舗装は、太陽からの日射を再放射して都市を加熱することで知られています。
一部の都市では、気温を最大華氏7度まで上昇させることが確認されており、健康と環境のリスクを高める要因となっています。
MITの研究者らは、従来の舗装面よりも多くの日射を反射し、熱の放出を抑える「クールペーブメント」を作ることで、この脅威を低減する方法を見出しました。
舗装は都市で広く見られる表面で、アメリカの都市の約40%を覆っています。交通を支えるだけでなく、熱も放出します。
都市ヒートアイランド現象と呼ばれる現象により、建物が密集し、水を通さない舗装などの表面は、日射を吸収し、その放射を熱として再放出することで周囲を暖めることがあります。この現象は都市にとって深刻な脅威です。それは 気温を上昇させ 最大で華氏7度まで上昇させ、健康と環境のリスクを高めます。これらのリスクは、気候変動によってさらに深刻化するでしょう。
これに対応して、MIT Concrete Sustainability Hub（MIT CSHub）の研究者らは、通常は都市のヒートアイランドを強める表面が、その強度を弱める方法について研究しています。研究では、従来の舗装面より多くの日射を反射し、熱の放出が少ない「クールペーブメント」に焦点を当てています。
最近の研究 現職および元MIT CSHubの研究者チームによる研究が、学術誌 Environmental Science and Technology に掲載され、クールペーブメントとその導入方法を概説しています。研究により、ボストンとフェニックスでそれぞれ気温を最大1.7摂氏度（3 F）および2.1摂氏度（3.7 F）低下させられることが分かりました。また、温室効果ガス排出量も削減でき、総排出量はボストンで最大3%、フェニックスで6%削減されます。ただし、こうした削減を達成するには、各地区の気候、交通量、建物の配置に応じてクールペーブメントの戦略を選択する必要があります。
次のような都市、ロサンゼルスやフェニックスでは、クールペーブメントによる大規模な試験がすでに実施されていますが、この技術はまだ広くは導入されていません。CSHubのチームは、自らの研究が、気候変動に適応するため都市が将来のクールペーブメント事業を進める際の指針となることを期待しています。
表面をなぞる
濃色の表面は、淡色の表面よりも日光で熱くなることがよく知られています。気候科学者は、この現象を説明するために「アルベド」と呼ばれる指標を用いています。
「アルベドとは表面の反射率を示す指標です」と、本論文の筆頭著者であり、MIT CSHubのポスドク研究員であるHessam AzariJafari氏は説明しています。「アルベドが低い表面はより多くの光を吸収し、暗色になりやすい一方、アルベドが高い表面はより明るく、より多くの光を反射します。」
アルベドはクールペーブメントの中心的要素です。従来のアスファルトなどの一般的な舗装面はアルベドが低く、より多くの放射を吸収して、より多くの熱を放出します。一方、クールペーブメントはより明るい材料を用いており、3倍以上の放射を反射するため、再放出される熱ははるかに少なくなります。
「クールペーブメントは多くの異なる方法で作ることができます」と、材料科学研究所の研究者であり、コンクリート持続可能性ハブの共同ディレクターを務めるRandolph Kirchain氏は述べています。「コンクリートや明色の骨材などのより明るい材料はアルベドが高く、既存のアスファルト舗装は反射性コーティングによって『クール』にすることができます。」
CSHubの研究者らは、ボストンとフェニックスの研究において、これらいくつかの選択肢を検討しました。その分析では、コンクリート、反射性アスファルト、反射性コンクリートが従来のアスファルト舗装に置き換わった場合の異なる結果を検討しました。従来のアスファルト舗装は、世界の舗装の95%以上を占めています。
状況の把握
ボストンとフェニックスにおけるクールペーブメントの環境面での効果を包括的に理解するためには、研究者らは舗装材料だけに目を向けるのではなく、より広い視点を持つ必要がありました。これは、クールペーブメントが気温を下げるだけでなく、気候変動に対して直接的および間接的な影響も及ぼすためです。
「直接的な影響の一つは放射強制力です」とAzariJafari氏は指摘します。「クールペーブメントは放射を大気中に反射して戻すことで放射強制力を及ぼします。つまり、大気からより多くのエネルギーを送り出すことで、地球のエネルギー収支を変化させます。これは極地の氷冠と似た働きです。」
クールペーブメントは、隣接する建物のエネルギー使用量を変化させることを通じて、複雑で間接的な気候変動への影響も及ぼします。
「一方では、気温を下げることで、クールペーブメントは夏のAC [air conditioning] の必要性を一部減らすことができますが、冬には暖房需要が増加します」とAzariJafari氏は述べています。「逆に、入射放射と呼ばれる光を近隣の建物に反射させることで、クールペーブメントは建物を暖めることがあり、その結果、夏の冷房使用量が増え、冬の暖房需要が減少することがあります。」
さらに、アルベドの影響は、クールペーブメントのライフサイクル全体への影響の一部にすぎません。実際、建設および材料採掘による影響（併せて「組込み影響」と呼ばれます）と、舗装の使用の両方がライフサイクルの大部分を占めています。アルベドの影響を除いた、舗装の主要な使用段階での影響は、過剰な燃料消費です。平滑な表面と硬い構造を持つ舗装は、その上を走行する車両の過剰な燃料消費を少なくします。
したがって、クールペーブメントの気候変動への影響を評価することは、多くのトレードオフを伴う複雑なプロセスです。本研究では、研究者らはこれらを分析し、測定することを目指しました。
包括的な検討
ボストンとフェニックスにおけるクールペーブメントの理想的な導入方法を明らかにするため、研究者らは、従来のアスファルト舗装から、反射性アスファルト、コンクリート、反射性コンクリートという3つのクールペーブメントの選択肢へ切り替えた場合のライフサイクルへの影響を調査しました。
そのために、研究者らは連成物理シミュレーションを用いて、数千の仮想的な地区の建物をモデル化しました。このデータを用いて、建物と地区の特性に基づいて影響を予測するニューラルネットワークモデルを訓練しました。このツールを用いることで、ボストンとフェニックスにおける数千の道路と数十万の建物それぞれについて、クールペーブメントの影響を推定することが可能になりました。
アルベドの影響に加え、研究者らは、すべての舗装タイプの組込み影響や、表面の性状、剛性、劣化速度に起因する、舗装タイプが車両の過剰な燃料消費に与える影響についても検討しました。
各クールペーブメントタイプのライフサイクルへの影響を評価した後、研究者らは、従来のアスファルト、反射性アスファルト、コンクリート、反射性コンクリートのうち、どの材料が各地区に最も有益であるかを算出しました。全体としてクールペーブメントはボストンとフェニックスで有利であった一方、理想的な材料は両都市の内部でも都市間でも大きく異なることが分かりました。
「地区のタイプや舗装材料を問わず共通して見られた利点の一つは、放射強制力の影響でした」とAzariJafari氏は指摘します。「これは特に、建物が低層で密度の低い地域で顕著であり、その効果が最も大きく現れました。」
放射強制力とは異なり、建物のエネルギー需要の変化は地域によって異なりました。ボストンでは、クールペーブメントは全地区において、エネルギー需要を増加させる場合と同じくらい頻繁に減少させました。フェニックスでは、入射放射のため、ほとんどの国勢調査区でクールペーブメントはエネルギー需要に負の影響を与えました。ただし、放射強制力を考慮すると、クールペーブメントは最終的に純便益をもたらしました。
各地区において理想的な舗装タイプが明らかになったのは、組込み排出量と燃料消費への影響を考慮した後でした。ライフサイクルにおける不確実性を考慮した後、研究者らは、反射性コンクリート舗装が最も良い結果をもたらし、ボストンとフェニックスの地区でそれぞれ53%および73%において最適であることを明らかにしました。
ここでも、不確実性と変動が確認されました。ボストンでは、従来のアスファルト舗装をクールな選択肢に置き換えることが常に望ましい結果となりましたが、フェニックスでは、反射性かどうかにかかわらず、コンクリート舗装の方が、高温時の剛性により車両の燃料消費を抑えられるため、より良い結果となりました。フェニックスではコンクリートが優勢であるにもかかわらず、同市の地区の17%では、すべての反射性舗装の選択肢がおおむね同程度に効果的であることが分かりました。一方、1%のケースでは、従来の舗装の方が実際に優れていました。
「本研究で検討した気候変動への影響は数多く、しばしば互いに矛盾するものでしたが、結論は明確です。クールペーブメントは両都市にとって、気候変動緩和に大きな便益をもたらす可能性があります」とKirchain氏は述べています。
気温の改善は顕著になるでしょう。研究チームは、クールペーブメントにより、夏のピーク時の気温がボストンで1.7摂氏度（3 F）、フェニックスで2.1摂氏度（3.7 F）低下することを明らかにしました。二酸化炭素排出量の削減も同様に印象的でしょう。ボストンでは、50年間にわたり二酸化炭素排出量を最大3%削減できる見込みであり、フェニックスでは同期間に削減率が6%に達する見込みです。
この分析は、クールペーブメントに関するこれまでで最も包括的な研究の一つですが、さらに調査すべき点もあります。舗装と同様に、建物のアルベドを調整することも可能であり、建物のエネルギー需要の変化につながる可能性があります。集中的な電力網の脱炭素化や低炭素コンクリート混合物の導入も、クールペーブメントによって生じる排出量を変化させる可能性があります。
CSHubチームには、まだ多くの課題が残されています。しかし、クールペーブメントを研究することで、同チームは優れた気候変動対策を一層引き上げ、さらなる研究と将来の緩和策への道を切り開きました。
MIT Concrete Sustainability Hubは、MIT内の複数の学部にまたがる研究者からなるチームであり、コンクリートおよびインフラの科学、工学、経済学に取り組んでいます。同研究は、Portland Cement Associationおよび Ready Mixed Concrete Research and Education Foundationの支援を受けています。
