Города представляют собой сложные антропогенные системы, где физические процессы существенно отличаются от таковых в естественных экосистемах. Одним из ключевых факторов является нарушение естественного энергетического баланса. Урбанизированные территории поглощают больше солнечного излучения за счёт снижения альбедо поверхности: асфальт, бетон и кровельные материалы обладают значительно меньшей отражательной способностью по сравнению с растительностью и почвой. Это приводит к формированию эффекта городского теплового острова, при котором температура в пределах городской черты превышает температуру пригородных районов на 2–6 °С, а в отдельных случаях и более.
Существенное значение имеют и антропогенные источники тепла: транспорт, промышленные установки, отопительные системы. Их вклад в суммарный тепловой баланс может достигать 20–40 % от естественных потоков энергии, что резко изменяет микроклимат и динамику атмосферных процессов над городом.
Физика атмосферы урбанизированных территорий изучает особенности циркуляции воздушных масс и переноса примесей. В городах наблюдается специфическая турбулентная структура пограничного слоя атмосферы, вызванная сложным рельефом застройки. Высотные здания формируют урбанистический каньон, внутри которого усиливаются вихревые движения и изменяется направление потоков воздуха.
Особенностью является также слабая вентиляция нижних слоёв атмосферы, что приводит к накоплению загрязняющих веществ — диоксида азота, угарного газа, взвешенных частиц. В условиях температурной инверсии, которая часто возникает в городах зимой, примеси концентрируются в приземном слое, формируя смоговые явления.
Качество воздуха в городе определяется балансом процессов эмиссии загрязнителей и их рассеивания. Физические модели турбулентной диффузии позволяют прогнозировать динамику загрязнения и разрабатывать меры по оптимизации городской планировки для улучшения вентиляции.
Важным аспектом физики урбанизированных территорий является анализ радиационных потоков. Города изменяют как приходающую, так и исходящую радиацию. Поверхности с низким альбедо аккумулируют солнечное тепло днём и излучают его ночью в виде инфракрасного теплового излучения.
Кроме того, современный город является источником светового загрязнения. Искусственные источники освещения формируют мощные потоки электромагнитного излучения в оптическом диапазоне. Это приводит к изменению естественного ночного фона, нарушению биоритмов человека и животных, а также к искажению астрономических наблюдений. С физической точки зрения, световое загрязнение связано с множественными процессами рассеяния и отражения света в атмосфере, а также с избыточной мощностью и неправильной направленностью световых потоков.
Акустическая экология города представляет собой важную область исследования. Основными источниками шума являются транспортные потоки, строительная техника, промышленные предприятия. Физическая характеристика шума выражается через интенсивность звуковых волн и их спектральное распределение.
Городская застройка способствует многократным отражениям звуковых волн, образуя реверберационные эффекты и локальные зоны повышенного уровня шума. Для описания процессов распространения акустических колебаний используются модели дифракции, рассеяния и интерференции. Современные методы физики окружающей среды позволяют рассчитывать акустические карты города и разрабатывать защитные меры: шумопоглощающие экраны, использование звукопоглощающих материалов в строительстве, оптимизацию транспортных потоков.
Городские территории существенно влияют на гидрологический цикл. Асфальтированные и бетонированные поверхности резко уменьшают инфильтрацию осадков в почву, увеличивая поверхностный сток. С физической точки зрения это приводит к изменению баланса влаги и росту нагрузки на дренажные системы.
Изменение испарения также играет важную роль. Уменьшение площади растительности снижает суммарное испарение и транспирацию, что дополнительно способствует перегреву территории. В некоторых случаях формируются локальные зоны повышенной влажности — например, около искусственных водоёмов и фонтанов, где происходит интенсивное испарение.
Современные города насыщены источниками электромагнитного излучения: линии электропередач, радиовышки, системы связи, бытовая электроника. Физика окружающей среды рассматривает структуру электромагнитного поля в условиях многолучевого распространения и переотражений от зданий.
Особое внимание уделяется проблеме электромагнитного загрязнения. Хотя интенсивность полей обычно не превышает санитарных норм, их совокупное воздействие на биологические объекты требует изучения. В физике важны задачи моделирования распределения полей в условиях плотной застройки и разработки инженерных решений для снижения их интенсивности.
Городские поверхности обладают высокой теплоёмкостью и теплопроводностью. Это обуславливает тепловую инерцию: медленное охлаждение в ночное время и накопление тепла днём. В результате формируется своеобразная климатическая память города, проявляющаяся в сглаживании суточных температурных колебаний и увеличении периода летнего перегрева.
Этот эффект приводит к изменению локальных климатических условий, увеличению потребности в кондиционировании воздуха и росту энергозатрат. С позиции физики окружающей среды исследуются механизмы аккумулирования тепла и возможные пути снижения тепловой нагрузки — например, за счёт внедрения зелёных насаждений и светоотражающих материалов в строительстве.
Физика урбанизированных территорий опирается на междисциплинарный подход, объединяя атмосферную физику, термодинамику, гидродинамику, акустику, оптику и электродинамику. Город рассматривается как открытая термодинамическая система, в которой непрерывно протекает обмен энергией, веществом и импульсом.
Особое значение имеет использование методов математического моделирования и численного эксперимента. На основе уравнений гидродинамики и тепломассопереноса разрабатываются модели микроклимата города, прогнозируются последствия изменения застройки, транспортных потоков и энергетического потребления.
Таким образом, физика урбанизированных территорий представляет собой фундаментальное направление, исследующее механизмы взаимодействия человека, техники и природной среды через призму физических законов, с целью создания более устойчивых и безопасных городских экосистем.