کارشناسان برای ایجاد روشی عملی برای تولید هیدروژن سبز با استفاده از کاتالیزورهای پایدار، نیروهای خود را متحد کرده اند

کارشناسان سوانسی و گرنوبل برای ایجاد روشی عملی برای تولید هیدروژن سبز با استفاده از کاتالیزورهای پایدار به نیروهای خود ملحق شده اند.

محققان اکنون امیدوارند که کار آنها گام بزرگی در جهت ساده تر، مقرون به صرفه تر و مقیاس پذیرتر کردن تولید هیدروژن سبز باشد.

دکتر موریتز کوئنل، مدرس ارشد گروه شیمی دانشگاه سوانسی، گفت: “در کار خود از آنزیم های طبیعی – هیدروژنازها – برای تولید هیدروژن سبز با استفاده از نور خورشید استفاده می کنیم. برخلاف کاتالیزورهای مصنوعی که بر پایه فلزات گرانبها مانند پلاتین هستند، هیدروژنازها فقط حاوی زمین هستند. عناصر فراوانی مانند آهن و نیکل. با این حال، این آنزیم ها بسیار حساس هستند و به سرعت در معرض هوا غیرفعال می شوند و استفاده عملی از آنها را تقریبا غیرممکن می کند.

این تیم اکنون حلال های مهندسی شده ای را توسعه داده اند که هیدروژنازها را قادر می سازد در هوا عمل کنند. قرار دادن آن‌ها به جای آب در این حلال‌ها باعث فعال‌تر و پایدارتر شدن آن‌ها می‌شود، به طوری که می‌توان از آن‌ها عملاً در هوا برای تولید هیدروژن استفاده کرد.

دکتر کریستین کاوازا، دانشمند ارشد در CEA گرنوبل، افزود: “ما نانوذرات مصنوعی را با آنزیم های طبیعی در مواد به اصطلاح ترکیبی ادغام کردیم، که بهترین های هر دو دنیا را برای دستیابی به عملکرد جدید و برتر ترکیب می کند. نانوذرات TiO 2 در استفاده از نور خورشید عالی _هستند . تولید بارها و هیدروژنازها در استفاده از این بارها برای تولید هیدروژن سبز بسیار کارآمد هستند.

بنابراین ترکیب این دو امکان تولید موثر هید روژن سبز از نور خورشید را فراهم می کند، چیزی که هیچ یک از اجزای جداگانه قادر به انجام آن نیستند.

این تحقیق تخصص دانشگاه سوانسی را در زمینه فوتوکاتالیز، طراحی حلال و تمرکز آن بر ارائه راه حل های عملی برای مشکلات پیچیده گرد هم آورد و این را با دانش استخراج آنزیم های طبیعی و استفاده از آنها برای تبدیل انرژی های تجدید پذیر در کمیسیون انرژی های جایگزین و انرژی اتمی (CEA) و دانشگاه گرنوبل آلپ (UGA).

این همکاری نتیجه مشارکت استراتژیک سوانسی با UGA بود. یافته های محققان به تازگی توسط مجله بین المللی Angewandte Chemie منتشر شده است .

دکتر آلن لو گاف، دانشمند ارشد در CNRS گرنوبل، گفت: “این کار نمونه ای الهام بخش از این است که چگونه ترکیب تخصص چندین شریک در یک همکاری بین المللی می تواند به پیشرفت های تحقیقاتی اساسی منجر شود.”

هیدروژن سبز به عنوان سوختی برای کربن زدایی حمل و نقل – به ویژه HGV، حمل و نقل هوایی طولانی مدت، بخش دریایی که در آن برق رسانی قابل دوام نیست – و همچنین صنایع شیمیایی، به ویژه تولید کود، و برای بخش انرژی مورد نیاز است.

با این حال، هزینه های تولید هیدروژن سبز در حال حاضر استفاده از آن را در مقیاس بزرگ محدود می کند، به همین دلیل است که این تحقیق برای آینده بسیار مهم است.

استفاده از کاتالیزورهای پایدار مانند هیدروژنازها به جای پلاتین گران قیمت می تواند هزینه الکترولیزها و پیل های سوختی را کاهش دهد و تولید و استفاده هیدرو ژن سبز را ارزان تر کند. همچنین وابستگی به واردات را کاهش می دهد که می تواند توسط عوامل خارجی مختل شود.

منابع آب غیرسنتی را می توان برای کمک به مقابله با خطرات آب ناشی از آب و هوا و مقابله با افزایش تقاضای آب برای کربن زدایی نیروگاه های سوخت فسیلی استفاده کرد، اما این می تواند هزینه تولید برق را بین 8 تا 10 درصد افزایش دهد.

یک تحلیل جدید به رهبری یک محقق دانشگاه وایومینگ نشان می‌دهد که آب‌های زیرزمینی شور یا شور این پتانسیل را دارند که جایگزین آب شیرین برای خنک کردن نیروگاه‌های زغال‌سنگ و گاز طبیعی و تقویت انعطاف‌پذیری در زیرساخت‌های انرژی شوند، اگرچه انجام این کار هزینه‌ای دارد. .

با تهدید منابع آب شیرین به دلیل خشکسالی، تغییرات آب و هوایی و رشد سریع اجتماعی و اقتصادی، رقابت آب بین بخش برق و سایر بخش ها در حال افزایش است. در حالی که در حال گذار به آینده انرژی کم کربن، کربن زدایی نیروگاه های سوخت فسیلی با جذب و ذخیره کربن به طور قابل توجهی مصرف آب را افزایش می دهد و رقابت آب را تشدید می کند. چالش های آب، اپراتورهای نیروگاه را به کشف منابع آب جایگزین سوق می دهد.

تیم تحقیقاتی به سرپرستی هایبو ژای، رئیس دانشگاه روی و کریل کلین نوشت: «منابع آب غیرسنتی را می توان برای مقابله با خطرات آب ناشی از آب و هوا و مقابله با افزایش تقاضای آب برای کربن زدایی نیروگاه های سوخت فسیلی به کار برد. در دانشکده فنی و مهندسی و علوم فیزیکی «تصفیه آب‌های زیرزمینی شور برای خنک‌سازی تولید ترموالکتریک می‌تواند به کاهش رقابت بالقوه برای منابع آب شیرین در میان بخش‌های مختلف در مناطق تحت تنش آبی کمک کند».

این تحقیق در مجله Nature Water با دکترای UW Zhai منتشر شده است. دانشجو، زیتائو وو، به عنوان نویسنده اصلی مقاله. سایر مشارکت کنندگان از آزمایشگاه ملی فناوری انرژی در پیتسبورگ، پاسیا هستند. این مجله بهترین تحقیقات را در مورد رابطه در حال تکامل بین آب و جامعه منتشر می کند. این دومین مقاله از یک پروژه چند ساله است که توسط وزارت انرژی ایالات متحده تامین مالی شده است. اولین مقاله که سال گذشته در مجله Applied Energy منتشر شد، امکان تغییر از برج های خنک کننده آبی به سیستم های خنک کننده خشک در نیروگاه های سوخت فسیلی را بررسی کرد.

حذف نمک ها و مواد معدنی اضافی محلول از آب شور می تواند به خودی خود انرژی بر باشد و آب نمک غلیظی تولید کند که نیاز به دفع دارد. روشی به نام تخلیه مایع صفر اثرات زیست‌محیطی نمک‌زدایی را به حداقل می‌رساند اما بسیار پرهزینه است.

محققان امکان سنجی فنی و اقتصادی چندین فرآیند نمک زدایی را بررسی کردند. آنها همچنین تخمین زدند که در نتیجه تصفیه آب شور برای خنک کردن نیروگاه، چقدر آب شیرین صرفه جویی می شود، و مقرون به صرفه بودن تعمیرات تصفیه آب شور – و تأثیر بر ظرفیت خالص تولید نیروگاه ها را ارزیابی کردند. آنها به این نتیجه رسیدند که مقاوم‌سازی نیروگاه‌ها برای تصفیه آب‌های زیرزمینی شور می‌تواند تقریباً استفاده از آب شیرین را حذف کند، اما هزینه تولید برق را بین 8 تا 10 درصد افزایش می‌دهد.

وو می‌گوید: «مطالعه ما مبادلاتی را در صرفه‌جویی در آب شیرین، هزینه و کمبود ظرفیت تولید ناشی از استقرار نمک‌زدایی نشان می‌دهد.

محققان خواستار توسعه بیشتر فناوری‌هایی برای تصفیه آب شور، همراه با اکتشاف استفاده از سایر منابع آب غیر سنتی برای خنک‌سازی نیروگاه‌ها هستند. اینها شامل فاضلاب شهری تصفیه شده و همچنین آب تولید شده از استخراج نفت و گاز و مخازن ذخیره دی اکسید کربن است.

به گفته محققان، مبادلات شناسایی شده برای منابع مختلف آب غیر سنتی، شکاف های دانش را پر می کند تا تصمیمات و مدیریت آب در مقابل انرژی را بهتر اطلاع رسانی کند.

یک کاتالیزور جدید با مقاومت در برابر دماهای بالا و نور 160 خورشیدی، 10 برابر کارآمدتر از دستگاه های تقسیم آب قبلی با انرژی خورشیدی در نوع خود است.نوع جدیدی از پنل خورشیدی که در دانشگاه میشیگان ساخته شده است، در تبدیل آب به هیدروژن و اکسیژن به کارایی 9 درصدی دست یافته است – تقلید از یک مرحله مهم در فتوسنتز طبیعی. در خارج از منزل، نشان دهنده جهش بزرگی در فناوری است که تقریباً 10 برابر کارآمدتر از آزمایش های خورشیدی تقسیم آب در نوع خود است.

اما بزرگترین مزیت کاهش هزینه هیدروژن پایدار است. این کار با کوچک کردن نیمه هادی، که معمولاً گران ترین بخش دستگاه است، فعال می شود. نیمه هادی خود ترمیم شونده تیم، نور متمرکزی معادل 160 خورشید را تحمل می کند.

در حال حاضر، انسان ها هیدروژن را از سوخت فسیلی متان تولید می کنند و از انرژی فسیلی زیادی در این فرآیند استفاده می کنند. با این حال، گیاهان اتم های هیدروژن را از آب با استفاده از نور خورشید برداشت می کنند. همانطور که بشر تلاش می کند تا انتشار کربن خود را کاهش دهد، هیدروژن هم به عنوان یک سوخت مستقل و هم به عنوان یک جزء در سوخت های پایدار ساخته شده با دی اکسید کربن بازیافتی جذاب است. به همین ترتیب، برای بسیاری از فرآیندهای شیمیایی، به عنوان مثال تولید کود، مورد نیاز است.

زتیان می، پروفسور مهندسی برق و کامپیوتر UM که سرپرستی این مطالعه را در Nature گزارش داد، گفت: «در پایان، ما معتقدیم که دستگاه‌های فتوسنتز مصنوعی بسیار کارآمدتر از فتوسنتز طبیعی خواهند بود، که مسیری را به سمت خنثی‌سازی کربن فراهم می‌کند .

نتیجه برجسته حاصل از دو پیشرفت است. اولین مورد، توانایی تمرکز نور خورشید بدون از بین بردن نیمه هادی است که نور را مهار می کند.

پنگ ژو، پژوهشگر UM در مهندسی برق و کامپیوتر و اولین نویسنده این مطالعه گفت: “ما در مقایسه با برخی از نیمه هادی ها که فقط در شدت نور کم کار می کنند، اندازه نیمه هادی را بیش از 100 برابر کاهش دادیم.” هیدروژن تولید شده توسط فناوری ما می تواند بسیار ارزان باشد.

و دوم استفاده از بخش انرژی بالاتر طیف خورشیدی برای شکافتن آب و از بخش پایینی طیف برای تامین گرمایی است که واکنش را تشویق می کند. جادو توسط یک کاتالیزور نیمه رسانا فعال می شود که با استفاده خود را بهبود می بخشد و در برابر تخریبی که چنین کاتالیزورهایی معمولاً هنگام مهار نور خورشید برای ایجاد واکنش های شیمیایی تجربه می کنند مقاومت می کند.

علاوه بر کنترل شدت نور بالا، می تواند در دماهای بالا که برای نیمه هادی های کامپیوتری تنبیه است، رشد کند. دماهای بالاتر روند تقسیم آب را سرعت می بخشد و گرمای اضافی نیز هیدروژن و اکسیژن را به جای تجدید پیوندها و تشکیل مجدد آب تشویق می کند تا جدا بمانند. هر دوی اینها به تیم کمک کرد تا هیدروژن بیشتری برداشت کند.

برای آزمایش در فضای باز، ژو عدسی به اندازه یک پنجره خانه راه اندازی کرد تا نور خورشید را روی یک پانل آزمایشی به عرض چند اینچ متمرکز کند. در داخل آن پانل، کاتالیزور نیمه هادی در لایه ای از آب پوشانده شده بود که با گازهای هیدروژن و اکسیژن که جدا می کرد، حباب می زد.

این کاتالیزور از نانوساختارهای نیترید گالیوم ایندیم ساخته شده است که روی سطح سیلیکونی رشد کرده است. این ویفر نیمه هادی نور را جذب می کند و آن را به الکترون ها و حفره های آزاد تبدیل می کند — شکاف هایی با بار مثبت که هنگام آزاد شدن الکترون ها توسط نور باقی می ماند. نانوساختارها با گلوله‌های فلزی در مقیاس نانو، به قطر 1/2000 میلی‌متر، آغشته شده‌اند که از آن الکترون‌ها و حفره‌ها برای کمک به هدایت واکنش استفاده می‌کنند.

یک لایه عایق ساده در بالای پانل، دما را در 75 درجه سانتیگراد یا 167 درجه فارنهایت نگه می دارد، به اندازه ای گرم که به تحریک واکنش کمک می کند و همچنین به اندازه کافی خنک است تا کاتالیزور نیمه هادی عملکرد خوبی داشته باشد. نسخه بیرونی این آزمایش، با نور خورشید و دمای کمتر قابل اطمینان، به بازده 6.1 درصدی در تبدیل انرژی خورشید به سوخت هیدروژنی دست یافت. با این حال، در داخل خانه، سیستم به بازده 9٪ دست یافت.

چالش‌های بعدی که تیم قصد دارد با آن مقابله کند، بهبود بیشتر بازده و دستیابی به هیدروژن با خلوص فوق‌العاده است که می‌تواند مستقیماً به سلول‌های سوختی وارد شود.

برخی از مالکیت معنوی مربوط به این اثر به NS Nanotech Inc. و NX Fuels Inc. که توسط Mi موسس شده اند مجوز داده شده است. دانشگاه میشیگان و Mi در هر دو شرکت منافع مالی دارند.

این کار توسط بنیاد ملی علوم، وزارت دفاع، مرکز نوآوری تحقیقات ترجمه و تجاری سازی میشیگان، برنامه آسمان آبی در کالج مهندسی در دانشگاه میشیگان و توسط دفتر تحقیقات ارتش پشتیبانی شد.

محققان منابع، جمعیت شناسی و اختلال در انتقال انرژی را تجزیه و تحلیل می کنند

تحقیقاتی که توسط دانشگاه کوئینزلند (UQ) و از جمله دانشگاه گوتینگن انجام شد، اثرات استراتژی‌های کربن‌زدایی را با پیوند دادن موجودی‌های منابع جهانی با سیستم‌های جمعیت‌شناختی برای تولید ماتریسی که خطرات و مزایا را نشان می‌دهد، تجزیه و تحلیل کرد. این تحقیق نشان می‌دهد که افزایش تقاضا برای فلزات انتقال انرژی (ETMs) می‌تواند برای برخی جوامع بیشتر از تولید زغال‌سنگ حرارتی مخرب باشد. این تیم محاسبه کرد که اگرچه حذف کامل زغال‌سنگ می‌تواند سیستم‌های شهر معدنی با حداقل 33.5 میلیون نفر را مختل کند، 115.7 میلیون نفر دیگر در خطر اختلال توسط ETMs قرار دارند. نتایج در Nature Communications منتشر شد.

محققان مکان و نوع منبع را با سکونتگاه‌های انسانی به منظور ارزیابی تعاملات، وابستگی‌ها و احتمالات بین منابع و جمعیت – یک رویکرد “سیستم‌های شهر معدنی” مرتبط کردند. این تحقیق هر دو طرف انتقال انرژی را با ترکیب موجودی منابع جهانی برای زغال سنگ از یک سو و فلزات انتقال انرژی از سوی دیگر در نظر می گیرد. فلزات انتقالی انرژی به مواد معدنی اطلاق می شود که برای فناوری های تجدیدپذیر برای تسریع انتقال به آینده انرژی پاک مورد نیاز است. این مواد معدنی و فلزات برای توربین‌های بادی، پنل‌های خورشیدی و باتری‌های وسایل نقلیه الکتریکی ضروری هستند.

دکتر کامیلا سوبودوا، که این مطالعه را رهبری کرد، محقق افتخاری در دانشگاه کوئینزلند و دارای بورسیه تحقیقاتی در دانشگاه گوتینگن است. Svobodova توضیح داد: “این یافته‌ها به برنامه‌ریزی و تنظیم آینده انتقال انرژی کمک می‌کند. رویکرد سیستم‌های شهر معدنی جدید ما، مبنایی تجربی برای بررسی مقیاس و مکان اثرات جمعیت‌شناختی تغییر سیستم‌های انرژی ایجاد می‌کند.”

“داده ها عدم تقارن در توزیع خطرات را نشان می دهد: سیستم های شهر معدنی در ایالات متحده به حذف تدریجی زغال سنگ حساس ترین هستند، در حالی که سیستم های استرالیا و کانادا به مرحله ورود ETM حساس ترین هستند. این مطالعه نیاز فوری را برجسته می کند. برای داده‌های دقیق‌تر اجتماعی-اقتصادی درباره جمعیت‌هایی که در مناطق آسیب‌دیده زندگی می‌کنند و کار می‌کنند، و برای برنامه‌ریزی هدفمند در سطح کلان به منظور حمایت از گذار از زغال سنگ به ETM که برای مردم محلی منصفانه است.”

Svobodova می افزاید: “مسائل مربوط به اختلالات اجتماعی به ندرت در مقیاس جهانی مورد توجه قرار می گیرند. با این حال، در این مطالعه ما قادر به ارائه یک مدل در مقیاس جهانی هستیم که می تواند به حوزه های قضایی ملی و مناطقی که تحت فشار انتقال انرژی هستند نیز کاهش یابد. “

ویروس‌ها در محیط‌های ساخت بشر باعث نگرانی‌های بهداشت عمومی می‌شوند، اما معمولاً کمتر از باکتری‌ها مورد مطالعه قرار می‌گیرند. مطالعه اخیر توسط دانشمندان محیط زیست از دانشگاه سیتی هنگ کنگ (CityU) اولین شواهدی را از تعاملات مکرر بین ویروس ها و باکتری ها در محیط های ساخته شده توسط انسان ارائه کرد. این نشان داد که ویروس‌ها به طور بالقوه می‌توانند به باکتری‌های میزبان کمک کنند تا در محیط‌های ساخته‌شده توسط انسان‌های فاقد مواد مغذی از طریق یک ژن منحصربه‌فرد سازگار شوند و زنده بمانند.

با درک این فعل و انفعالات ویروس-باکتری و شناسایی انتشار احتمالی ژن‌های مقاومت آنتی‌بیوتیکی، تیم تحقیقاتی امیدوار است آخرین یافته‌های آن بتواند به استخراج استراتژی‌های کنترل موثر برای به حداقل رساندن قرار گرفتن انسان در معرض میکروارگانیسم‌های مضر کمک کند.

فعل و انفعالات ویروس-میزبان در اکولوژی و تکامل جوامع میکروبی در اکوسیستم‌های متنوع نقش اساسی دارند. با این حال، مکانیسم‌های ایمنی عفونت و فعل و انفعالات میزبان ویرو س که در محیط‌های ساخت بشر، از جمله ساختمان‌ها، فضاهای عمومی، حمل‌ونقل و زیرساخت‌ها رخ می‌دهد، به خوبی شناخته نشده است.

از آنجایی که جمعیت بیشتر و بیشتر جهان در مناطق شهری زندگی می کنند، اهمیت بهداشت در محیط های ساخته شده توسط انسان، به ویژه محیط های سرپوشیده، رو به افزایش است، زیرا ساکنان داخل به طور مداوم در معرض میکروارگانیسم های مختلف هستند که پیامدهای بهداشت عمومی دارند. پروفسور پاتریک لی کوان هون در دانشکده انرژی و محیط زیست (SEE) در CityU که رهبری این مطالعه را بر عهده داشت، گفت: مطالعات قبلی روی محیط‌های ساخته شده توسط انسان، ویروس‌ها را نادیده می‌گرفتند.

“بنابراین، در مطالعه خود، ویروس ها را در محیط های ساخت بشر به طور جامع بررسی کردیم و مکانیسم های مولکولی جدیدی را شناسایی کردیم که در آن ویروس ها و باکتری ها با یکدیگر تعامل دارند. این یافته ها نه تنها برای علوم پایه میکروبی، بلکه همچنین برای مدیریت پروفسور لی افزود: محیط‌های ساخت بشر برای محافظت از سلامت ساکنان.

در این مطالعه، محققان 738 نمونه را از انواع مختلف محیط‌های ساخت بشر، از جمله اماکن عمومی و اقامتگاه‌ها، در هنگ کنگ جمع‌آوری کردند. آنها نمونه ها را عمدتاً از سطوح نرده ها، بولاردها، کف، تیرها، دستگیره درها و پوست ساکنین جمع آوری کردند. سپس از تکنیک توالی یابی متاژنومی برای تجزیه و تحلیل استفاده کردند.

این تجزیه و تحلیل منجر به کشفیات جالب بسیاری شد. اول، داده ها نشان داد که ویروس ها اعضای جدایی ناپذیر جوامع میکروبی در محیط های ساخته شده توسط انسان هستند. در میان آنها، باکتریوفاژها، نوعی ویروس که در باکتری ها عفونی و تکثیر می شود، در تمام سطوح مختلف در محیط های ساخته شده توسط انسان وجود دارند. این تیم همچنین بسیاری از و یروس ها را شناسایی کردند که از سایر اکوسیستم ها متمایز هستند.

دوم، این تیم شواهدی از ویروس‌ها پیدا کردند که ژن‌هایی را وارد می‌کنند که یک مرحله خاص در مسیر متابولیک و حتی کل مسیر متابولیک را در میزبان باکتری‌ها کنترل می‌کنند. این نشان می‌دهد که ویرو س‌ها می‌توانند به باکتری‌ها کمک کنند تا در محیط‌های ساخته شده از مواد مغذی به حیات خود ادامه دهند.

این مطالعه همچنین سیستم‌های ایمنی متنوع و جدیدی را در برابر ویر وس‌ها در باکتری‌ها و پروتئین‌های کوچک در ویروس‌ها را نشان داد که می‌توانند از سیستم ایمنی باکتری‌ها فرار کنند. این نتایج نشان می‌دهد که میزبان‌های ویروس‌ها و باکتری‌ها اغلب در محیط‌های ساخته‌شده توسط انسان با یکدیگر تعامل دارند و هر کدام مکانیسم‌هایی برای دفاع در برابر یکدیگر دارند.

آن‌ها همچنین ژن‌های مقاومت آنتی‌بیوتیکی (ARGs) را در ویرو س‌های روی پوست انسان و مکرراً سطوح داخلی را لمس کردند. این ویروس های حامل ARG ممکن است میزبان های باکتریایی را آلوده کنند و ARG ها ممکن است به صورت افقی بین گونه های باکتریایی منتقل شوند. بنابراین، نقشی که و یروس‌ها در محیط‌های ساخت بشر در ایجاد مقاومت آنتی‌بیوتیکی در باکتری‌ها ایفا می‌کنند، بسیار مهم است و نیاز به بررسی بیشتر دارد.

پروفسور لی می گوید: «مطالعه ما نشان می دهد که تنوع، ترکیب، عملکردهای متابولیکی و شیوه زندگی ویروس ها بسته به شرایط هر محیط ساخت بشر متفاوت است. “بنابراین، توسعه استراتژی‌های کنترل سفارشی برای به حداقل رساندن قرار گرفتن انسان در معرض میکروارگانیسم‌های مضر و محافظت بهتر از سلامت ساکنان مهم است. یافته‌های ما می‌تواند با افزایش درک اساسی از تعاملات پیچیده ویر وس-باکتری در محیط‌های ساخت بشر به این هدف کمک کند. “

اهمیت

اطلاعات مربوط به ارتفاعات ساخته شده شهری در سطح جهان برای ارزیابی اثرات شکل و زیرساخت شهری بر محیط زیست، اقتصاد و رفاه انسان مورد نیاز است. این مطالعه یک اطلس جهانی از ارتفاعات ساخته شده شهری ارائه می دهد و تغییرات فضایی زیادی را در ارتفاعات ساخته شده در سطوح قاره، کشور و شهر نشان می دهد. نتایج نشان می‌دهد که شکاف‌های شدید در دسترس بودن زیرساخت‌های ساخته‌شده شهری در جنوب جهانی و نابرابری بزرگ در زیرساخت‌های ساخته‌شده در اکثر کشورها، اما بزرگترین در جنوب جهانی در مقایسه با شمال جهانی است. اطلس این پتانسیل را دارد که درک ما از اثرات شهرنشینی بر تقاضای مواد خام، مصرف انرژی تجسم یافته و عملیاتی، و شدت توسعه شهری را بهبود بخشد.

خلاصه

اطلاعات در مورد زیرساخت های ساخته شده شهری برای درک نقش شهرها در شکل دادن به نتایج زیست محیطی، اقتصادی و اجتماعی ضروری است. فقدان داده در مورد ارتفاعات ساخته شده در مناطق بزرگ، توانایی ما را برای توصیف زیرساخت های شهری و تغییرات فضایی آن در سراسر جهان محدود کرده است. در اینجا، ما یک اطلس جهانی از ارتفاعات ساخته شده شهری را در حدود سال 2015 با وضوح 500 متر از داده های ماهواره ای شناسایی شده از محدوده زمینی Sentinel-1 ایجاد کردیم. 

نتایج نشان‌دهنده شکاف‌های شدید در سرانه زیرساخت‌های ساخته‌شده شهری در جنوب جهانی در مقایسه با میانگین جهانی، و حتی شکاف‌های بزرگ‌تر در مقایسه با سطوح متوسط ​​در شمال جهانی است. سرانه زیرساخت های ساخته شده شهری در برخی از کشورهای شمال جهانی بیش از 30 برابر بیشتر از زیرساخت های موجود در جنوب جهانی است. نتایج همچنین نشان می‌دهد که زیرساخت‌های ساخته شده در 45 کشور در شمال جهانی، با 16 درصد جمعیت جهان، تقریباً معادل 114 کشور در جنوب جهانی، با حدود 74 درصد از جمعیت جهان است.

 نابرابری در زیرساخت‌های ساخته‌شده شهری، همانطور که با یک شاخص نابرابری اندازه‌گیری می‌شود، در بیشتر کشورها بزرگ است، اما در جنوب جهانی در مقایسه با شمال جهانی، بزرگ‌ترین است. تجزیه و تحلیل ما مقیاس تقاضای زیرساخت در جنوب جهانی را نشان می دهد که برای دستیابی به اهداف توسعه پایدار مورد نیاز است. اما بزرگترین در جنوب جهانی در مقایسه با شمال جهانی است. 

تجزیه و تحلیل ما مقیاس تقاضای زیرساخت در جنوب جهانی را نشان می دهد که برای دستیابی به اهداف توسعه پایدار مورد نیاز است. اما بزرگترین در جنوب جهانی در مقایسه با شمال جهانی است. تجزیه و تحلیل ما مقیاس تقاضای زیرساخت در جنوب جهانی را نشان می دهد که برای دستیابی به اهداف توسعه پایدار مورد نیاز است.

برای هشدارهای PNAS ثبت نام کنید.

مدیریت هشدارهاامروزه 55 درصد از جمعیت جهان در مناطق شهری زندگی می‌کنند که انتظار می‌رود این نسبت تا سال 2050 به 68 درصد افزایش یابد ( 1 ). حدود 80 درصد از تولید ناخالص داخلی جهانی و دو سوم انتشار گازهای گلخانه ای به مناطق شهری نسبت داده می شود ( 2 ). با این حال، شهرها در سراسر جهان نابرابری زیرساختی عمیقی را نشان می دهند، با تنوع قابل توجهی در در دسترس بودن، تامین و دسترسی به زیرساخت ( 3 ).

از آنجایی که زیرساخت های شهری با رشد اقتصادی شهری و تولید ناخالص داخلی (GDP) در سطح شهر همبستگی زیادی دارد ( 4 و 5 )، سطوح بالای نابرابری زیرساخت ها می تواند به سطوح پایین تر بهره وری اقتصادی، سرمایه اجتماعی و رفاه انسانی کمک کند ( 6) . ، 7). ارزیابی نابرابری زیرساخت برای درک الگوهای توسعه ناهمگون شهرها در مناطق و کشورهای مختلف حیاتی است ( 8 ).

فرم شهری هم شامل مناطق شهری دو بعدی و تراکم و هم ارتفاعات ساخته شده سه بعدی (3-بعدی) (یعنی ویژگی های عمودی الگوهای کالبدی، چیدمان و ساختار شهرها) است ( 5 ، 9 ). مناطق شهری به طور گسترده به صورت دو بعدی با استفاده از تصاویر ماهواره ای از نورهای شبانه ( 10 ) و سری زمانی Landsat ( 11 ) نقشه برداری شده اند. با توجه به اینکه 60 تا 80 درصد از مصرف انرژی در مناطق شهری رخ می دهد ( 12 )، نقشه برداری از اشکال شهری، که نشان داده شده است بر مصرف انرژی و انتشار گازهای گلخانه ای تأثیر می گذارد، مهم است ( 13 ، 14) .). 

از آنجایی که فرم شهری شامل بعد عمودی محیط ساخته شده است، نقشه برداری از ارتفاعات ساخته شده شهری می تواند اطلاعاتی در مورد عناصر حیاتی مناطق شهری ارائه دهد.همچنین یک همبستگی قوی بین تراکم ساخته شده شهری بالاتر، ساختمان های بلندتر و رشد اقتصادی شهری وجود دارد ( 4 ). مطالعه اخیر روی 477 شهر بزرگ با مجموعه داده های ماهواره ای سری زمانی جدید نشان داد که رشد حجمی شهری به شدت با تولید ناخالص داخلی در سطح شهر همبستگی دارد ( 5 ).

 پیشرفت های اخیر در سنجش از دور امکان توسعه چندین مجموعه داده جدید از مناطق ساخته شده سه بعدی را فراهم کرده است، از جمله یکی از مجموعه داده های موجود در ساختمان های سه بعدی در سراسر جهان (15)، یک نقشه مورفولوژی شهری با وضوح بالا ( 16 )، سری زمانی سه دهه منطقه عمودی ساخته شده ( 17 ) و گونه شناسی رشد شهری دو بعدی و سه بعدی برای نزدیک به 478 شهر در سراسر جهان ( 18)). 

با این حال، اطلاعات ارتفاع ساخته شده در مناطق بزرگ هنوز محدود است، که درک ما از توسعه شهری و پیامدهای آن برای استفاده از انرژی و انتشارات گلخانه ای را مخفی می کند ( 19 ، 20 ).در اینجا ما ارتفاعات ساخته شده شهری جهانی را در سطح شبکه 500-mx 500-m برای توصیف توزیع زیرساخت ها در مناطق شهری برآورد کردیم ( شکل 1 A و پیوست SI ، شکل های S13-18 ). ارتفاع ساخته شده به عنوان میانگین ارتفاع در یک شبکه 500 متری، شامل ساختمان ها و سایر زیرساخت ها مانند خیابان ها، پارکینگ ها و فضای سبز، با استفاده از مدلی که قبلا توسعه داده بودیم، محاسبه شد (21) .)

بر اساس داده های شناسایی شده محدوده زمینی Sentinel-1 (GRD). ما ارتفاعات ساخته شده شهری مشتق از GRD را با استفاده از منابع متعدد داده های مرجع اعتبارسنجی کردیم. ما دریافتیم که ارتفاع‌های ساخته‌شده شهری مطابقت خوبی با داده‌های مرجع نشان می‌دهند و می‌توانند تغییرات ارتفاعات ساخته‌شده از هسته‌های شهری تا مناطق حاشیه‌شهری را به تصویر بکشند. این مجموعه داده جدید ارتفاعات ساخته شده جهانی پتانسیل قابل توجهی برای بهبود درک ما از چگونگی تغییر سطح زمین توسط فعالیت های شهری، آشکار کردن نابرابری های فضایی زیرساخت های شهری و کمک به مطالعات انرژی و آب و هوا دارد.عکس. 1.

نتایج

شکل شهری شهرها با ترکیب تراکم شهری و ارتفاع ساخته شده.

اطلس جهانی ارتفاعات ساخته شده شهری ( شکل 1 الف ) اطلاعات حیاتی را برای توصیف فرم شهری به صورت دو بعدی تا سه بعدی در سراسر جهان فراهم می کند. به طور کلی، نواحی شهری تحت سلطه تراکم کم و توسعه گسترده با ارتفاعات ساخته شده شهری کم هستند. ارتفاعات ساخته شده، تغییرات فضایی زیادی را در شهرها و مناطق نشان می دهد. شهرهایی با سطح عمودی بالا عمدتاً در شرق آسیا و اروپای غربی قرار دارند. دو کشور با بیشترین وسعت کل شهری، ایالات متحده و چین، الگوهای متضادی از ارتفاعات ساخته شده دارند. میانگین ارتفاع ساخته شده در چین دو برابر بیشتر از ایالات متحده است. 

این موضوع مطالعات دیگری را تأیید می کند که تفاوت های مشابهی را در ارتفاعات ساخته شده بین این دو کشور پیدا کرده اند ( 5 ، 17) .). اگرچه مجموع وسعت شهری آنها مشابه است، اما به دلیل تفاوت در ارتفاعات ساخته شده، آنها در ظرفیت خود برای پذیرش جمعیت شهری متفاوت هستند. 

ما هم تراکم شهری (یعنی نفوذ ناپذیری) و هم ارتفاعات ساخته شده (یعنی میانگین و تنوع در یک شهر) را ارزیابی کردیم و شهرهای سراسر جهان را در شش دسته گروه بندی کردیم. برخی از این شش نوع شهر، خوشه بندی جغرافیایی را نشان می دهند ( شکل 1 B ). به عنوان مثال، منطقه اقیانوس اطلس جنوبی ایالات متحده توسط شهرهایی با تراکم کم، و ارتفاعات کم و همگن ساخته شده است، در حالی که شهرهای شرق آسیا عمدتاً بلند و نه چندان متراکم هستند.

اگرچه شباهت ها در تراکم شهری و ارتفاعات ساخته شده در سطح شهر در سطح جهانی قابل تشخیص است ( شکل 1 B )، اطلاعات با وضوح مکانی بالا در مورد ارتفاعات ساخته شده به دلیل تنوع زیاد در ارتفاعات ساخته شده در داخل هنوز مورد نیاز است. شهرها ( شکل 2 ). به طور کلی، بیشتر شهرها دارای یک قله مشخص در ارتفاعات ساخته شده در مرکز شهری هستند، با کاهش ارتفاع از مرکز به سمت خارج به مناطق اطراف. با این حال، برخی شهرها با چندین مرکز شهری (مانند کیپ تاون، آفریقای جنوبی، و دهلی نو، هند) وجود دارند که با بیش از یک قله ارتفاع ساخته شده نشان داده شده است. 

در برخی از شهرها مانند دهلی نو، که محدودیت‌های سیاستی در مورد ارتفاع ساختمان وجود دارد ( 22نتایج نشان می دهد که هم تراکم و هم ارتفاع ایجاد شده به طور کلی کم هستند. برخی از شهرهای بزرگ و کم‌مرتبه مانند آتلانتا، جورجیا در ایالات متحده، دارای ساختمان‌های بلند در مراکز شهری خود هستند، اما نسبت چنین ساختمان‌هایی بسیار کم است. شهرهایی مانند سئول، جمهوری کره (کره جنوبی)، مانند برخی از شهرهای اروپایی (مانند مونیخ، آلمان) دارای مناطق بزرگ با ارتفاعات بالا در خارج از مراکز شهری هستند.شکل 2.

شکاف های شدید در زیرساخت های ساخته شده شهری در جنوب جهانی.

ما دریافتیم که ثروتمندترین کشورهای جهان به طور نامتناسبی در کل زیرساخت های ساخته شده شهری جهانی مشارکت می کنند ( شکل 3)). در مجموع 45 کشور در شمال جهانی با مجموع 16٪ از جمعیت جهان، تقریباً به اندازه 114 کشور در جنوب جهانی، که حدود 74٪ از جمعیت جهان را در اختیار دارند، زیرساخت های ساخته شده شهری جهانی دارند. با هم، سه کشور برتر با بیشترین میزان زیرساخت های ساخته شده شهری، چین، ایالات متحده و ژاپن، حدود 50 درصد از کل جهان را تشکیل می دهند. 

به طور کلی، کشورهای بیشتری در شمال جهانی (به عنوان مثال، ایالات متحده، ژاپن، روسیه، آلمان، فرانسه، ایتالیا) وجود دارد که هر کدام بیش از 2٪ در کل زیرساخت های ساخته شده جهانی مشارکت دارند. شایان ذکر است که سطوح پایین شهرنشینی در جنوب جهانی ممکن است منجر به دست کم گرفتن زیرساخت های ساخته شده سرانه شود، زیرا ما فقط زیرساخت های شهری را در این تحلیل لحاظ کردیم.شکل 3.

این تجزیه و تحلیل تفاوت های بزرگی را در سرانه زیرساخت های ساخته شده در بین کشورها و شکاف های شدید در سرانه در دسترس بودن زیرساخت های شهری بین شمال جهانی و جنوب جهانی را آشکار می کند ( شکل  A و B ). اگرچه کل زیرساخت های ساخته شده شهری در برخی از کشورها مانند چین بزرگ است، سطح سرانه هنوز در مقایسه با شمال جهانی به طور قابل توجهی پایین تر است.

 یافته‌ها نشان می‌دهد که زیرساخت سرانه برای حدود 90 درصد جمعیت جهان کمتر از سطح متوسط ​​شمال جهانی است. متوسط ​​سرانه زیرساخت های ساخته شده شهری شمال جهانی تقریباً 300 متر ^مکعب است که تقریباً سه برابر در جنوب جهانی (108 متر ^{مکعب) است.}). 

برخی از کشورهای شمال جهانی (به عنوان مثال، ایالات متحده) دارای سرانه زیرساخت های ساخته شده بزرگتر از 600 متر ^مکعب هستند ، در حالی که این زیرساخت در برخی از کشورهای جنوب جهانی مانند بنگلادش به 20 متر ^مکعب می رسد که منعکس کننده یک وضعیت شدید است. اختلاف 30 برابری دامنه وسیع و تنوع زیرساخت های سرانه در شمال جهانی نشان می دهد که می توان سطوح بالایی از توسعه شهری با سطوح پایین زیرساخت سرانه داشت. 

علاوه بر این، با میانگین 47 متر ^مکعب ، تقریباً تمام کشورهای آفریقایی سطح زیربنای سرانه کمتری نسبت به سایر کشورهای جنوب جهانی دارند ( شکل 4 D). علاوه بر این، نتایج نشان می دهد که ارتباط معنی داری و قوی بین تولید ناخالص داخلی سرانه و سرانه زیرساخت شهری وجود دارد ( شکل 4 C و پیوست SI ، شکل S7 ). این رابطه نشان دهنده تقاضای زیادی برای زیرساخت های آینده در جنوب جهانی است.شکل 4.

نابرابری بزرگ در زیرساخت های ساخته شده شهری در جنوب جهانی

ما نابرابری‌های بزرگی را در زیرساخت‌های ساخته‌شده شهری در بیشتر کشورها یافتیم، اما در کشورهای جنوب جهانی در مقایسه با کشورهای شمال جهانی، بیشترین نابرابری‌ها را یافتیم ( شکل 5 A و B ). با استفاده از روش های پیشنهاد شده توسط Pandey و همکاران. ( 3 ) و برلسفورد و همکاران. ( 23 )، ما یک شاخص نابرابری را محاسبه کردیم که سطح نابرابری فضایی را در زیرساخت های ساخته شده شهری اندازه گیری می کند. 

هر چه مقدار شاخص بالاتر باشد، نابرابری در زیرساخت های ساخته شده بیشتر می شود. به طور کلی، نابرابری در زیرساخت های ساخته شده در جنوب جهانی (میانگین: 0.58) در مقایسه با شمال جهانی (میانگین: 0.49) بیشتر است ( شکل 5 B و C و پیوست SI ، شکل S8).). با این حال، تفاوت در نابرابری زیرساخت های ساخته شده بین جنوب و شمال جهانی کمتر از زیرساخت های ساخته شده سرانه است. علاوه بر این، مشابه زیرساخت های سرانه، نابرابری در کشورهای آفریقایی در مقایسه با سایر کشورهای جنوب جهانی بزرگتر است ( شکل 5 E ). 

تعداد قابل توجهی از کشورهای آفریقا و آسیا دارای شاخص های نابرابری فوق العاده بالای بالای 0.6 هستند. با این حال، نتایج متفاوت از سرانه زیرساخت های شهری، ارتباط معنی داری بین نابرابری زیرساخت ها و تولید ناخالص داخلی سرانه نشان نمی دهد ( شکل 5 D) به این معنی است که توسعه اقتصادی خود ممکن است مشکل نابرابری زیرساخت را حل نکند. این دیگر تحقیقات اخیر را تأیید می کند که نشان می دهد نابرابری زیرساخت های شهری یکی از ویژگی های شهرنشینی است ( 3 ).شکل 5.

نقاط قرمز نشان دهنده کشورهای شمال جهانی است. ( ب ) نابرابری های زیرساختی در کشورهای جنوب و شمال جهانی. ( ج ) نابرابری‌های زیرساختی در کشورهای جنوب و شمال جهانی برگرفته از میانگین (متر�) و SD (پ�) از توزیع‌های زیرساختی ساخته‌شده با کران بالای 95 درصد محدود شده است. ( د ) رابطه بین تولید ناخالص داخلی سرانه و نابرابری های زیرساختی. ( ه ) نقشه نابرابری های زیرساختی. مرزهای سبز در نقشه نشان دهنده کشورهای جنوب جهانی است.

پیامدهای ارتفاعات ساخته شده شهری جهانی.

اطلس جهانی ارتفاعات ساخته شده پیامدهای مهمی برای استفاده از انرژی و کاهش تغییرات آب و هوا دارد. به عنوان مثال، مصرف انرژی مرتبط با حمل و نقل شهری به دلیل سهم زیادی از کل مصرف انرژی و پتانسیل کاهش تغییرات آب و هوا از اهمیت ویژه ای برخوردار است. تراکم جمعیت بالاتر با مایل های کمتر طی شده توسط وسایل نقلیه و مصرف انرژی مرتبط است ( 24 ). ارتفاعات ساخته شده نسبت به تراکم جمعیت، اندازه گیری مستقیم و مکانی-زمانی منسجم تری از شکل شهری را ارائه می دهد، که اغلب نیاز به کاهش مقیاس از داده های سطح منطقه ای دارد ( 25 ). 

علاوه بر این، ما یک رابطه منفی بین میانگین ارتفاعات شهری و مصرف انرژی مربوط به حمل و نقل پیدا کردیم ( شکل 6)). ما رابطه قوی بین مصرف انرژی مرتبط با حمل و نقل و اندازه گیری های دوبعدی وسعت شهری پیدا نکردیم ( ضمیمه SI ، شکل S9 ). شهرهایی با ارتفاع کمتر ساخته شده در مقایسه با شهرهای عمودی تر، مصرف انرژی مرتبط با حمل و نقل بالاتری دارند. 

این نشان می‌دهد که استراتژی‌های کاهش مصرف انرژی حمل‌ونقل ممکن است از طریق رشد عمودی استراتژیک که افراد بیشتری را در نزدیکی مشاغل قرار می‌دهد، به دست آید. با این حال، معاوضه بین انرژی کمتر حمل و نقل و شدت مواد و انرژی بیشتر برای ساخت و راه اندازی ساختمان های بلند باید در نظر گرفته شود.شکل 6.

بحث

تغییرات فضایی زیاد در ارتفاعات ساخته شده را می توان به عوامل مختلفی مانند تاریخچه کاربری و سیاست ها نسبت داد، به ویژه با توجه به سرمایه گذاری های اولیه زیرساختی، منطقه بندی، کدهای ساختمانی و محدودیت های ارتفاع. محدودیت‌های کاربری زمین و زیرساخت‌ها و سیاست‌های حمل‌ونقل از مهم‌ترین عوامل ایجاد ارتفاع ساختمان‌ها هستند. ارتفاعات ساخته شده در شرق آسیا به طور کلی بالاتر از آمریکای شمالی و اروپا است، در حالی که تراکم جمعیت نسبتاً پایین در اکثر شهرهای ایالات متحده بازتاب ارتفاع کمتر ساخته شده شهری است. 

علیرغم تراکم بالای جمعیت در چین و هند، ارتفاعات ساخته شده شهری در چین به طور قابل توجهی در مقایسه با هند بلندتر است که عمدتاً به دلیل مقررات نسبت مساحت در هند است ( 22) .). ارتفاعات ساخته شده عموماً در کشورهایی که در دهه های اخیر دچار شهرنشینی قابل توجهی شده اند در مقایسه با کشورهایی که انتقال شهرنشینی آنها چندین دهه پیش رخ داده است، بالاتر است ( 26 ). 

علاوه بر این، محدودیت منابع زمین و قیمت بالای زمین با ارتفاعات شهری بالاتر در آسیا و اروپا همبستگی دارد ( 27 ، 28 ).شکاف شدید در سرانه زیرساخت‌های ساخته‌شده در جنوب جهانی نشان‌دهنده تقاضای جهانی قریب‌الوقوع بزرگ برای مواد و افزایش انرژی و انتشارات گلخانه‌ای در صورت پر شدن این شکاف است. همچنین نتایج حاکی از افزایش تقاضا برای زیرساخت ها با توسعه اقتصادی است. برای رفع شکاف زیرساختی، حتی با فرض عدم رشد جمعیت، به بیش از مجموع زیرساخت‌های ساخته‌شده جهانی نیاز است. 

با رشد جمعیت مورد انتظار، این تقاضا می تواند بین 1.25 تا 1.65 برابر کل زیرساخت های ساخته شده شهری کنونی در جهان تحت سناریوهای مسیر اجتماعی-اقتصادی مشترک 1 (پایداری) و مسیر اجتماعی-اقتصادی مشترک 3 (رقابت منطقه ای) افزایش یابد (29) .)، به ترتیب. با تقاضای فزاینده برای مصالح ساختمانی و خاک‌های کمیاب تخصصی، ممکن است در توسعه زیرساخت‌ها در جنوب جهانی یک تاخیر مداوم وجود داشته باشد که منجر به سطوح پایین توسعه انسانی می‌شود. علاوه بر این، بیشتر پیش‌بینی‌های شهرنشینی آینده در بیشتر مطالعات تنها گسترش جانبی زمین شهری را در نظر گرفته‌اند. درک بهتر از رشد عمودی شهری برای توسعه پیش بینی های واقعی تر از تقاضای آینده برای زیرساخت های ساخته شده مورد نیاز است

.نابرابری بزرگ در زیرساخت های ساخته شده شهری در سرتاسر جهان مستلزم چالش های بزرگی برای توسعه پایدار است، زیرا زیرساخت ها به طور مستقیم یا غیرمستقیم بر 72 درصد از اهداف اهداف توسعه پایدار سازمان ملل تأثیر می گذارد (30) .). این چالش در جنوب جهانی، با نابرابری بیشتر زیرساخت ها، به ویژه در کشورهای آفریقایی، بزرگ ترین است. 

از آنجا که توسعه اقتصادی به خودی خود نابرابری زیرساخت ها را کاهش نمی دهد، تلاش ها و استراتژی های دیگری برای کاهش نابرابری زیرساخت های ساخته شده شهری مورد نیاز است. حتی اگر این مطالعه نابرابری زیرساخت‌های جهانی را مورد بررسی قرار داد، دامنه محدود این مطالعه مستلزم بررسی بیشتر در مورد شیوه‌های کارآمد، مؤثر و اقتصادی است که می‌تواند نابرابری زیرساخت‌ها را کاهش دهد.

 علاوه بر این، بررسی بیشتر نابرابری زیرساخت ها فراتر از سطح ملی در کشورهای بزرگ (مثلاً چین) با تغییرات منطقه ای قابل توجهی از زیرساخت های ساخته شده می تواند بینش های جدیدی را برای توسعه پایدار در مقیاس های کوچکتر ارائه دهد.اطلاعات در مورد تغییرات ارتفاع ساخته شده در داخل یک شهر پتانسیل قابل توجهی برای پیشبرد مطالعاتی مانند آب و هوای شهری و مدل سازی مصرف انرژی دارد ( 31 ، 32 ). 

تهویه در فضای باز می تواند تحت تأثیر تغییرات ارتفاع ساختمان قرار گیرد ( 33 ). ارتفاعات ساخته شده شبکه بندی شده همچنین به عنوان ورودی کلیدی برای برآورد سایر پارامترهای سطح شهری مهم مانند ناهمواری عمل می کند که می تواند به طور قابل توجهی بر محیط جوی شهری تأثیر بگذارد. مصرف انرژی حمل‌ونقل و انتشار گازهای گلخانه‌ای عموماً در شهرهایی با یک مرکز واحد بیشتر است، در مقایسه با شهرهایی با مراکز متعدد ( 34 ) که می‌توانند دسترسی کلی را افزایش دهند، طول سفر را کوتاه‌تر کنند و خدمات حمل‌ونقل عمومی را بهینه کنند ( 35) .).

 فراوانی ارتفاعات مختلف ساخته‌شده در داخل شهر می‌تواند به آشکار کردن کاربری‌های زمین شهری و الگوهای سفر کمک کند و بنابراین، از مطالعات در مورد حمل‌ونقل شهری و استفاده از انرژی حمایت کند.اطلس ارتفاعات ساخته شده می تواند درک ما را از تقاضا برای مصالح ساختمانی، استفاده از انرژی تجسم یافته و عملیاتی و کربن مرتبط بهبود بخشد ( 36-38 ) . 

به عنوان مثال، ارتفاع ساختمان برای تخمین فضای کف ساختمان، یک متغیر حیاتی در مدل سازی انرژی و تقاضای مصالح استفاده شده است ( 39 ). واضح است که مناطقی با ارتفاع زیاد ساخته شده حاوی مصالح ساختمانی بیشتری مانند سیمان هستند. با این حال، تغییرات فضایی زیاد ارتفاع‌های ساخته شده در اکثر مطالعات کربن به دلیل در دسترس بودن داده‌های محدود، به‌ویژه در جنوب جهانی در نظر گرفته نشده است ( 40 ، 41) .

). در مقایسه با نقشه‌های دوبعدی مناطق شهری، ارتفاع‌های ساخته شده می‌تواند به طور قابل توجهی در شهرهایی با مناطق شهری مشابه متفاوت باشد، که منجر به تفاوت‌های زیادی در حجم شهری و مصرف انرژی در این شهرها ی‌شود (42 ) . علاوه بر این، ساختمان‌های بلند نسبت به ساختمان‌های کم‌مرتبه انرژی بیشتری مصرف می‌کنند و شار گرمای انسانی بیشتری را به جو منتشر می‌کنند ( 42 ). برآورد دقیق شار حرارتی انسانی ساختمان برای درک بهتر سهم ساختمان‌ها در اقلیم شهری و حمایت بیشتر از توسعه پایدار مفید است.

اطلس ارتفاعات ساخته شده همچنین اطلاعات منحصر به فردی را برای تخمین و پیش بینی مصرف انرژی ساختمان و انتشار گازهای گلخانه ای ارائه می دهد. اطلاعات مربوط به ارتفاع ساخته شده می تواند به طور قابل توجهی کمیت فضای کف ساختمان را بهبود بخشد که یکی از مهم ترین عوامل در مدل سازی مصرف انرژی تجسم یافته و عملیاتی ساختمان است. 

برای مثال، فضای کف ساختمان یکی از متغیرهای کلیدی در مدل‌های ارزیابی یکپارچه است، مانند GCAM (مدل ارزیابی تغییرات جهانی) ( 43 ) و MESSAGE (مدلی برای استراتژی‌های جایگزین استراتژی تامین انرژی و اثرات کلی محیطی آن‌ها) ( 44) .) که می تواند تقاضاهای انرژی ساختمان در آینده را برای ارزیابی تأثیر تغییرات آب و هوا و توسعه استراتژی های کاهش پیش بینی کند. 

با این حال، اطلاعات فعلی در مورد فضای طبقه ساختمان، به ویژه در جنوب جهانی، محدود است ( 39 ). اگرچه مقیاس های فضای کف ساختمان به صورت خطی با وسعت شهری است، اما به دلیل تغییرات در ارتفاع ساخته شده، هنوز اختلافات قابل توجهی وجود دارد ( ضمیمه SI ، شکل S10).). به عنوان مثال، شهرستان های هادسون، نیوجرسی و کینگز، نیویورک رابطه بین فضای کف و وسعت شهری را به دلیل تفاوت های اساسی در ارتفاعات ساخته شده در این دو شهرستان دنبال نمی کنند. این مثال اهمیت ادغام ارتفاع‌های ساخته شده را در برآورد دقیق فضای کف ساختمان، حتی در سطح شهرستان، نشان می‌دهد.

 بدون در نظر گرفتن ارتفاع‌های ساخته شده، می‌توان در مطالعات آینده استفاده از انرژی ساختمان و انتشار گازهای گلخانه‌ای مرتبط با آن، تعصبات در فضای تخمینی طبقات ساختمان منتشر شود.مجموعه داده‌های مربوط به ارتفاعات و زیرساخت‌های ساخته‌شده شهری جهانی همچنین می‌تواند از کاربردهایی مانند مقیاس‌بندی شهری ( 45 ، 46 ) و نقشه‌برداری توزیع جمعیت و پویایی ( 25 ، 45 ، 46 ) پشتیبانی کند. 

مطالعات نشان می‌دهد که حجم زیرساخت‌های شهری با جمعیت سریع‌تر از سطح شهری مقیاس می‌شود ( 45 ). اندازه‌گیری‌های مداوم زیرساخت‌های ساخته‌شده شهری سه‌بعدی یک شاخص شهری جامع‌تر برای بررسی روابط مقیاس قدرت-قانون اندازه شهر ارائه می‌کند.

 ارتفاعات ساخته شده همچنین می‌تواند ظرفیت ما را برای کاهش مقیاس جمعیت ملی به مقیاس‌های فضایی ظریف‌تر ارتقا دهد. در مقایسه با رویکردهای سنتی که فقط مناطق شهری دوبعدی (به عنوان مثال، نورهای شبانه) را در نظر می گیرند ( 7)ارتفاعات ساخته شده می تواند جمعیت را در شبکه هایی با وسعت شهری و فعالیت های انسانی مشابه متمایز کند. به عنوان مثال، ارتفاعات ساخته شده برای ترسیم پویایی جمعیت ساعتی همراه با سایر داده های سنجش از دور و مکانی استفاده شده است ( 25 ).

 علاوه بر این، ارتفاعات ساخته شده می تواند به نقشه برداری از کاربری های شهری (به عنوان مثال، تجاری، مسکونی، صنعتی) کمک کند ( 48 ). با کمک اطلاعات عمودی، کاربری های شهری با عملکردهای مختلف را می توان بهتر شناسایی کرد و بنابراین، پویایی زمانی (مثلاً روزانه) جمعیت ها را بهتر مشخص کرد.

مواد و روش ها

داده ها.

داده های Sentinel-1.

ما داده‌های Sentinel-1 GRD را به‌عنوان منبع اصلی داده در نقشه‌برداری ارتفاع ساخته‌شده شهری جهانی جمع‌آوری کردیم. داده‌های Sentinel-1 GRD، هر دو با مدارهای صعودی و نزولی، در حدود سال 2015 جمع‌آوری شدند که پوشش جهانی داده‌های Sentinel-1 در دسترس قرار گرفت ( 49 ). در اینجا، صحنه‌های GRD استفاده‌شده از حالت ابزار نوار وسیع تداخل‌سنجی جمع‌آوری شد، که از آن ضرایب پراکندگی برگشتی (یعنی VV [همقطبی‌سازی] و VH [قطبی‌شدن متقاطع]) از یک ابزار SAR با باند C دو قطبی در آنبورد گنجانده شد. با وضوح فضایی خام 10 متر.

مرجع داده های ارتفاع ساخته شده

ما داده های ارتفاع ساخته شده مرجع را در 37 شهر در ایالات متحده ( 7 ) و اروپا (30 ) ( ضمیمه SI ، شکل S6 ) برای توسعه و ارزیابی مدل جمع آوری کردیم. این مجموعه داده‌های مرجع با وضوح فضایی خوب (کمتر از 10 متر) عمدتاً از داده‌های تشخیص نور هوابرد و محدوده در ایالات متحده ( 21 ) و تصاویر استریو در اروپا ( 50 ) مشتق شده‌اند. شایان ذکر است که از ارتفاعات ساخته شده مرجع 27 شهر در ایالات متحده و اروپا برای کالیبره کردن مدل ارتفاع ساخته شده شهری استفاده شد، در حالی که ارتفاع 10 شهر باقی مانده برای ارزیابی ارتفاعات تخمین زده شده از Sentinel-1 استفاده شد. داده ها. 

داده های مرجع ثبت شده به عنوان شماره طبقه در 20 شهر چین (https://www.amap.com )؛ داده های ارتفاع مرجع در سائوپائولو، برزیل ( https://osmbuildings.org )؛ ونکوور، کانادا ( https://opendata.vancouver.ca )؛ و محصول شبکه بندی شده (10 متر) ارتفاع ساخته شده در آلمان به دست آمده از مشاهدات ماهواره ای ( 51 ) نیز به عنوان مجموعه داده های اضافی برای ارزیابی جمع آوری شد.

داده های مرز شهری

ما مرز مناطق شهری را با وضوح خوب (30 متر) در سال 2015 از مجموعه داده های مرز شهری جهانی جمع آوری کردیم ( 52 ). مناطق شهری تعریف شده در این مجموعه داده برای محاسبه زیرساخت سرانه برای کشورها و شهرستان ها و برای ترسیم مرزهای شهری شهرهای معرف استفاده شد.

داده های بانک جهانی

ما داده های جمعیت و تولید ناخالص داخلی هر کشور را در سال 2015 از بانک جهانی (https://data.worldbank.org ) جمع آوری کردیم. جمعیت برای محاسبه تولید ناخالص داخلی سرانه و زیرساخت های ساخته شده نشان داده شده در شکل ها استفاده شد. 3 و 4 . در مجموع، ما 159 کشور را مورد بررسی قرار دادیم که 45 کشور در شمال جهانی (به عنوان مثال، ایالات متحده و استرالیا) و 114 کشور در جنوب جهانی (مانند چین، مصر، هند) قرار دارند. 

شمال جهانی و جنوب جهانی بر اساس ویژگی های اجتماعی-اقتصادی و سیاسی تعریف شده اند و کشورهای این دو گروه در مطالعات اندکی متفاوت هستند ( 53) .). در این مقاله، نام کشورهای جنوب جهانی که به آن دسته از کشورهای در حال توسعه اطلاق می‌شود که مجموعه‌ای از آسیب‌پذیری‌ها و چالش‌ها را به اشتراک می‌گذارند، از برنامه توسعه سازمان ملل متحد به دست آمده است (54 ) .

داده های فضای طبقه ساختمان

ما سرانه فضای طبقه ساختمان های شهرستان های منتخب ایالات متحده را از آرهارت و همکاران جمع آوری کردیم. (39 ) برای کشف مفهوم ارتفاعات ساخته شده شهری در مدل سازی انرژی. با در نظر گرفتن شهرستان به عنوان واحد جغرافیایی، میانگین ارتفاع ساخته شده و درصد شهری (نسبت مساحت شهری در یک شهرستان به مساحت یک شهرستان) را محاسبه کردیم. 25 شهرستان برتر با مرتب سازی درصدهای شهری به ترتیب نزولی در ایالات متحده با مساحت کل شهرستان کمتر از 400 کیلومتر ^مربع انتخاب شدند تا اهمیت ارتفاعات ساخته شده را برجسته کنند.

داده های مصرف انرژی حمل و نقل شهری

ما از مجموعه داده مصرف انرژی مربوط به حمل و نقل ( 24 ) برای نشان دادن رابطه بین ارتفاع ساخته شده شهری و مصرف انرژی مربوط به حمل و نقل استفاده کردیم. این مجموعه داده شامل مصرف سرانه انرژی مرتبط با حمل و نقل در 31 شهر بود. میانگین ارتفاع ساخته شده برای هر شهر از ارتفاع ساخته شده شبکه بندی شده بر اساس مرز شهری محاسبه شد.

مواد و روش ها

نقشه برداری از ارتفاع ساخته شده شهری جهانی

ما ارتفاعات ساخته شده شهری را در سرتاسر جهان با استفاده از مدلی که قبلاً ( 21 ) بر اساس داده های Sentinel-1 GRD ایجاد کرده بودیم، تخمین زدیم. ما ارتفاع ساخته شده شهری را به عنوان ارتفاع متوسط ​​در یک شبکه 500 متری در حوزه شهری، شامل ساختمان ها و غیرساختمان ها مانند خیابان ها و پارکینگ ها تعریف کردیم ( ضمیمه SI ، شکل S1 ). ابتدا، داده‌های Sentinel-1 GRD (یعنی پراکندگی‌های پس‌انداز از VV و VH) را در سال 2015 و داده‌های ارتفاع ساختمان مرجع در 27 شهر از 37 شهر در ایالات متحده و اروپا (ضمیمه SI، شکل S6) را به 500- جمع‌آوری کردیم .

تفکیک متر، که با تجزیه و تحلیل حساسیت تفکیک پذیری از 100 متر تا 1 کیلومتر ( 21) تعیین شد.). برای کاهش تأثیر اشیاء مرتفع (به عنوان مثال، درختان)، ما مناطق غیر شهری را در داده‌های Sentinel-1 GRD با استفاده از نقشه وسعت شهری از لایه سکونت انسانی جهانی پنهان کردیم (55 ) .

 سپس، VVH، نشانگر ارتفاعات شهری، را با ادغام پراکندگی پس‌زمینه از اطلاعات دو قطبی (یعنی VV و VH) از داده‌هایSentinel-1 GRD در وضوح 500 متر استخراج کردیم (معادل 1 ) . در نهایت، ما مدل ارتفاع ساخته شده شهری را کالیبره کردیم ( معادل 2 ؛ به عنوان مثال، رابطه بین VVH و ارتفاع ساخته شده شهری تغییر یافته با ورود به سیستم):

VVH = VV*rVاچVVH=��*���[1]وln H = a * VVاچب+ ج ،ln �=�*����+�,[2]جایی که γ پارامتری برای مشخص کردن تاثیر نسبی VH بر VVH مشتق شده است،اچ�ارتفاع ساخته شده شهری تغییر یافته است وآ�،ب�، وج�ضرایبی هستند که باید در مدل ارتفاع شهری برآورد شوند.

در این مطالعه، γ طبق پیشنهاد لی و همکاران، 5 تعیین شد. ( 21 ). چنین مدل ارتفاع ساخته شده مبتنی بر فیزیکی می تواند برای تخمین ارتفاع ساخته شده شهری در سراسر جهان استفاده شود. ما مدل های ارتفاع ساختمان را با استفاده از داده های Sentinel-1 با مدارهای صعودی و نزولی، با پارامترهای کالیبره شده توسعه دادیم (به عنوان مثال،آ�،ب�، وج�) از -2.16، -0.45، 4.78، و -0.61، -0.79، و 2.31، به ترتیب. ارتفاعات نهایی جهانی که از ادغام نتایج مشاهدات صعودی و نزولی به دست می‌آید را می‌توانید از https://figshare.com/s/7f2b254ed18fac8eb7a0 دانلود کنید .

ما ارتفاعات جهانی ساخته شده شهری را بر اساس سه شاخص ارزیابی کردیم: ضریب همبستگی، ریشه میانگین مربعات خطا (RMSE)، و میانگین خطای مطلق (MAE). ابتدا، ما یک اعتبارسنجی متقاطع با استفاده از داده های ارتفاع ساخته شده مرجع در 27 شهر از 37 شهر در 10 کیلومتری انجام دادیم.

××دامنه 10 کیلومتری در ناحیه شهری در ایالات متحده و اروپا ( ضمیمه SI ، شکل S2 ). داده های ارتفاع ساخته شده مرجع به طور تصادفی به 10 برابر تقسیم شد و هر بار از یک برابر برای ارزیابی استفاده شد. دوم، ما ارتفاع شهری برآورد شده را با استفاده از 10 شهر باقیمانده از 37 شهر در حوزه 10 کیلومتری 10 کیلومتری در ناحیه شهری ( ضمیمه SI ، شکل S3 )، و در کل منطقه شهری در تمام 37 شهر ارزیابی کردیم.

 در نهایت، ما ارتفاع برآورد شده شهری را با استفاده از داده های مرجع شماره طبقات در 20 شهر در چین ( ضمیمه SI ، شکل S4 )، داده های مرجع ارتفاع ساختمان در سائوپائولو، برزیل ارزیابی کردیم. ونکوور، کانادا؛ و محصول ملی ارتفاع ساخته شده (10 متر) در آلمان از مشاهدات ماهواره ای (پیوست SI ، شکل S5 ).

ارتفاعات ساخته شده شهری جهانی مطابقت خوبی با داده های مرجع نشان می دهد و می تواند تغییرات ارتفاعات ساخته شده را به تصویر بکشد ( ضمیمه SI ، شکل S2 ). RMSE بین مرجع و ارتفاعات تخمینی ساخته شده شهری زیر 0.50 متر است و ضریب همبستگی بیشتر از 0.80 است ( ضمیمه SI ، شکل S3 ).

 ارتفاعات ساخته شده شهری برآورد شده در چین نیز قابل اعتماد هستند، همانطور که توسط شاخص های RMSE و MAE با استفاده از داده های مرجع شماره طبقات نشان داده شده است ( ضمیمه SI ، شکل S4 )، با ضریب همبستگی کمی پایین تر به دلیل تفاوت بین تعداد و ارتفاع طبقه نتایج مشابه (یعنی RMSE: 0.37~0.47 و MAE: 0.40~0.49) در سائوپائولو، برزیل به دست آمد. ونکوور، کانادا؛ و آلمان (پیوست SI ، شکل S5 )، با استفاده از داده های مرجع ارتفاع ساختمان و محصول شبکه بندی شده ارتفاع ساخته شده از ماهواره ها.

فرم شهری با ترکیب تراکم 2 بعدی و ارتفاع 3 بعدی.

ما شهرهای جهان را بر اساس فضای ویژگی تراکم شهری دوبعدی (نفوذ ناپذیری) و همچنین ارتفاعات ساخته شده سه بعدی (میانگین و تغییرات درون شهر) به شش نوع گروه بندی کردیم (ضمیمه SI، شکل S11 ) . ما میانگین و ضریب چارک پراکندگی (QCD) ( معادل 3 ) ارتفاعات ساخته شده و همچنین میانگین سطوح غیرقابل نفوذ (ISA) در هر شهر را برای توصیف فرم شهری در ابعاد عمودی و افقی محاسبه کردیم:

( QCD ) =س3-س1س1+س3،(QCD)=�3−�1�1+�3,[3]جایی که س1 �1 و س3 �3 چندک اول (صدک 25) و سوم (صدک 75) ارتفاع ساخته شده در هر منطقه شهری است. QCD می تواند تغییرات ارتفاعات ساخته شده را در داخل شهر ثبت کند و همچنین بین شهرهایی با میانگین ارتفاعات مختلف قابل مقایسه است.

 میانگین ISA می تواند نشان دهنده تراکم نفوذناپذیری کلی شهر باشد و از داده های ISA جهانی 30 متر محاسبه شد ( 56). ما آستانه‌های نفوذناپذیری، میانگین و QCD ارتفاع‌های ساخته‌شده (ارتفاع میانگین: 3؛ QCD: 0.6؛ میانگین ISA: 0.75) را برای طبقه‌بندی شهرها در سطح جهانی به شش نوع، عمدتاً بر اساس توزیع داده‌های هر ویژگی، تعریف کردیم. 

هدف اصلی مقایسه شهرها و نشان دادن نمای کلی از منظر جهانی فرم شهری با در نظر گرفتن تراکم دو بعدی و ارتفاع سه بعدی است. این آستانه ها را می توان به راحتی برای طبقه بندی مجدد شهرهای جهان تنظیم کرد. ما دریافتیم که تنوع ارتفاعات ساخته شده در شهرهای مرتفع کم است.

 بنابراین، ما انواع شهرهایی که هم بلند و هم در ارتفاعات ساخته شده ناهمگن باشند، نداشتیم. این شش نوع شهر عبارتند از (1) پراکنده و همگن کم، (2) متراکم و همگن کم، (3) پراکنده و ناهمگن کم، (4) متراکم و ناهمگن کم، (5) پراکنده و همگن بالا،سرانه و نابرابری زیرساخت های ساخته شده شهری در این تحقیق پیشنهاد شد که حجم ساخت و ساز شهری با ضرب مساحت و ارتفاعات شهری می تواند به عنوان نماینده ای برای زیرساخت های ساخته شده شهری در نظر گرفته شود.

 ما زیرساخت های ساخته شده شهری را در هر شبکه محاسبه کردیم و همه پیکسل ها را در هر کشور جمع کردیم. درصد جمعیت انباشته و زیرساخت سرانه در هر کشور با استفاده از سوابق جمعیتی بانک جهانی محاسبه شد. در مجموع 159 کشور در سراسر جهان (آنهایی که دارای رکورد تولید ناخالص داخلی نیستند، مانند جمهوری دموکراتیک خلق کره [کره شمالی] حذف شدند) در شکل‌ها مورد بررسی قرار گرفتند. 3 و 4 . در شکل 3، مساحت هر مستطیل نشان دهنده درصد کل زیرساخت های ساخته شده در هر کشور است. 

ما همچنین رابطه بین زیرساخت سرانه و تولید ناخالص داخلی در هر کشور را با استفاده از داده های بانک جهانی بررسی کردیم.با استفاده از روش پیشنهادی Pandey و همکاران. ( 3 ) و برلسفورد و همکاران. ( 23 ) (یعنی معادله 4 ) ، ما شاخص نابرابری زیرساخت های ساخته شده شهری را محاسبه کردیم که می تواند سطح نابرابری فضایی در زیرساخت ها را در هر یک از 119 کشور اندازه گیری کند (با تعداد کل مناطق شهری مشخص شده توسط شهری 2015 داده های مرزی بزرگتر از 10) در جنوب و شمال جهانی:

من=پμ ( 1 – μ )——-√; 0 < μ < 1 ،�=��(1−�);0<�<1,[4]که در آن I شاخص نابرابری است که از 0 (کمترین نابرابری) تا 1 (بالاترین نابرابری) متغیر است.

متر�وپ�میانگین و SD، به ترتیب، توزیع‌های زیرساختی ساخته‌شده هستند که توسط یک کران بالا در هر منطقه جغرافیایی محدود شده‌اند. این شاخص بررسی می‌کند که چگونه ناهمگونی‌های بین منطقه‌ای ( ضمیمه SI ، شکل‌های S8 و S12 ) با میانگین کلی توزیع‌های زیرساختی که توسط یک کران بالا محدود می‌شود، متفاوت است ( 3) .). ما همچنین سه کران بالا (یعنی 90، 95، و 100 چندک در توزیع‌های زیرساخت) را در محاسبه شاخص نابرابری آزمایش کردیم. 

ابتدا، چندک های 90، 95 و 100 را از توزیع زیرساخت در هر منطقه جغرافیایی به عنوان سه کران بالا محاسبه کردیم. دوم، ما توزیع‌های زیرساختی را در هر منطقه جغرافیایی ایجاد کردیم که توسط آن سه مرز بالا محدود شده بود. در نهایت، تحت هر کران بالایی محدود، SD (σ) و مقادیر میانگین (μ) برای محاسبه شاخص های نابرابری به دست آمد. نتایج ما تا حد بالایی متفاوت است، همانطور که در پیوست SI ، شکل S8 نشان داده شده است .

نتیجه، چگونگی تأثیر تغییرات آب و هوا بر طول روز و اعتبار ابزارهای مدل‌سازی آب و هوا را روشن می‌کند

تیمی از اخترفیزیکدانان در دانشگاه تورنتو (U of T) نشان دادند که چگونه طولانی شدن آهسته و پیوسته روز زمین ناشی از کشش جزر و مدی ماه برای بیش از یک میلیارد سال متوقف شد.

آنها نشان می دهند که از حدود دو میلیارد سال پیش تا 600 میلیون سال پیش، جزر و مد جوی که توسط خورشید هدایت می شد، با اثر ماه مقابله کرد و سرعت چرخش زمین را ثابت نگه داشت و طول روز را در 19.5 ساعت ثابت نگه داشت.

بدون این مکث میلیارد ساله در کاهش سرعت چرخش سیاره ما، روز 24 ساعته کنونی ما به بیش از 60 ساعت خواهد رسید.

مطالعه ای که نتیجه را توصیف می کند، «چرا روز 24 ساعت است. تاریخ جزر و مد حرارتی اتمسفر زمین، ترکیب و دمای متوسط ​​زمین، امروز در مجله Science Advances منتشر شد . دانشمندان با تکیه بر شواهد زمین شناسی و با استفاده از ابزارهای تحقیقاتی جوی نشان می دهند که بن بست جزر و مدی بین خورشید و ماه ناشی از ارتباط اتفاقی اما بسیار پیامد بین دمای جو و سرعت چرخش زمین است.

نویسندگان مقاله عبارتند از نورمن موری، اخترفیزیکدان نظری با مؤسسه اخترفیزیک نظری کانادا (CITA). دانشجوی کارشناسی ارشد Hanbo Wu، CITA و گروه فیزیک، U of T; کریستن منو، دیوید ا. جرمی لاکونت، آزمایشگاه فیزیک نجومی بوردو و عضو سابق فوق دکترای CITA. و کریستوفر لی، گروه فیزیک، U of T.

زمانی که ماه برای اولین بار حدود 4.5 میلیارد سال پیش شکل گرفت، طول روز کمتر از 10 ساعت بود. اما از آن زمان، کشش گرانشی ماه بر روی زمین، چرخش سیاره ما را کند کرده است و در نتیجه روز به طور فزاینده‌ای طولانی‌تر می‌شود. امروزه با سرعتی حدود 1.7 میلی ثانیه در هر قرن افزایش می یابد.

ماه با کشیدن اقیانوس‌های زمین، چرخش سیاره را کند می‌کند و برآمدگی‌های جزر و مدی در طرف‌های مخالف سیاره ایجاد می‌کند که ما آن را به صورت جزر و مد بالا و پایین تجربه می‌کنیم. کشش گرانشی ماه روی آن برآمدگی ها، به علاوه اصطکاک بین جزر و مد و کف اقیانوس، مانند یک ترمز بر روی سیاره در حال چرخش ما عمل می کند.

موری می گوید: «نور خورشید نیز جزر و مد جوی با همان نوع برآمدگی ایجاد می کند. گرانش خورشید این برآمدگی‌های جوی را می‌کشد و گشتاوری روی زمین تولید می‌کند. اما به جای اینکه چرخش زمین را مانند ماه کند کند، سرعت آن را افزایش می‌دهد.»

در بیشتر تاریخ زمین شناسی زمین، جزر و مد ماه بر جزر و مد خورشیدی حدود ده ضریب غلبه کرده است. از این رو، سرعت چرخش زمین و روزها افزایش می یابد.

اما حدود دو میلیارد سال پیش، برآمدگی‌های اتمسفر بزرگ‌تر بودند، زیرا جو گرم‌تر بود و رزونانس طبیعی آن – فرکانس حرکت امواج در آن – با طول روز مطابقت داشت.

جو، مانند یک زنگ، با فرکانس تعیین شده توسط عوامل مختلف، از جمله دما، طنین انداز می شود. به عبارت دیگر، امواج – مانند امواجی که در اثر فوران عظیم آتشفشان کراکاتوآ در اندونزی در سال 1883 ایجاد شد – با سرعتی که توسط دمای آن تعیین می‌شود، از آن عبور می‌کنند. همین اصل توضیح می دهد که چرا یک زنگ در صورتی که دمای آن ثابت باشد، همیشه یک نت را تولید می کند.

در طول بیشتر تاریخ زمین، تشدید اتمسفر با سرعت چرخش سیاره همگام نبوده است. امروزه، هر یک از این دو «جندر بالا» جوی 22.8 ساعت طول می کشد تا به سراسر جهان سفر کنند. چون آن رزونانس و دوره چرخشی 24 ساعته زمین هماهنگ نیستند، جزر و مد جوی نسبتاً کوچک است.

اما در طول دوره میلیارد ساله مورد مطالعه، جو گرمتر بود و با دوره ای حدود 10 ساعت طنین انداز شد. همچنین، در ظهور آن دوران، چرخش زمین که توسط ماه کند شده بود، به 20 ساعت رسید.

وقتی رزونانس جوی و طول روز به عوامل زوج تبدیل شد – ده و 20 – جزر و مد جو تقویت شد، برآمدگی ها بزرگتر شدند و کشش جزر و مدی خورشید به اندازه کافی قوی شد تا با جزر و مد ماه مقابله کند.

موری می گوید: «این مانند هل دادن یک کودک روی تاب است. “اگر فشار شما و دوره چرخش هماهنگ نباشد، خیلی بالا نمی رود. اما اگر آنها هماهنگ باشند و شما فشار دهید درست زمانی که تاب در یک انتهای حرکت متوقف می شود، فشار وارد می شود. به شتاب نوسان می افزاید و بیشتر و بالاتر خواهد رفت. این همان چیزی است که با رزونانس و جزر و مد جوی اتفاق افتاد.”

موری و همکارانش همراه با شواهد زمین‌شناسی، با استفاده از مدل‌های گردش جوی جهانی (GCM) برای پیش‌بینی دمای اتمسفر در این دوره به نتایج خود دست یافتند. GCM ها همان مدل هایی هستند که توسط اقلیم شناسان برای مطالعه گرمایش جهانی استفاده می شود. به گفته موری، این واقعیت که آنها در تحقیقات تیم بسیار خوب کار کردند یک درس به موقع است.

موری می‌گوید: «من با افرادی که نسبت به تغییرات آب‌وهوایی شک دارند صحبت کرده‌ام که به مدل‌های گردش جهانی که به ما می‌گویند در یک بحران اقلیمی هستیم، اعتقادی ندارند. “و من به آنها می گویم: ما از این مدل های گردش جهانی در تحقیقات خود استفاده کردیم و آنها درست متوجه شدند. آنها کار می کنند.”

با وجود دورافتادگی آن در تاریخ زمین شناسی، نتیجه چشم انداز بیشتری به بحران آب و هوا می افزاید. از آنجایی که رزونانس اتمسفر با دما تغییر می‌کند، موری اشاره می‌کند که اتمسفر گرمایش فعلی ما می‌تواند پیامدهایی در این عدم تعادل جزر و مدی داشته باشد.

همانطور که دمای زمین را با گرم شدن کره زمین افزایش می دهیم، فرکانس تشدید را نیز بالاتر می بریم — ما جو خود را از تشدید دورتر می کنیم. در نتیجه، گشتاور کمتری از خورشید و در نتیجه طول روز وجود دارد. طولانی تر خواهد شد، زودتر از آنچه در غیر این صورت بود.”

کارما نانگلو می‌گوید حیوان مورد علاقه‌اش هر کدام است که روی آن کار می‌کند. اما موضوع اخیر او ممکن است برای مدتی جایگاه اول را حفظ کند: فسیلی 500 میلیون ساله از گروه عجیب و غریب بی مهرگان دریایی، تونیکاتورها.

نانگلو، محقق فوق دکتری در دپارتمان زیست شناسی ارگانیسمی و تکاملی گفت: “این حیوان به اندازه چیزهایی که هنگام آویزان شدن از صخره کوه یا بیرون پریدن از هلیکوپتر پیدا کردم، یک کشف هیجان انگیز است. به همان اندازه جالب است.” در دانشگاه هاروارد

در یک مطالعه جدید در Nature Communications، Nanglu و همکارانش فسیل جدیدی به نام Megasiphon thylakos را توصیف می‌کنند و نشان می‌دهند که تونیک‌های اجدادی به‌عنوان بزرگسالان ثابت و با فیلتر تغذیه می‌زیستند و احتمالاً از لارو قورباغه‌مانند دگردیسی شده‌اند.

تونیکات ها واقعا موجودات عجیبی هستند که در اشکال و اندازه های مختلف با سبک های زندگی بسیار متنوعی هستند. شکل اصلی تونیکاتور بالغ معمولاً بشکه مانند است و دو سیفون از بدن آن بیرون می زند. یکی از سیفون ها از طریق مکش آب را با ذرات غذا جذب می کند و به حیوان اجازه می دهد با استفاده از یک دستگاه فیلتر داخلی سبد مانند تغذیه کند. پس از تغذیه حیوان، سیفون دیگر آب را خارج می کند.

دو دودمان اصلی تونیکاتور وجود دارد، آسیدیوس ها (اغلب به آنها “پیچ های دریایی” می گویند) و آپاندیکولاریاها. اکثر آسیدیاس ها زندگی خود را شبیه به قورباغه و متحرک شروع می کنند، سپس با دو سیفون به یک انسان بالغ بشکه ای شکل دگرگون می شوند. آنها زندگی بزرگسالی خود را در کنار بستر دریا می گذرانند. در مقابل، آپاندیکولارها ظاهر یک بچه قورباغه را حفظ می کنند، زیرا در بزرگسالان رشد می کنند و آزادانه در آب های بالا شنا می کنند.

این ایده که آنها به صورت لارو قورباغه ای شروع می شوند که وقتی آماده رشد می شوند، اساساً با سر به سنگی ضربه می زند، به آن می چسبد و با جذب مجدد دم خود برای تبدیل شدن به این موجود با دو سیفون شروع به دگردیسی می کند، فقط حیرت انگیز است. ننگلو می گوید.

جالب اینجاست که تونیکاتورها نزدیک ترین خویشاوندان مهره داران هستند که شامل ماهی، پستانداران و حتی انسان می شود. تصور اینکه چگونه این موجود عجیب و غریب می‌تواند با مهره‌داران مرتبط باشد، اگر شروع آن قورباغه نبود، سخت است. رابطه نزدیک تونیکیت با مهره داران، مطالعه آنها را برای درک منشاء تکاملی خود حیاتی می کند. متأسفانه، انجام این کار آسان نیست زیرا تونیکاتورها تقریباً به طور کامل در کل سابقه فسیلی وجود ندارند و تنها تعداد انگشت شماری از فسیل ها به طور قانع کننده ای به عنوان اعضای گروه ظاهر می شوند.

با تعداد اندک فسیل‌ها، دانشمندان عمدتاً بر آنچه می‌توان از گونه‌های تونیکیتی مدرن آموختند، تکیه کردند. از آنجایی که هیچ کس مورفولوژی و بوم شناسی آخرین جد مشترک تونیکاتورها را نمی دانست، دانشمندان فقط می توانستند این فرضیه را مطرح کنند که یا یک حیوان اعماق دریا با دو سیفون، مانند آسیدیاها، یا یک حیوان شناگر آزاد مانند آپاندیکولارها است.

M.thylakos تمام علائم بارز تونیک آسیدیاس، بدن بشکه ای شکل و دو رشد سیفون مانند برجسته را داشت. اما ویژگی که برای تیم برجسته بود، نوارهای تیره ای بود که روی بدن فسیل بالا و پایین می رفتند.

تصاویر پرقدرت M. thylakos به محققان این امکان را داد تا مقایسه ای کنار هم با یک آسیداسه مدرن انجام دهند. محققان برای شناسایی ماهیت نوارهای تاریک Megasiphon از بخش‌های جدا شده از تونیکاتور مدرن Ciona استفاده کردند . این مقایسه ها شباهت های قابل توجهی را بین ماهیچه های سیونا نشان داد که به تونیکیت اجازه می دهد سیفون های خود را باز و بسته کند و نوارهای تیره مشاهده شده در فسیل 500 میلیون ساله.

نانگلو گفت : ” مورفولوژی Megasiphon به ما نشان می دهد که سبک زندگی اجدادی تونیک ها شامل یک فرد بالغ غیر متحرک است که با سیفون های بزرگش تغذیه می شود.” بسیار نادر است که نه فقط یک فسیل تونیکی پیدا کنیم، بلکه فسیلی که نمای منحصر به فرد و بی نظیری از منشاء تکاملی اولیه این گروه مرموز ارائه دهد، وجود دارد.

M. thylakos تنها فسیل قطعی تونیکاتور با حفظ بافت نرم است که تا به امروز کشف شده است. این قدیمی ترین در نوع خود است که از سازند مرجوم کامبرین میانی در یوتا سرچشمه می گیرد. این فسیل توسط همکار پژوهشی، رودی لروسی-اوبریل، و پروفسور خاویر اورتگا-هرناندز (هر دو در بخش زیست شناسی ارگانیسمی و تکاملی) هنگام بازدید از موزه تاریخ طبیعی یوتا (UMNH) در سال 2019 به عنوان یک تونیک شناخته شد.

اورتگا-هرناندز گفت: “فسیل فورا توجه ما را به خود جلب کرد، اگرچه ما بیشتر روی بندپایان کامبرین مانند تریلوبیت ها و بستگان نرم بدن آنها کار می کنیم، شباهت مورفولوژیکی نزدیک Megasiphon با تونیکاتورهای مدرن به سادگی بیش از حد قابل توجه بود که نمی توان نادیده گرفت . بلافاصله فهمید که این فسیل داستان جالبی برای گفتن دارد.”

فسیل‌های سازند مرجوم به مدت کوتاهی پس از انفجار کامبرین، یکی از مهم‌ترین رویدادهای تکاملی در تاریخ زمین که تقریباً 538 میلیون سال پیش رخ داد، مربوط می‌شوند. در طول این مدت، عمده ترین گروه های جانوری برای اولین بار در فسیل ها ظاهر شدند که اکوسیستم های دریایی را به شدت تغییر می دهند. با این حال، تونیکات ها به طور قابل توجهی در سنگ های کامبرین وجود ندارند، حتی اگر در اقیانوس های مدرن متنوع و فراوان باشند.

بسیاری از مکان‌های فسیلی کامبرین با حفاظت استثنایی در ایالات متحده وجود دارد، اما این مکان‌ها در مقایسه با مکان‌های شیل Burgess در کانادا و Chengjiang در چین اغلب نادیده گرفته می‌شوند. Lerosey-Aubril گفت : “کشف Megasiphon به خوبی نشان می دهد که چرا من و خاویر در ده سال گذشته در یوتا کار میدانی انجام داده ایم.” اقشار مرجم در حال حاضر تمام توجه ما را به خود جلب کرده است زیرا می دانیم که فسیل های گروه های جانوری مانند تونیکات یا ژله های شانه ای را که تقریباً به طور کامل در پرونده فسیلی کامبرین وجود ندارد، حفظ می کند.

تخمین های ساعت مولکولی نشان می دهد که آسیدیوس ها 450 میلیون سال پیش به وجود آمده اند. با این حال، M. thylakos با 500 میلیون سال قدمت، واضح ترین دیدگاه را در مورد آناتومی تونیکاتورهای باستانی و اولین تاریخ تکامل آنها ارائه می دهد. به طور قابل توجهی، M. thylakos شواهدی ارائه می دهد که بیشتر طرح بدنه مدرن تونیکیت ها بلافاصله پس از انفجار کامبرین ایجاد شده است.

نانگلو گفت: «با توجه به کیفیت استثنایی حفاظت و قدمت فسیل، ما در واقع می‌توانیم در مورد تاریخچه تکاملی تونیکاتورها صحبت کنیم.» “این یک یافته باورنکردنی است زیرا ما تقریباً هیچ مدرک قطعی برای شیوه های زندگی اجدادی این گروه قبل از این نداشتیم.”

پس از جمع‌آوری صدها فسیل جدید در بهار امسال، محققان متقاعد شده‌اند که سازند مرجم تنها شروع به افشای اسرار خود کرده است.

نویسندگان مایلند تشکر ویژه ای از سی. لویت-بوسیان و RB Irmis برای کمک آنها در طول بازدید از موزه تاریخ طبیعی یوتا (NHMU) و برای تسهیل مطالعه نمونه های نگهداری شده در این موسسه داشته باشند. و به دفتر مدیریت زمین، به ویژه SE Foss و G. McDonald، به دلیل سپرده گذاری Holotype Megasiphon در NHMU و ارائه کمک سرپرستی.

شیمیدانان دانشگاه کلرادو بولدر روش جدیدی را برای بازیافت نوع رایج پلاستیک موجود در بطری های نوشابه و سایر بسته بندی ها ابداع کرده اند. روش تیم متکی به الکتریسیته و برخی واکنش‌های شیمیایی خوب است، و به اندازه‌ای ساده است که می‌توانید شکستن پلاستیک را در مقابل چشمان خود تماشا کنید.

محققان رویکرد جدید خود را برای بازیافت مواد شیمیایی در 3 جولای در مجله Chem Catalysis شرح دادند.

این مطالعه به مشکل رو به افزایش زباله های پلاستیکی در سراسر جهان می پردازد. بر اساس گزارش آژانس حفاظت از محیط زیست، ایالات متحده به تنهایی نزدیک به 36 میلیون تن محصولات پلاستیکی در سال 2018 تولید کرده است. به گفته اوآنا لوکا، یکی از نویسندگان این مطالعه، اکثریت زباله ها در محل های دفن زباله جمع می شوند.

لوکا، استادیار دپارتمان شیمی، می‌گوید: «وقتی چیزی را در سطل بازیافت می‌اندازیم، به پشت خود می‌زنیم، اما بیشتر آن پلاستیک قابل بازیافت هرگز بازیافت نمی‌شود». ما می‌خواستیم دریابیم که چگونه می‌توانیم مواد مولکولی، بلوک‌های سازنده پلاستیک‌ها را بازیابی کنیم تا بتوانیم دوباره از آنها استفاده کنیم.»

در تحقیقات جدید، او و همکارانش یک قدم به انجام این کار نزدیک‌تر شدند.

این گروه بر روی نوعی پلاستیک به نام پلی اتیلن ترفتالات (PET) تمرکز کردند که مصرف کنندگان هر روز با آن در بطری های آب، بسته های تاول و حتی برخی پارچه های پلی استر مواجه می شوند. در آزمایش‌های آزمایشگاهی در مقیاس کوچک، محققان قطعات آن پلاستیک را با نوع خاصی از مولکول مخلوط کردند و سپس یک ولتاژ الکتریکی کوچک اعمال کردند. در عرض چند دقیقه، PET شروع به متلاشی شدن کرد.

این تیم قبل از اینکه ابزار بازیافت آن بتواند مشکل سطل زباله پلاستیکی جهان را حل کند، کارهای بسیار بیشتری باید انجام دهد. فوک فام، سرپرست تیم تحقیق، گفت: اما تماشای زباله‌هایی که می‌توانند برای قرن‌ها در انبوه زباله‌ها بمانند و ظرف چند ساعت یا چند روز ناپدید شوند، همچنان سرگرم‌کننده بود.

فام، دانشجوی دکترای شیمی، گفت: «مشاهده پیشرفت واکنش در زمان واقعی بسیار عالی بود. محلول ابتدا به رنگ صورتی تیره تبدیل می شود، سپس با جدا شدن پلیمر شفاف می شود.

زباله های یک نفر

لوکا گفت که این یک روش کاملاً جدید برای فکر کردن در مورد احتمالات زباله است. او اشاره کرد که سطل های بازیافت ممکن است راه حل خوبی برای مشکل پلاستیک در جهان به نظر برسد. اما بیشتر شهرداری‌ها در سراسر جهان برای جمع‌آوری و دسته‌بندی کوه کوچک زباله‌هایی که مردم هر روز تولید می‌کنند، تلاش کرده‌اند. نتیجه: کمتر از یک سوم از کل پلاستیک PET در ایالات متحده به بازیافت نزدیک می شود (سایر انواع پلاستیک حتی بسیار عقب تر هستند). حتی در این صورت، روش هایی مانند ذوب ضایعات پلاستیکی یا حل کردن آن در اسید می توانند خواص مواد را در این فرآیند تغییر دهند.

لوکا گفت: “در نهایت مواد را به صورت مکانیکی تغییر می دهید.” با استفاده از روش‌های فعلی بازیافت، اگر یک بطری پلاستیکی را ذوب کنید، می‌توانید به عنوان مثال، یکی از آن کیسه‌های پلاستیکی یکبار مصرف را تولید کنید که اکنون باید پول آن را در فروشگاه مواد غذایی بپردازیم.»

او و تیمش در مقابل، می‌خواهند راهی برای استفاده از مواد اولیه بطری‌های پلاستیکی قدیمی برای ساخت بطری‌های پلاستیکی جدید بیابند. این مانند شکستن قلعه لگو است تا بتوانید بلوک ها را بازیابی کنید و یک ساختمان کاملاً جدید ایجاد کنید.

گنج دیگری

برای دستیابی به این موفقیت، گروه به فرآیندی به نام الکترولیز یا استفاده از الکتریسیته برای تجزیه مولکول ها روی آوردند. برای مثال شیمیدانان مدت‌هاست می‌دانستند که می‌توانند ولتاژی را به لیوان‌های پر از آب و نمک اعمال کنند تا آن مولکول‌های آب را به گاز هیدروژن و اکسیژن تقسیم کنند.

اما تقسیم پلاستیک PET بسیار سخت تر از آب است. در مطالعه جدید، فام بطری های پلاستیکی را آسیاب کرد و سپس پودر را با محلول مخلوط کرد. سپس، او و همکارانش یک ماده اضافی، مولکولی معروف به نمک [N-DMBI]+ را به محلول اضافه کردند. فام توضیح داد که در حضور الکتریسیته، این مولکول «واسطه‌ای واکنشی» را تشکیل می‌دهد که می‌تواند الکترون اضافی خود را به PET ببخشد و باعث از بین رفتن دانه‌های پلاستیک شود. به آن مانند شیمی معادل تحویل یک قطعه کاراته به یک تخته چوبی فکر کنید.

محققان هنوز در تلاشند تا بفهمند این واکنش‌ها دقیقاً چگونه رخ می‌دهند، اما آنها توانستند PET را به بلوک‌های ساختمانی اصلی آن تجزیه کنند – که گروه می‌تواند آن‌ها را بازیابی کند و به طور بالقوه از آن برای ساختن چیزی جدید استفاده کند.

محققان با استقرار تنها تجهیزات رومیزی در آزمایشگاه خود گزارش دادند که می توانند حدود 40 میلی گرم (مقدار کوچک) PET را طی چند ساعت تجزیه کنند.

فام گفت: “اگرچه این یک شروع عالی است، اما ما معتقدیم که باید کارهای زیادی برای بهینه سازی فرآیند و همچنین افزایش مقیاس آن انجام شود تا در نهایت بتوان آن را در مقیاس صنعتی اعمال کرد.”

لوکا، حداقل، ایده های بزرگی برای این فناوری دارد.

لوکا می‌گوید: «اگر به عنوان یک دانشمند دیوانه راه خودم را داشته باشم، از این روش‌های الکتروشیمیایی برای شکستن انواع مختلف پلاستیک در یک لحظه استفاده می‌کنم. به این ترتیب، برای مثال، می‌توانید به این زباله‌های عظیم در اقیانوس بروید، همه آن زباله‌ها را به یک رآکتور بکشید و بسیاری از مولکول‌های مفید را پس بگیرید.»