Остров тепла

Вертикальный профиль городского острова тепла

Приток воздуха в случаях слабой циркуляции

Городской остров тепла (остров тепла) — метеорологическое явление, заключающееся в повышении температуры городского пространства относительно окружающих его сельских областей. Связано оно в основном с существенными изменениями окружающей среды в городских условиях, обусловившими трансформацию её свойств: способности к излучению (как, например, изменение структуры кратко- и долговолнового излучения), термических свойств (например, увеличение тепловой ёмкости), аэродинамических (например, снижение средней скорости ветра) или влаги (например, снижение относительной влажности). Наиболее значимым индикатором интенсивности острова тепла является разница температуры между городом и предместьями. В крупных городах Америки и Европы она может доходить (при максимальной интенсивности, следовательно, в ночное время) до 10—15 °C.

Наиболее ярким примером является Токийский остров тепла.

Причины возникновения

Существует несколько причин возникновения городского теплового острова; например, темные поверхности поглощают значительно больше солнечной радиации, что приводит к тому, что городские концентрации дорог и зданий нагреваются больше, чем пригородные и сельские районы в течение дня; материалы, обычно используемые в городских районах для дорожного покрытия, такие как бетон и асфальт, имеют значительно отличающиеся тепловые объемные свойства (включая теплоемкость и теплопроводность) и поверхностные радиационные свойства (альбедо и теплопроводность), чем покрытие в окружающих сельских районах. Это приводит к изменению энергетического бюджета городского района, что часто приводит к более высоким температурам, чем в сельских районах. Другой важной причиной является отсутствие испарения (например, из-за отсутствия растительности) в городских районах.

Другие причины появления острова тепла обусловлены геометрическими эффектами. Высокие здания во многих городских районах обеспечивают множество поверхностей для отражения и поглощения солнечного света, повышая эффективность обогрева городских районов. Это называется "эффектом городского каньона". Еще одним эффектом зданий является блокирование ветра, который также препятствует охлаждению за счет конвекции и предотвращает рассеивание загрязняющих веществ. Отработанное тепло от автомобилей, кондиционеров, промышленности и других источников также вносит свой вклад в это явление. Высокие уровни загрязнения в городских районах также могут увеличить тепловой остров, поскольку многие формы загрязнения изменяют радиационные свойства атмосферы. Остров тепла не только повышает температуру в городах, но и увеличивает концентрацию озона, поскольку озон является парниковым газом, образование которого ускоряется с повышением температуры.

Для большинства городов разница в температуре между городской и окружающей сельской местностью наибольшая в ночное время. Типичная разница температур составляет несколько градусов между центром города и окружающими пригородами. Разница в температуре между внутренним городом и его окрестностями часто упоминается в сводках погоды, например, "68 °F (20 °C) в центре города, 64 °F (18 °C) в пригородах". "Среднегодовая температура воздуха в городе с населением 1 миллион человек и более может быть на 1,8–5,4 °F (1,0–3,0 °C) теплее, чем в его окрестностях. Вечером разница может достигать 22 °F (12 °C)".

Остров тепла может быть определен как разница температур воздуха или разница температур поверхности между городской и сельской местностью. Эти два показателя демонстрируют несколько различную суточную и сезонную изменчивость и имеют разные причины.

Предсказание

Если в городе или населенном пункте есть хорошая система наблюдения за погодой, то данное явление можно измерить напрямую. Альтернативой является использование комплексного моделирования местоположения для расчета теплового острова или использование приближенного эмпирического метода. Такие модели позволяют включать остров тепла в оценки будущих повышений температуры в городах из-за изменения климата.

Леонард О. Майруп опубликовал первую комплексную численную обработку для прогнозирования последствий городского теплового острова в 1969 году. Его статья рассматривает остров тепла и критикует существующие в то время теории как чрезмерно качественные. Описана и применена к городской атмосфере численная модель энергетического бюджета общего назначения. Представлены расчеты для нескольких частных случаев, а также анализ чувствительности. Установлено, что модель предсказывает правильный порядок величины превышения городской температуры. Установлено, что эффект теплового острова является чистым результатом нескольких конкурирующих физических процессов. В целом, снижение испарения в центре города и тепловые свойства городских строительных и дорожных материалов являются доминирующими параметрами. Предполагается, что такая модель может быть использована в инженерных расчетах для улучшения климата существующих и будущих городов.

Воздействие на людей

Они могут оказывать непосредственное влияние на здоровье и благосостояние городских жителей. Только в США в среднем 1000 человек ежегодно умирают из-за сильной жары. Поскольку тепловые острова характеризуются повышенной температурой, они потенциально могут увеличить величину и продолжительность тепловых волн в городах. Исследования показали, что смертность во время тепловой волны увеличивается экспоненциально с максимальной температурой, эффект, который усугубляется тепловым островом. Число людей, подвергающихся воздействию экстремальных температур, увеличивается в результате потепления. Ночной эффект теплового острова может быть особенно вредным во время жары, так как он лишает городских жителей прохладного рельефа, который можно найти в сельских районах в ночное время.

Было проведено исследование, в котором сообщалось, что повышенная температура вызывает тепловой удар, тепловое истощение, тепловой обморок и тепловые судороги. В некоторых исследованиях также рассматривалось, как сильный тепловой удар может привести к необратимому повреждению систем органов. Это повреждение может увеличить риск ранней смертности, поскольку повреждение может привести к серьезному нарушению функции органов. Другие осложнения теплового удара включают респираторный дистресс-синдром у взрослых и диссеминированное внутрисосудистое свертывание крови. Некоторые исследователи отмечают, что любой компромисс со способностью человеческого организма к терморегуляции теоретически увеличит риск смертности. Это включает в себя болезни, которые могут повлиять на мобильность человека, осведомленность, или поведение. Исследователи отметили, что люди с проблемами когнитивного здоровья (например, депрессия, деменция, болезнь Паркинсона) подвергаются большему риску, когда сталкиваются с высокими температурами и "нуждаются в дополнительной осторожности", поскольку было показано, что на когнитивные показатели по-разному влияет жара. Люди с диабетом, имеющие избыточный вес, испытывающие недостаток сна или имеющие сердечно-сосудистые/цереброваскулярные заболевания, должны избегать слишком сильного воздействия тепла. Некоторые распространенные лекарства, которые оказывают влияние на терморегуляцию, также могут увеличить риск смертности. Конкретные примеры включают антихолинергические средства, диуретики, фенотиазины и барбитураты.

Исследователь обнаружил, что высокая интенсивность теплового острова коррелирует с повышенными концентрациями загрязняющих веществ в воздухе, которые собираются ночью, что может повлиять на качество воздуха на следующий день. Эти загрязнители включают летучие органические соединения, окись углерода, оксиды азота и твердые частицы. Производство этих загрязняющих веществ в сочетании с более высокими температурами в тепловом острове может ускорить производство озона. Озон на поверхностном уровне считается вредным загрязнителем. Исследования показывают, что повышение температуры в острова тепла может увеличить загрязненные дни, но также отмечают, что другие факторы (например, давление воздуха, облачность, скорость ветра) также могут оказывать влияние на загрязнение окружающей среды. Исследования, проведенные в Гонконге, показали, что районы города с более плохой вентиляцией наружного городского воздуха, как правило, имеют более сильные эффекты городского теплового острова и имеют значительно более высокую смертность от всех причин по сравнению с районами с лучшей вентиляцией.

Центры по контролю и профилактике заболеваний отмечают, что "трудно сделать обоснованные прогнозы заболеваний и смертности, связанных с жарой, при различных сценариях изменения климата" и что "смертность, связанную с жарой, можно предотвратить, о чем свидетельствует снижение смертности от всех причин во время тепловых явлений за последние 35 лет". Однако некоторые исследования показывают, что воздействие теплового острова на здоровье может быть непропорциональным, поскольку воздействие может быть неравномерно распределено в зависимости от множества факторов, таких как возраст, этническая принадлежность и социально-экономический статус. Это повышает вероятность того, что воздействие теплового острова на здоровье является проблемой экологической справедливости.

Воздействие на животных

Виды, которые хорошо колонизируются, могут использовать условия, предоставляемые городскими островами тепла, для процветания в регионах, находящихся за пределами их нормального диапазона. Примерами этого являются седоголовая летучая лиса (Pteropus poliocephalus) и обыкновенный домашний геккон (Hemidactylus frenatus). Седоголовые летучие лисы, найденные в Мельбурне, Австралия, колонизировали городские места обитания после повышения там температуры. Повышенные температуры, вызвавшие более теплые зимние условия, сделали город более похожим по климату на более северную дикую среду обитания этого вида.

С попытками смягчить и управлять городскими островами тепла изменения температуры и доступность продовольствия и воды сокращаются. При умеренном климате городские острова тепла продлят вегетационный период, тем самым изменяя стратегии размножения обитающих видов. Это лучше всего видно по влиянию городских тепловых островов на температуру воды. Исследования были проведены в нескольких районах, предполагающих, что столичные районы менее подвержены слабым торнадо из-за турбулентного перемешивания, вызванного теплом городского теплового острова.

Библиография

• Krzysztof Fortuniak: Miejska wyspa ciepła. Podstawy energetyczne, studia eksperymentalne, modele numeryczne i statystyczne (pol.). [dostęp 2016-09-16].
• Mariusz Szymanowski: Miejska wyspa ciepła we Wrocławiu. Wrocław: Wydawnictwo Uniwersytetu Wrocławskiego, styczeń 2005, seria: Studia Geograficzne — tom 77. ISBN 83-229-2552-2.
• Miejskie wyspy ciepła (pol.). W: Blog na WordPress.com [on-line]. [dostęp 2012-12-14].