كيف تصبح بعض الأحياء أكثر برودة من غيرها؟ دراسة ترصد تأثير تجمعات المباني في حرارة المدن

ترتفع درجات الحرارة في المدن مقارنة بالمناطق الريفية المحيطة بها، نتيجة مجموعة من العوامل المعروفة، أبرزها انتشار الأسفلت والأسطح الخرسانية، وتراجع المساحات الخضراء، والحرارة الناتجة عن المباني وأجهزة تكييف الهواء.

لكن دراسة علمية جديدة كشفت عن عامل آخر قد يسهم في تفسير اختلاف درجات الحرارة بين أحياء المدن، يتمثل في طريقة توزيع المباني وتجميعها وفقًا لاستخداماتها.

وأظهرت الدراسة، التي شملت 101 مدينة حول العالم، أن تجمع المباني التي تؤدي الاستخدام نفسه، سواء كانت سكنية أو صناعية أو تجارية، في نطاقات عمرانية أكبر يرتبط بانخفاض درجات حرارة الأسطح خلال النهار والليل.

ووجد الباحثون أن المواقع التي تبعد 100 متر إضافية داخل تجمع عمراني يضم مباني متشابهة في الاستخدام، سجلت انخفاضًا في درجات حرارة الأسطح خلال النهار بنحو 0.156 درجة مئوية، أي ما يعادل نحو 4.5% من التأثير المعتاد لظاهرة الجزر الحرارية الحضرية.

وخلال الليل، بلغ الانخفاض نحو 0.085 درجة مئوية.

ورغم أن التأثير يبدو محدودًا على مستوى كل منطقة عمرانية، فإنه ظل قائمًا بعد أن أخذ الباحثون في الاعتبار مجموعة واسعة من العوامل، شملت ارتفاع المباني والغطاء الشجري والأسطح المرصوفة والرياح، إلى جانب عوامل أخرى.

ويرى الباحثون، أن هذه النتائج تكشف عن أداة إضافية يمكن أن يستفيد منها مخططو المدن عند تصميم المناطق العمرانية وتطويرها، للحد من تأثير الحرارة الحضرية.

وأجرى الدراسة باحثون من جامعة صن يات صن الصينية في مدينة قوانغتشو، وجامعة خنت البلجيكية، وشملت 101 مدينة حول العالم، من بينها نيويورك ولندن والدوحة وشنغهاي وليبرفيل.

كيف درس الباحثون توزيع المباني داخل المدن؟

بدأ الباحث الرئيسي شوتساي تشانج، بالتعاون مع فريق البحث، في جمع بيانات عن البصمات العمرانية للمباني وارتفاعاتها، بالاعتماد على مصادر متعددة، شملت خرائط OpenStreetMap وبيانات شركتي مايكروسوفت وجوجل، إلى جانب مجموعتي بيانات بحثيتين.
وأضاف الباحثون إلى بيانات كل مبنى معلومات عن الأنشطة التجارية والخدمات الموجودة في موقعه.

واستخدم الفريق نموذجًا حاسوبيًا لتصنيف المباني إلى سبع فئات رئيسية، هي المباني السكنية والتجارية والصناعية والطبية والتعليمية والإدارية، إلى جانب المباني المخصصة للخدمات العامة الأخرى.

وحقق النموذج دقة بلغت نحو 87% في تحديد الاستخدام الصحيح للمباني.
وبعد ذلك، قسّم الباحثون المدن إلى خلايا مكانية يبلغ طول كل منها 10 أمتار، ثم دمجوا الخلايا المتجاورة التي تنتمي إلى الاستخدام نفسه لتكوين تجمعات عمرانية متجانسة.

وأطلق الباحثون على المقياس المستخدم اسم «المقياس العمراني للتجانس»، وهو يعبر ببساطة عن المسافة التي تفصل أي موقع عن حدود التجمع العمراني الذي ينتمي إليه.

فعلى سبيل المثال، تحصل منطقة سكنية تقع في عمق تجمع كبير من المباني السكنية على قيمة مرتفعة لهذا المقياس، بينما تسجل المحال التجارية المحاطة بمستشفى ومستودع صناعي قيمة أقل، نتيجة اختلاف استخدامات المباني المحيطة بها.

واستخدم الفريق بيانات درجات حرارة الأسطح المستمدة من أحد أقمار وكالة ناسا، خلال صيف عام 2023 في نصف الكرة الشمالي، وصيف 2023-2024 في نصف الكرة الجنوبي.

وقاس الباحثون شدة ظاهرة الجزيرة الحرارية الحضرية في كل منطقة، من خلال مقارنة درجة حرارة سطحها بالوسيط الحسابي لدرجات حرارة الأسطح في المناطق الريفية المحيطة بها.

وبلغ عرض كل منطقة عمرانية خضعت للتحليل 500 متر، ليصل إجمالي المناطق التي تمت مقارنتها إلى 233 ألفًا و844 منطقة في المدن الـ101.

المناطق السكنية تسجل أكبر التجمعات المتجانسة

أظهرت النتائج أن المناطق السكنية شكلت أكبر التجمعات العمرانية المتجانسة من حيث الاستخدام في جميع القارات، وجاءت المناطق الصناعية في المرتبة الثانية.

في المقابل، ظهرت المباني التجارية والطبية والتعليمية والحكومية في تجمعات أصغر وأكثر تفرقًا داخل المدن.

وسجلت مدينة ليبرفيل في الجابون انتشارًا واسعًا للتجمعات السكنية غير الرسمية، بينما تميزت مدينة شنغهاي بأحزمة صناعية واسعة.

أما مدن أمريكا الجنوبية، فسجلت أصغر التجمعات العمرانية المتجانسة مقارنة ببقية المناطق التي شملتها الدراسة.

وأكد الباحثون، أن المقياس المستخدم لا يعبر عن الكثافة السكانية أو المساحات الخضراء بصورة مباشرة، إذ لم تظهر علاقة ثابتة بين حجم التجمعات العمرانية من ناحية، وكثافة السكان والطرق والمباني أو الغطاء الشجري من ناحية أخرى.

كما لم يرتبط حجم التجمعات بصورة منتظمة بمساحة الأراضي المغطاة بالأسطح المرصوفة.

تجمعات المباني الأكبر ترتبط بانخفاض حرارة الأسطح

عند مقارنة العوامل المختلفة المؤثرة في درجات حرارة الأسطح، وجد الباحثون أن سرعة الرياح كانت العامل الأكثر مساهمة في خفض حرارة الأسطح خلال النهار، بينما كان انتشار الأراضي المرصوفة العامل الأكبر في رفعها.

وجاء حجم التجمعات العمرانية في المرتبة السابعة من حيث التأثير خلال النهار، والرابعة خلال الليل، بعد عوامل شملت الأسطح المرصوفة والسطوع السطحي والغطاء الشجري.

وكشفت الدراسة أن العلاقة بين حجم التجمعات العمرانية ودرجات الحرارة ليست علاقة خطية.
فعندما تقع المنطقة على مسافة تقل عن نحو 110 أمتار من حدود التجمع العمراني، لا تتغير درجات حرارة الأسطح بصورة كبيرة.

لكن بعد تجاوز هذه المسافة، تبدأ درجات الحرارة في الانخفاض بصورة أكثر وضوحًا، ويستمر هذا الانخفاض مع التوغل داخل التجمع العمراني حتى مسافة تقارب 265 مترًا.
وخلال الليل، يظهر تأثير التبريد عند أحجام أصغر من التجمعات العمرانية، لكنه يصل إلى مرحلة الاستقرار بصورة أسرع.

كما رصد الباحثون اختلافًا في حجم التأثير وفقًا للموقع الجغرافي، إذ حققت المدن الداخلية استفادة أكبر قليلًا خلال النهار مقارنة بالمدن الساحلية، بينما بلغ تأثير التبريد في المدن الساحلية خلال الليل نحو ضعف التأثير المسجل في المدن الداخلية.

وربط الباحثون هذه النتائج بتأثير نسيم البحر، الذي يساعد على تحريك الهواء وخلطه خلال النهار، بينما يتراجع تأثيره بعد حلول الليل.

كما أظهرت النتائج أن المدن ذات المناخ الرطب استفادت من تأثير التجمعات العمرانية المتجانسة بدرجة أكبر من المدن الجافة، وهي نتيجة تكتسب أهمية خاصة لأن ارتفاع الرطوبة يجعل الجسم أقل قدرة على التخلص من الحرارة وتبريد نفسه.

المدن متوسطة الدخل تحقق أكبر استفادة خلال النهار

لم تكن فوائد التجمعات العمرانية المتجانسة متساوية بين المدن، إذ أظهرت الدراسة اختلافًا في تأثيرها وفقًا لمستويات الدخل.

وسجلت المدن متوسطة الدخل أكبر انخفاض في درجات حرارة الأسطح خلال النهار، إذ تراجعت بنحو 0.168 درجة مئوية مقابل كل 100 متر إضافية من حدود التجمع العمراني باتجاه مركزه.

أما خلال الليل، فقد ارتبط حجم الاستفادة بارتفاع مستوى الدخل، إذ بلغ انخفاض درجات الحرارة نحو 0.051 درجة مئوية في المناطق منخفضة الدخل، مقابل 0.107 درجة مئوية في المناطق مرتفعة الدخل.

وفي المدن منخفضة الدخل، أظهرت النتائج أن المباني الأكبر حجمًا والأكثر ضخامة تقلل من تأثير التبريد المرتبط بالتجمعات العمرانية المتجانسة بدرجة أكبر مقارنة بالمدن الأخرى.

وأرجع الباحثون ذلك جزئيًا إلى ارتفاع نسبة الأراضي الصناعية في هذه المدن، حيث يمكن أن يؤدي تجميع المنشآت الصناعية إلى تركيز الحرارة المهدرة الناتجة عن الأنشطة التشغيلية.

كما تتميز المدن منخفضة الدخل، وفقًا للدراسة، بارتفاعات أقل للمباني وحجم عمراني إجمالي أقل، إلى جانب زيادة الغطاء الشجري، وهو ما قد يقلل المساحة المتاحة لتحقيق مزيد من التبريد من خلال تجميع المباني المتشابهة في الاستخدام.

الأشجار تعزز تأثير التبريد في التجمعات العمرانية

على الجانب الآخر، أظهرت الدراسة أن الغطاء الشجري يمكن أن يعزز تأثير التبريد الناتج عن التجمعات العمرانية المتجانسة.

ففي المناطق منخفضة ومتوسطة الدخل، ساعد انتشار الأشجار على زيادة الانخفاض في درجات حرارة الأسطح خلال النهار داخل التجمعات العمرانية الكبيرة.

وكانت أكبر استفادة من هذا التأثير في المدن منخفضة الدخل.

وبناءً على ذلك، أوصى الباحثون بربط خطط التنمية العمرانية التي تستهدف زيادة كثافة المباني في المناطق منخفضة الدخل بإجراءات تعويضية تشمل زراعة الأشجار وتعزيز المساحات الخضراء.

ويرى الباحثون أن دمج تخطيط استخدامات الأراضي مع سياسات التشجير يمكن أن يوفر نهجًا أكثر تكاملًا للتعامل مع ارتفاع درجات الحرارة داخل المدن.

درجات حرارة الأسطح لا تعني بالضرورة انخفاض حرارة الهواء

رغم النتائج التي توصلت إليها الدراسة، شدد الباحثون على ضرورة التمييز بين درجات حرارة الأسطح ودرجات حرارة الهواء الذي يتنفسه السكان على مستوى الشوارع.

فالقياسات المستخدمة في الدراسة تعكس درجات حرارة أسطح المباني والطرق والأرض كما تظهر من الأقمار الصناعية، ولا تقيس درجة حرارة الهواء المحيط بالإنسان بصورة مباشرة.

وأوضح الباحثون، أن الأنماط التي رُصدت خلال النهار، على وجه الخصوص، لا يمكن تعميمها على درجات حرارة الهواء دون إجراء قياسات ميدانية إضافية.

كما أن البيانات تغطي فصلًا صيفيًا واحدًا فقط، وهو ما يعني أن الدراسة تكشف عن ارتباط بين زيادة حجم التجمعات العمرانية المتجانسة وانخفاض درجات حرارة الأسطح، لكنها لا تثبت أن العامل الأول هو السبب المباشر للثاني.

وطرح الباحثون عددًا من التفسيرات المحتملة لهذه العلاقة، من بينها أن المباني المتشابهة في الاستخدام قد تتقارب في ارتفاعاتها وأشكالها الهندسية، بما يسمح للرياح بالتحرك بينها بصورة أكثر انسيابية.

<

div class=”mceTemp”>

كذلك، قد تؤدي أوقات التشغيل المتشابهة لهذه المباني إلى وجود فترات ينخفض خلالها إطلاق الحرارة المهدرة، في حين يمكن أن تستمر الأنشطة داخل المناطق المختلطة الاستخدام على مدار ساعات أطول من اليوم، بما يؤدي إلى استمرار إطلاق الحرارة.

ومع ذلك، لا تستطيع بيانات الأقمار الصناعية تحديد ما إذا كان الهواء الموجود فوق التجمعات السكنية الكبيرة أكثر برودة بالفعل.

ويتطلب حسم هذه المسألة إجراء قياسات مباشرة لدرجات حرارة الهواء داخل المناطق الحضرية، ومقارنتها بمستويات الحرارة في المناطق المحيطة.

ونُشرت الدراسة في دورية Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) العلمية.