ภาพฤดูร้อนที่สมบูรณ์แบบสำหรับหลาย ๆ คนเกี่ยวข้องกับการจุ่มเท้าลงไปในริมน้ำบนหาดทราย เดินเล่นในสวนสาธารณะ เลียไอศกรีม หรือเปิดขวดเบียร์เย็น ๆ ขณะที่ได้กลิ่นอันหอมหวนจากเตาบาร์บีคิวในบริเวณใกล้เคียง แต่ถ้าคุณอาศัยอยู่ในเมือง ซึ่งประชากรกว่าครึ่งโลกมีในขณะนี้ ความเพลิดเพลินในฤดูร้อนของคุณอาจลดลงตามสภาพแวดล้อมรอบตัวคุณ เมืองร้อน สถานที่ที่มีเสียงดัง
และคุณภาพอากาศ
ไม่ดี ซึ่งมีแนวโน้มที่จะเกิดน้ำท่วมฉับพลันระหว่างเกิดพายุ ในเมือง เรามีความผิดในการใช้พลังงานจำนวนมากเพื่อทำความเย็นในฤดูร้อน ทำความร้อนในฤดูหนาว และขนส่งตลอดทั้งปี การทำให้เมืองน่าอยู่ขึ้นและเป็นสถานที่ที่น่าอยู่อย่างยั่งยืนจึงเป็นหนึ่งในเป้าหมายหลักของการวิจัยด้านสิ่งแวดล้อม
และเป็นเป้าหมายที่นักฟิสิกส์เหมาะสมอย่างยิ่งที่จะมีส่วนร่วม นักฟิสิกส์ทั่วโลก โดยเฉพาะผู้ที่ทำงานด้านฟิสิกส์สิ่งแวดล้อมและอุตุนิยมวิทยา กำลังร่วมมือกับนักวิทยาศาสตร์จากสาขาอื่นๆ เพื่อศึกษาประสิทธิภาพด้านสิ่งแวดล้อมของเมืองต่างๆ และกำหนดว่าสภาพแวดล้อมในเมืองเหล่านี้ “เป็นสีเขียว”
เป็นอย่างไร ลักษณะทางสิ่งแวดล้อมที่สำคัญอย่างหนึ่งของเมืองคือ “เกาะร้อนในเมือง” ซึ่งพื้นที่ในเมืองจะร้อนกว่าชนบทโดยรอบ นี่เป็นปัญหาที่แท้จริงซึ่งจะทำให้แย่ลงไปอีกจากการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ ดังนั้นจึงกลายเป็นจุดสนใจหลักของการวิจัย เกาะความร้อนในเมืองโดยทั่วไปแล้ว เมืองต่างๆ
จะร้อนกว่าพื้นที่ชนบทโดยรอบประมาณ 4 °C และยิ่งเมืองมีขนาดใหญ่เท่าใด ความแตกต่างก็ยิ่งมากขึ้นเท่านั้น เพื่อให้เข้าใจว่าทำไม เราต้องพิจารณาสมดุลพลังงานของพื้นที่ทั้งสอง (รูปที่ 1) แม้ว่าเครื่องทำความร้อน เครื่องปรับอากาศ และการขนส่งล้วนแล้วแต่ผลิตพลังงานในเมือง
แต่นี่เป็นองค์ประกอบเล็กน้อยอย่างน่าประหลาดใจของสมดุลความร้อน – เพียงประมาณ 50 W m –2 เท่านั้น ยกเว้นในฤดูหนาว สิ่งนี้ถูกบดบังด้วยพลังงานที่เราได้รับจากดวงอาทิตย์ ซึ่งแม้ในสหราชอาณาจักรจะมีค่าสูงสุดที่มากกว่า 800 W m –2 ความแตกต่างระหว่างอุณหภูมิในเมืองและชนบท
โดยรอบส่วนใหญ่
เกิดจากสิ่งที่เกิดขึ้นกับพลังงานของดวงอาทิตย์ในสภาพแวดล้อมทั้งสองแห่ง ในพื้นที่ชนบท พืชพรรณสะท้อนรังสีคลื่นสั้นประมาณหนึ่งในสี่ (แสงที่ตามองเห็นหรือความยาวคลื่นสั้นกว่า) จากสามในสี่ส่วนที่ถูกดูดซึม พลังงานส่วนใหญ่ใช้เพื่อระเหยน้ำออกจากใบไม้ ซึ่งเป็นกระบวนการที่เรียกว่า การทำเช่นนี้
ทำให้พืชเย็นลง ซึ่งจะแผ่รังสีคลื่นยาวเพียงเล็กน้อย (อินฟราเรด) และแม้แต่พลังงานที่น้อยลงก็ยังเหลืออยู่เพื่อให้ความร้อนแก่อากาศโดยการพาความร้อนและเพื่อให้ความร้อนแก่ดินด้วยการนำความร้อนในเมืองที่พืชถูกแทนที่ด้วยอาคารและถนนเป็นส่วนใหญ่ ความสมดุลของพลังงานจะเปลี่ยนไปอย่างมาก
วัสดุประดิษฐ์สีเข้มสะท้อนแสงน้อยกว่าและดูดซับรังสีได้มากกว่าพืช “อัลเบโด” ที่ต่ำกว่านี้หมายความว่ามีการสะท้อนรังสีของดวงอาทิตย์เพียง 10% เท่านั้น ตัวเลขนี้จะต่ำกว่าในเมืองที่มีตึกสูงซึ่งมีแสงสะท้อนลงมายัง “หุบเขา” ในเมือง พลังงานเกือบทั้งหมดนี้เข้าสู่การทำความร้อนให้กับถนนและหลังคา
ในตอนกลางคืน
ความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างชนบทกับเกาะร้อนในเมืองจะยิ่งเด่นชัดมากขึ้นไปอีก เมืองต่างๆ เย็นลงอย่างช้าๆ เนื่องจากมีความร้อนสะสมอยู่ในอาคารมากขึ้น ซึ่งยังคงกระจายออกไปในตอนกลางคืน มีมลพิษมากขึ้นเพื่อดักจับรังสีคลื่นยาว และภายในหุบเขาในเมืองจะมองเห็นท้องฟ้าที่เย็นสบาย
ได้น้อยกว่า ดังนั้นการแผ่รังสีจึงเล็ดลอดออกไปได้น้อยลง ทั้งหมดนี้ทำให้เกิดปัญหาใหญ่สำหรับชาวเมือง อุณหภูมิอากาศในเขตเมืองที่สูงขึ้นเหนือพื้นที่ชนบทโดยรอบ ซึ่งอาจสูงถึง 7 °C ในเมืองใหญ่อย่างลอนดอน ทำให้เมืองมีความสะดวกสบายน้อยลงในช่วงฤดูร้อน อุณหภูมิที่เพิ่มสูงขึ้น
ทำให้สุขภาพไม่ดีและอาจคร่าชีวิตผู้คนในช่วงที่มีคลื่นความร้อน เชื่อกันว่ามีผู้เสียชีวิตมากกว่า 35,000 คนในยุโรปอันเป็นผลมาจากคลื่นความร้อนในปี 2546 ส่วนใหญ่อยู่ในเมืองและเมืองต่างๆ เกาะความร้อนในเมืองยังทำให้เมืองมีความยั่งยืนน้อยลง เนื่องจากจะเพิ่มปริมาณพลังงานที่ใช้สำหรับเครื่องปรับอากาศ
ซึ่งเป็นพลังงานที่สูบเข้าไปในที่โล่งและทำให้สถานการณ์แย่ลง โชคดีที่ฟิสิกส์แสดงให้เห็นว่าสามารถใช้วิธีการที่แตกต่างกันสองวิธีในการบรรเทาเกาะความร้อนในเมืองได้: การใช้ “พื้นผิวที่เย็น”; และใช้พืชพรรณหรือ “โครงสร้างพื้นฐานสีเขียว” พื้นผิวเย็นการเพิ่มอัลเบโดของอาคารและถนนเพื่อให้สะท้อนแสง
ได้มากขึ้นเป็นวิธีการที่ใช้มานานหลายศตวรรษในทะเลเมดิเตอร์เรเนียน ลองนึกถึงหมู่บ้านสีขาวในกรีซ ทางตอนใต้ของอิตาลี และสเปน ที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ ในแคลิฟอร์เนีย ประสิทธิภาพของแนวทางนี้ได้รับการตรวจสอบโดยกลุ่มวิจัย ซึ่งนำโดยนักฟิสิกส์ เอฟเฟกต์การระบายความร้อนของพื้นผิวหลังคา
ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติการสะท้อนแสงและการปล่อยรังสี ความสามารถในการสะท้อนความยาวคลื่นสั้น เช่น แสงที่มองเห็นและรังสีอินฟราเรดใกล้ และการปล่อยรังสีความร้อนในอินฟราเรดไกล แม้ว่าพื้นผิวทาสีขาวมาตรฐานจะรักษาความเย็นได้ดี แต่ก็เป็นไปได้ที่จะสร้างพื้นผิวเย็นที่มีสีปานกลางถึงเข้ม
ซึ่งอาจดูเป็นแบบดั้งเดิมมากกว่าบนหลังคา สิ่งเหล่านี้ถูกสร้างขึ้นโดยการผสมสีรองพื้นสะท้อนแสง เช่น ไททาเนียมไดออกไซด์สีขาว เข้ากับเม็ดสีที่เข้มกว่าซึ่งมีแสงสะท้อนที่มองเห็นได้ในระดับปานกลาง เช่น สีแดงของเหล็กออกไซด์หรือสีดำเพอริลีน นานมาแล้วในปี 1999 ได้แสดงให้เห็นว่า “พื้นผิวที่เย็น”
เหล่านี้สามารถลดอุณหภูมิสูงสุดของหลังคาและทางเท้าในแคลิฟอร์เนียจาก 50 °C ลงเหลือประมาณ 30 °C กลุ่มเดียวกันยังได้ศึกษาความหมายของการทำความเย็นนี้สำหรับแต่ละอาคาร ประการแรก นักวิจัยเปรียบเทียบประสิทธิภาพการระบายความร้อนของอาคารทั่วไปกับอาคารที่เหมือนกันซึ่งมีหลังคาหุ้มด้วยพื้นผิวที่เย็น การทดสอบเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าในฤดูร้อน
