位于巴黎巴士底歌剧院（Opéra Bastille）顶部的二氧化碳传感器，将有助于监测这座城市的空气排放情况。图片来源：Pekka Pelkonen/ICOS RI

　　1950年，全球大约只有五分之一的人口居住在城市。而现在，这一比例已接近二分之一。这些都会区已有33个跨入了“特大城市”的行列，这意味着其常住人口超过了1000万。超大规模城市之一的东京拥有超过3300万居民，是现代科技的巨无霸。东京新宿火车站繁忙程度世界居首，每天平均客流量达270万人次。

　　如此庞大的城市生态系统，无论是从太空俯视还是在街道平视，都无法轻易地理解。要理解其中的居民及其运行机制，需要借助科学仪器在不同维度、不同地点——从地下建筑到嘈杂污染的街道，再到城市上空——捕捉随时间变化的各种数据。以下是四个创新的科学项目，它们正利用传感器探索不断变化的城市景观如何影响其核心服务对象：人类。

　　艾哈迈达巴德的夏天酷热难耐。这座拥有 900 多万人口的城市位于印度西部的古吉拉特邦，五月份的平均气温徘徊在 40°C 左右。这不仅远超人体感觉舒适的温度，更接近了人类生存的危险极限。城内那些拥挤密集的棚屋中，居民处境尤为艰难，由于房屋质量低劣且缺乏维护，他们无法获得足够的保护来抵御酷暑。

　　解决方案可能简单到只需在屋顶涂上一层油漆。研究已经证明，阳光反射涂层能将白天的室内空气温度降低多达 2.7°C (见go.nature. com/3t8mjq2)。因此，2023 年启动了一项国际研究，旨在调查这种低成本方案的实际效益。该项目利用一系列传感器，追踪艾哈迈达巴德以及布基纳法索、墨西哥和太平洋岛国纽埃部分居民的健康状况。“我们试图观察的，主要是这种干预措施对健康产生的影响。”该试验的研究人员之一、总部位于新德里的印度自然资源保护协会（NRDC India）健康与气候韧性负责人Abhiyant Tiwari表示。

　　参与研究的住户均配备了室内温度计，用于测量降温涂料对室温的直接影响；同时，每户的一位成员还佩戴了智能手表，以监测高温对心率、睡眠模式和活动水平产生的生理影响。热暴露会对健康造成严重后果，尤其是对幼儿、老年人以及患有心脏病等慢性疾病的人群。在热浪期间，情况可能尤为严峻，因为酷热的夜晚会导致人体在休息时无法降温。从全球范围来看，65岁以上老年人中与高温相关的死亡人数，在 1990–99 年至 2014–23 年间增加了一倍多（见4butmft）。

　　在印度艾哈迈达巴德，反射涂料正助力建筑物保持凉爽。图片来源：Ajit Solanki/AP Photo/Alamy

　　“另一个成果是，理解此类干预措施不仅能造福人类健康，也能提高生产力，并降低制冷方面的能源需求。” Tiwari表示。

　　这项于 2023 年启动的研究是一项艰巨的任务。由于室内温度计和智能手表的数据必须通过人工方式下载，研究人员不得不定期走访住户。目前要断定降温涂料是否产生显著效果还为时尚早，但Tiwari表示，初步数据和参与者的口头反馈显示该方案是有益的。“从心理层面来看，人们确实感受到了好处；但就健康而言，只有在收集齐所有数据后，我们才能得出确切结论。”

　　城市空间是温室气体排放的高度集中地，是全球约 70% 的排放量来源。然而，考虑到典型城市中排放源的复杂与多样，要对这些排放进行量化极具挑战性。在瑞士、法国和德国，参与“集成碳观测系统城市计划”（ICOS Cities initiative）的研究人员正在苏黎世、巴黎和慕尼黑试点称为“自上而下”（top-down）的排放监测。

　　“通常情况下，要查看一个国家或城市的排放量，你会编制清单、进行统计，这被称为‘自下而上’的方法。”瑞士联邦材料科学与技术研究所大气污染与环境技术实验室主任Lukas Emmenegger说。他解释说，这意味着你需要统计汽车数量、工业企业数量、农业用地面积，以及供暖的使用量和类型等信息，然后将每一项数据乘以一个“排放因子”——即代表该活动产生温室气体速率的系数。“这是国际公约框架下的标准操作。”他说。

　　集成碳观测系统城市计划的目标之一，就是确定这一套监测流程的准确性究竟如何。为此，研究人员部署了三级传感器，旨在构建出这些城市排放随时间变化的详尽三维立体图像。

　　在低成本端，是部署在街道层面的电池供电式二氧化碳监测仪，它们被安置在靠近主要污染源（如道路）的地方。成本和高度都更上一层楼的是二氧化碳传感器，它们被放置在高处，有时安装在建筑物屋顶的天线上。更贵的传感器是地面光谱仪，它们利用阳光来分析城市上空大气的二氧化碳浓度。

　　目前为止，结果显示苏黎世通过推算得出的清单与实际情况惊人地接近。“我认为这归功于苏黎世拥有的清单极为完善；他们的工作做得非常出色，掌握了每一个供暖点位和每一条道路的情况，并且对交通流量进行了实测。” Emmenegger说。慕尼黑和巴黎的数据与推算数字表现出了合理的一致性，但并非完全吻合。其中一个令人意外的排放源是慕尼黑的一家酿酒厂，其发酵过程产生了极高水平的二氧化碳。

　　该项目目前正扩展至欧洲其他12座城市。Emmenegger表示，这些结果有助于增强人们对净零排放倡议的信心。“如果我们实现了净零排放，这种变化理应能在大气中被观察到；我们认为，这确实为整个监测体系增添了更高层次的可靠性。”

　　美国华盛顿州的西雅图市被繁茂的荒野所环绕。这座拥有75万多人口的城市夹在华盛顿湖与普吉特海湾之间，远眺可见三座国家公园，离白雪皑皑的雷尼尔山也不远。

　　因此，西雅图境内居住着除人类以外的哺乳类掠食者也就不足为奇了。这里的“居民”还包括浣熊、短尾猫、郊狼、美洲狮甚至熊。西雅图城市肉食动物项目(Seattle Urban Carnivore Project)的研究人员希望了解这些野生居民是如何与人类居民进行互动的。该项目始于对城市区域中研究不足的生态系统进行探索的愿望，并特别关注肉食动物。“哺乳类肉食动物，尤其是西雅图的郊狼，是共存与冲突问题集中的领域之一。”西雅图大学的生物学家、环境科学家Mark Jordan说。当地媒体充斥着关于人类、宠物与郊狼之间不愉快遭遇的报道，而这些冲突往往导致郊狼被捕杀以避免进一步的冲突。

　　为了更好地了解这些冲突的风险并规划缓解方法，研究人员在西雅图的公园、公共土地和其他绿地等 52 个地点部署了动作和热感触发式红外相机。这些相机全天候运行，其记录的数据令研究人员大为吃惊：结果显示，城市景观中的郊狼数量非常可观——在 2019 年 4 月至 2021 年 12 月期间，共观测到郊狼 3300 多只，总计超过 49000 次目击到各种动物。“有几种这样的物种，甚至是中型肉食动物，在城市地区生活得非常好。” Jordan说。“这确实让我们深刻意识到‘共存’是BWIN多么重要，因为这些动物已经遍布整个城市区域。”他说。

　　该项目不仅通过“公民科学”环节——让当地居民志愿者参与管理红外相机——来告知和教育社区，还通过外展活动帮助居民学习如何与野生动物安全共存。

　　在澳大利亚首都堪培拉以北约 40 公里处，有一条紧贴乔治湖（Lake George）东岸延伸的地下断层线。每周都有数以万计的驾驶者沿着这条断层上方的公路——往返于堪培拉与悉尼之间的主干道——疾驰而过，他们多半对自己轮下的地质状况一无所知。然而，这些交通流量恰恰是绘制该断层线地图的一项研究的关键所在。

　　测绘这类断层线，通常需产生高频地震波，使其穿透地下数百米并从地下结构处反弹回来。随后，这些反射波被用于构建地下结构的图像。这些波通常是利用受控爆炸或掉落重物的地震装置产生的，但这种方法成本高昂，且难以在郊区或城市地区实施。

　　沿着堪培拉联邦公路行驶的车辆所产生的震动，可用于测绘公路下方的断层线。图片来源：Taras Vyshnya/Alamy

　　交通产生的震动或许无法提供同等的精度，但它们确实提供了一种更具实践意义的替代方案。“交通噪声是免费的，而且它能量巨大，频率也相对较高。”澳大利亚国立大学的观测地震学家Chengxin Jiang表示。汽车和卡车散发出的震动波与地震波的表现方式一致。为了沿公路全线探测这些信号，Jiang及其同事部署了约 100 个啤酒罐大小的地震传感器，称为“检波器”。

　　这使他们能够构建出断层线的详尽三维图像，地震学家可以借此加深对该地区地质景观的理解。这种被称为“地震反射法”的方法在城市中同样具有应用价值，可用于测绘地下区域以辅助规划；例如，规划隧道线路或设计大型地下停车场。在建筑密集的城市中使用交通噪声面临的挑战是，噪声分布不像高速公路那样均匀，有些区域较吵，有些则较安静。但Jiang表示，这可以通过首先绘制待研究区域的交通噪声强度分布图来解决。

　　与传统的地震反射法相比，这是一种成本更低、干扰更小的替代方案，而且它巧妙地利用了城市生活中一个普遍存在的恒定量：交通。

　　在短短几百年内，城市深刻地改变了地表景观、大气环境、气候条件、生态系统、社会结构，甚至改变了城市居民本身。诸如上述的传感器研究正帮助人类理解这些变化究竟有多么深远，以及它们对未来的城市意味着什么。

　　Bianca Nogrady是一位定居在澳大利亚悉尼以西蓝山山脉的自由科学记者。