Технології
Екологія
Технології
Екологія

Холодні дороги і тротуари знизили температуру повітря у містах

Дослідники з MIT запропонували боротися з підвищеними температурами у містах за допомогою охолоджувальних тротуарів. Вони з'ясували, що ті займають близько 40 відсотків дорожньої інфраструктури у американських містах. Так з ефектом міського теплового острова у Бостоні та Фініксі вдалося справитися, знизивши температуру повітря приблизно на два градуси. Також у статті, опублікованій у Environmental Science and Technology, вчені повідомляють, що змогли знизити і кількість парникових викидів — до трьох відсотків у Бостоні та до шести у Фініксі.

Супутникові температурні знімки узбережжя Каліфорнії. Victor Klemas

Супутникові температурні знімки узбережжя Каліфорнії. Victor Klemas

Як виїхати з міського теплового острова?

Міста займають всього два відсотки площі земної кулі, але дякуючи урбанізації до середини століття двоє з трьох жителів планети Земля житимуть вже у містах. Однак, разом із «благами цивілізації» життя у місті змусить вас стикнутися із двома одночасними кліматичними проблемами. У першу чергу із глобальною зміною клімату. Однак, саме містянам доведеться відчути всю повноту явищ екстремальної спеки, пов'язаних з ефектом міського теплового острова, коли через діяльність людини температура саме у містах вища, ніж у навколишніх сільських місцевостях. Він виникає з ряду причин. По-перше, це явні і приховані джерела антропогенного тепла, коли робота транспорту, промисловість та навіть побутові прилади здатні збільшити концентрацію приземного озону, порушити нормальну глобальну атмосферну циркуляцію і відповідають за один відсоток викидів парникових газів. Щоб боротися з ними, пропонують, наприклад, централізовані системи кондиціонування, що дасть змогу в рази скоротити споживання електроенергії містом. Також евапотранспірація або кількість випаровуваної вологи, якої містам не вистачає разом із зеленими насадженнями. Збільшення рослинності допомогло б збільшити кількість вологи, а отже і підвищило б ефективність, з якою поверхня землі відводить тепло в нижні шари атмосфери, тим самим знижуючи температуру поверхні. Із акумулюванням тепла щільно забудованими середовищами та викривленим балансом між вхідною та вихідною енергією у верхніх шарах атмосфери пропонують справлятися встановленням так званих холодних дахів і холодних тротуарів. Вони мають поверхні з більш високим коефіцієнтом відображення сонячного світла (альбедо) і нижчим тепловим випромінюванням, ніж у звичайних дахів або доріг.

Порівняння супутникових зображень Нью-Йорка, де згори температура міста, а внизу — кількість рослинності. Тут добре видно, що там, де рослинності більше, температура нижча. NASA / Wikimedia Commons

Порівняння супутникових зображень Нью-Йорка, де згори температура міста, а внизу — кількість рослинності. Тут добре видно, що там, де рослинності більше, температура нижча. NASA / Wikimedia Commons

Однак, важливо зазначити, що успіх всіх цих стратегій сильно залежить від контексту: місцевий клімат і характеристики району будуть впливати на ступінь, в якому зміна температури повітря компенсується збільшенням тепла, що потрапляє на сусідні будівлі. Наприклад, з одного боку, завдяки зниженню температури прохолодні тротуари можуть знизити потребу в кондиціонерах влітку, при цьому збільшуючи потребу в опаленні взимку. І навпаки, відбиваючи світло, падаюче від них випромінювання на довколишні будівлі, може нагріти їх та збільшити використання кондиціонерів влітку, але зменшить потребу в опаленні взимку. У цій роботі дослідники зосередилися саме на вирахуванні ефективності використання охолоджувальних тротуарів, які, на їхню думку, міста набагато легше зможуть включити у інфраструктуру. Вони вважають, що контроверсійні погляди на цей спосіб вибратися із міського теплового острова виникають через відмінності у масштабах моделювання і нездатності повністю охарактеризувати вплив міського контексту на результат. Нове моделювання на прикладі двох американських міст з різним кліматом, а саме Фінікса і Бостона, включає всі аспекти ефективності введення холодних тротуарів. У тому числі особливості окремих будівель, транспортної завантаженості ділянок, кліматичні риси міст, так навіть витрати на заміну вже існуючих асфальтних покриттів. Результати аналізу показують, ща за правильного розташування, така заміна може знизити температуру міського повітря та рівень загальних викидів парникових газів майже на шість відсотків.

Як працюють холодні тротуари?

Як ми вже зазначили, холодні тротуари виготовляються з різних матеріалів, які збільшують альбедо і здатні відбивати випромінювання з атмосфери. Збільшення альбедо знижує передачу тепла до поверхні і може викликати локальне охолодження, якщо просторовий масштаб зменшення альбедо досить великий. Але ж у світі налічується близько чотирьох мільярдів квадратних кілометрів міських територій. Та навіть якщо лише 7,5 відсотка цієї площі заасфальтовані (у Фініксі це 7,7 відсотка території, у Бостоні — 15), то заміна звичного покриття на охолоджуюче здатне знизити кількість парникових газів від 0,9 до 3,1 метричних тонн еквіваленту вуглекислого газу у перші 50 років. Нижчі температури дають змогу знизити використання кондиціонерів, а отже і енергоспоживання. Наприклад, Лос-Анджелесу це допомогло зекономити понад 90 мільйонів доларів на рік.

Зліва — інфрачервоне зображення місця для паркування із використанням охолоджуючого покриття, а справа — звичайне. Indur Goklany

Зліва — інфрачервоне зображення місця для паркування із використанням охолоджуючого покриття, а справа — звичайне. Indur Goklany

Однак, все ж моделювання наслідків використання холодних тротуарів для зміни клімату є складним завданням, адже необхідно враховувати неоднорідність районів. У містах всі компоненти середовища взаємопов'язані, і зміна одного компонента понесе зміни всій інфраструктурі. Так для охолоджувальних покриттів слід враховувати, наприклад, машинопотік, адже покриття відбиває світло і може заважати водіям. Також його структурні властивості, як-то більша шорсткість, збільшують витрати палива, бо змінюють можливу швидкість руху автомобіля. А у деяких місцях, залежно від рельєфу та погодних особливостей регіону, такий асфальт взагалі не можна буде розмістити. Все це варто враховувати для оцінки ефективності заміни дорожніх покриттів і у своєму дослідженні вчені змогли зробити це через взаємодію між покриттями, транспортними засобами і будівлями.

Як охолонули міста?

У цьому дослідженні вчені спеціально обрали міста Фінікс і Бостон з огляду на абсолютно різні кліматичні умови у них. Так вони взялися відстежити весь цикл кліматичних змін, які стануться за переходу від звичайних асфальтових покриттів до трьох варіантів холодних: відбивальний асфальт, звичайний бетон і відбивальний бетон. Для цього вчені використовували фізичне моделювання будівель в тисячах гіпотетичних районів. Використовуючи ці дані, вони навчили нейромережу прогнозувати вплив охолоджуючого покриття на кожну з тисяч доріг і сотень тисяч будівель на основі характеристик районів Бостона і Фінікса. З'ясувалося, що хоча прохолодні тротуари вигідні в цілому, ідеальні матеріали і сама вигода для міст дуже відрізнялися. Це пов'язують із більшою посушливістю клімату Фінікса, яка дає змогу краще відводити тепло через відбиття світла від поверхні. Дослідники виявили, що бетонні покриття дають найкращі результати у 53 відсотках і 73 відсотках районів Бостона і Фінікса відповідно. Але для Бостона все ж краще замінити звичайне асфальтне покриття на охолоджувальний асфальт, а не бетон з огляду на кращі характеристики при високих температурах та найменші витрати палива для автомобілів, що цим покриттям їздитимуть. Помітним буде і зниження температури: прохолодні тротуари знизять пікові літні температури повітря в Бостоні на 1,7 градуса Цельсію, а у Фініксі — на 2,1 градуса. Це в чотири рази менше, ніж пікові зниження температури влітку. Цікаво, що більш забудовані райони погано піддаються такому зниженню температури, що вчені пов'язують з нагріванням цих будівель відбитим від покриття світлом. При цьому за 50 років (з урахуванням збільшення населення і протяжності доріг в 2,3 і 4,6 рази відповідно) викиди вуглекислого газу скоротяться на три відсотки для Бостона і на шість для Фінікса. Це еквівалентно видаленню викидів при водінні від 5500 до 17800 автомобілів та від 13700 до 96000 автомобілів за той же 50-річний період.

Підхід до моделювання, представлений в цьому дослідженні, дозволив отримати уявлення про вплив стратегії холодного покриття на зміну клімату. Вчені вважають, що заміна покриттів є найвигіднішим варіантом для міст знизити собі температуру нагрівання та кількість викидів парникових газів, враховуючи, що саме місто відповідає за дорожню інфраструктуру.