La disposizione delle strade e degli edifici di una città gioca un ruolo cruciale nell'effetto isola di calore urbana locale, che fa sì che le città siano più calde dei loro dintorni, ricercatori hanno trovato. La nuova scoperta potrebbe fornire agli urbanisti e ai funzionari nuovi modi per influenzare tali effetti.

Alcune città, come New York e Chicago, sono disposti su una griglia precisa, come gli atomi in un cristallo, mentre altri come Boston o Londra sono disposti in modo più caotico, come gli atomi disordinati in un liquido o in un bicchiere. I ricercatori hanno scoperto che le città "cristalline" avevano un accumulo di calore molto maggiore rispetto all'ambiente circostante rispetto a quelle "simili al vetro".

Lo studio, pubblicato oggi sulla rivista Lettere di revisione fisica , trovato queste differenze nei modelli di città, che chiamano "texture, " è stato il più importante determinante dell'effetto isola di calore di una città. La ricerca è stata condotta dal ricercatore senior del MIT e del National Center for Scientific Research Roland Pellenq, che è anche direttore di un laboratorio congiunto MIT/CNRS/Università di Aix-Marseille denominato (MSE)2 (MultiScale Material Science for Energy and Environment); professore di ingegneria civile e ambientale Franz-Josef Ulm; assistente di ricerca Jacob Sobstyl; (MSE)2 ricercatore senior T. Emig; e M.J. Abdolhosseini Qomi, assistente professore di ingegneria civile e ambientale presso l'Università della California a Irvine.

L'effetto isola di calore è noto da decenni. Essa deriva essenzialmente dal fatto che i materiali da costruzione urbani, come cemento e asfalto, può assorbire il calore durante il giorno e irradiarlo di notte, molto più di quanto non facciano le aree coperte di vegetazione. L'effetto può essere piuttosto drammatico, aggiungendo fino a 10 gradi Fahrenheit alle temperature notturne in luoghi come Phoenix, Arizona. In tali luoghi questo effetto può aumentare significativamente i problemi di salute e il consumo di energia durante la stagione calda, quindi una migliore comprensione di ciò che lo produce sarà importante in un'epoca in cui sempre più persone vivono nelle città.

Il team ha scoperto che l'utilizzo di modelli matematici sviluppati per analizzare le strutture atomiche nei materiali fornisce uno strumento utile, portando a una formula semplice per descrivere il modo in cui il design di una città influenzerebbe il suo effetto isola di calore, dice Pellenq.

"Utilizziamo strumenti della fisica statistica classica, " spiega. I ricercatori hanno adattato le formule inizialmente ideate per descrivere come i singoli atomi in un materiale sono influenzati dalle forze degli altri atomi, e hanno ridotto questi complessi insiemi di relazioni a descrizioni statistiche molto più semplici delle distanze relative degli edifici vicini l'uno dall'altro. Li hanno poi applicati a modelli di edifici determinati da immagini satellitari di 47 città negli Stati Uniti e in altri paesi, alla fine si finisce con un singolo numero indice per ciascuno, chiamato parametro di ordine locale, compreso tra 0 (disordine totale) e 1 (struttura cristallina perfetta), fornire una descrizione statistica del gruppo dei vicini più prossimi di un dato edificio.

Per ogni città, dovevano raccogliere dati affidabili sulla temperatura, che proveniva da una stazione all'interno della città e da un'altra fuori di essa ma vicina, e poi determinare la differenza.

Per calcolare questo parametro di ordine locale, i fisici in genere devono utilizzare metodi come il bombardamento di materiali con neutroni per individuare le posizioni degli atomi al loro interno. Ma per questo progetto, Pellenq dice, "per ottenere le posizioni degli edifici non usiamo neutroni, solo Google Maps." Utilizzando algoritmi che hanno sviluppato per determinare il parametro dalle mappe della città, hanno scoperto che le città variavano da 0,5 a 0,9.

Le differenze nell'effetto di riscaldamento sembrano derivare dal modo in cui gli edifici riirradiano il calore che può poi essere riassorbito da altri edifici che li fronteggiano direttamente, determinata la squadra.

Soprattutto per luoghi come la Cina, dove si stanno rapidamente costruendo nuove città, e altre regioni in cui le città esistenti si stanno espandendo rapidamente, le informazioni potrebbero essere importanti da avere, lui dice. In luoghi caldi, le città potrebbero essere progettate per ridurre al minimo il riscaldamento supplementare, ma in luoghi più freddi l'effetto potrebbe effettivamente essere un vantaggio, e le città potrebbero essere progettate di conseguenza.

"Se stai pianificando una nuova sezione di Phoenix, "Pellenq dice, "non vuoi costruire su una griglia, visto che è già un posto molto caldo. Ma da qualche parte in Canada, un sindaco può dire di no, sceglieremo di utilizzare la griglia, per mantenere la città più calda."

Gli effetti sono significativi, lui dice. Il team ha valutato tutti gli stati individualmente e ha trovato, Per esempio, che nel solo stato della Florida gli effetti dell'isola di calore urbana causano circa 400 milioni di dollari di costi in eccesso per l'aria condizionata. "Questo dà una strategia per gli urbanisti, " dice. Mentre in generale è più semplice seguire uno schema a griglia, in termini di posizionamento delle linee di servizio, fognature e tubi dell'acqua, e sistemi di trasporto, in luoghi dove il calore può essere un problema serio, può valere la pena le complicazioni extra per un layout meno lineare.

Questo studio suggerisce anche che la ricerca sui materiali da costruzione può offrire un modo per gestire correttamente l'interazione del calore tra gli edifici nelle aree del centro storico delle città.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.