corso come minacce alla vivibilità della Città del Leone.

Ma non tutto è perduto. "Ottimizzando i fattori ambientali, Gli urbanisti di Singapore possono progettare alloggi e infrastrutture che massimizzano il comfort e il benessere dei cittadini nonostante i cambiamenti climatici, " ha scherzato.

Una veduta a volo d'uccello di una città virtuale

Mentre è più facile pensare che il clima sia uniforme in tutta Singapore, il fatto è che le diverse parti della città-stato hanno i loro profili climatici distinti, noti come microclimi. Il microclima di una zona è influenzato da una confluenza di fattori, che vanno da fattori naturali come il vento, luce solare e vegetazione a elementi artificiali come la densità degli edifici e il traffico veicolare.

La contabilizzazione di tutti questi fattori ambientali nella pianificazione urbana è una faccenda complicata, ma il gruppo di ricerca di Poh ha creato uno strumento digitale chiamato Integrated Environmental Modeler (IEM) per fare proprio questo. Sviluppato in collaborazione con i colleghi dell'A*STAR's Institute for Infocomm Research (I2R) e del Building &Research Institute, Housing and Development Board (HDB), Singapore, l'IEM sfrutta più fonti di dati per ricreare e simulare scenari microclimatici a Singapore. Questo lo distingue dagli altri modellisti ambientali sul mercato che in genere valutano solo un fattore ambientale alla volta.

"La lacuna più significativa che l'IEM colma è l'integrazione, " ha condiviso Poh. "È il primo strumento integrato e scalabile per accoppiare tutti i fattori chiave della fisica ambientale e le loro complesse interazioni in un'unica piattaforma unificata".

Per creare l'IEM, ai ricercatori sono stati forniti intricati dati geometrici 3D di Singapore dai loro collaboratori di HDB. Il team ha quindi sviluppato un modulo in grado di elaborare i dati geometrici 3D per trasformarli in una simulazione 3D altamente realistica del paese. Allo stesso tempo, 43 sensori ambientali sono stati dispiegati nella metà orientale di Singapore. Alimentato dal sole, questi sensori hanno raccolto dati su diversi parametri come l'irraggiamento solare, vento e temperatura, trasmettendo in modalità wireless i dati ai ricercatori in tempo reale.

Con grandi quantità di dati in mano, i ricercatori hanno quindi proceduto a svolgere il lavoro scrupoloso di combinare tutti i vari parametri in quello che sarebbe diventato l'IEM. Dati sulla dinamica del flusso d'aria, il percorso del calore solare e la propagazione del rumore sono stati sovrapposti alla simulazione 3D di Singapore, con una risoluzione orizzontale di dieci metri. Questo, ammesso Poh, è stata la parte più impegnativa del progetto.

"Quello che abbiamo creato non è un'integrazione del software esistente, ma un sistema costruito su un'architettura di calcolo scalabile che utilizza misurazioni in tempo reale, " Egli ha detto.

Quando il digitale diventa fisico

Il valore di uno strumento risiede nel problema che risolve per il suo utilizzatore. Nel caso dell'IEM, il primo problema che il team di Poh ha cercato di affrontare è stato un fenomeno del microclima noto come effetto isola di calore urbana, che è responsabile della forte differenza di temperatura tra le aree boschive e quelle urbanizzate.

Le isole di calore urbane risultano dalla costruzione di strutture urbane dense, come grattacieli e centri commerciali, che intrappolano il calore lungo strade relativamente strette. Insieme alla mancanza di vegetazione che fornisca ombra e al calore del traffico veicolare, le temperature in queste isole di calore possono salire a livelli insopportabili.

Non sorprende, i dati satellitari hanno rivelato che le isole di calore urbane sono più evidenti nel sud altamente urbanizzato di Singapore. Anche aree come il parco industriale di Tuas e l'aeroporto di Changi sono particolarmente calde a causa delle ampie strisce di cemento e metallo a vista che si trovano in questi siti. Nel frattempo, il nord boscoso è relativamente più fresco durante il giorno:i ricercatori hanno riportato una differenza di temperatura di 4°C tra le aree ben coltivate e il Central Business District di Singapore.

Combinando queste differenze di temperatura in tandem con simulazioni di fluidodinamica computazionale (CFD) della velocità e della direzione del vento, nonché la presenza o meno di vegetazione e corpi idrici in un'area, i ricercatori sono stati in grado di identificare posizioni ottimali per costruire servizi come campi da gioco in edifici esistenti o nuovi. Per di più, prendendo in considerazione i dati sul rumore, i ricercatori sono stati in grado di identificare un collegamento tra la distribuzione del calore e la propagazione del rumore negli ambienti urbani.

"Il suono viaggia più veloce nell'aria più calda, quindi quando l'aria sopra la terra è più calda dell'aria in superficie, l'onda sonora si piega verso la terra, " Poh ha spiegato. "In tali circostanze, la rifrazione verso il basso può consentire al suono di viaggiare su ostacoli come barriere antirumore e propagarsi ulteriormente."

Tali intuizioni potrebbero essere utili per gli urbanisti di Singapore, poiché vengono costruiti più grattacieli vicino alle autostrade per massimizzare l'utilizzo del territorio. Potrebbe anche essere necessario adeguare l'altezza e la posizione delle barriere antirumore per limitare l'entità dell'inquinamento acustico sperimentato dagli abitanti degli edifici.

Costruire su solide fondamenta

Analogamente a come lo skyline di Singapore è in uno stato di flusso costante, l'IEM rimane un lavoro in corso mentre Poh e colleghi continuano ad apportare miglioramenti alle simulazioni.

"La visione a lungo termine dello strumento IEM è trasformarlo in un modello "Digital Twin" altamente accurato da utilizzare con qualsiasi area urbanizzata, in grado di tenere conto di vari fattori che influenzano gli ambienti urbani, " ha detto Poh. "Ciò riduce il rischio di costosi tentativi fisici ed errori e consente di testare i piani di sviluppo in modo computazionale prima dell'effettiva implementazione".

Anche le caratteristiche dei singoli edifici possono essere valutate in silico utilizzando l'IEM, Poh ha aggiunto, evidenziando come ha lavorato con la Building and Construction Authority (BCA) di Singapore per più di un decennio sulla progettazione di edifici sensibili al clima, contribuendo con la sua esperienza sulle simulazioni CFD.

"Nel 2008, BCA ha incluso CFD nella sua iniziativa (il BCA Green Mark Scheme) per guidare l'industria delle costruzioni di Singapore verso edifici più rispettosi dell'ambiente, e sono stato assunto come valutatore esterno per i progetti nell'ambito dell'iniziativa, " ha detto. Poi nel 2012, ha inoltre collaborato con BCA per sviluppare metodologie di simulazione CFD e parametri di valutazione per la modellazione di spazi ventilati naturalmente in edifici non residenziali secondo i criteri del Green Mark.

Per il suo contributo al campo della vivibilità urbana e della sostenibilità a Singapore, Poh è stato premiato dal Ministero dello Sviluppo Nazionale (MND) come Young Leader del World Cities Summit nel 2014. Più recentemente, nel 2019, poh, insieme a Wee Shing Koh di IHPC, Fachmin Folianto di I2R e Sze Tiong Tan di HDB, hanno ricevuto il President's Technology Award 2019, il più prestigioso premio scientifico e tecnologico di Singapore, per il loro lavoro sull'IEM.

"La nostra ricerca aiuta a portare soluzioni innovative per la pianificazione e il design di città sostenibili, ma al di là del campo dell'urbanistica, scienziati del clima e ricercatori ambientali potrebbero anche utilizzare l'IEM per simulare e studiare gli effetti localizzati dei futuri cambiamenti climatici globali, "Ha detto Po.

"I risultati di tali studi sarebbero utili per le agenzie governative per formulare politiche e mettere in atto misure per mitigare le minacce legate al clima, " ha concluso.