جزایر گرمایی شهری

درجه حرارت بعضی شهرها یا مناطق شهری در مقایسه با محدوده روستایی اطرافشان یا حومه شهر به‌طور قابل ملاحظه‌ای افزایش یافته و این پدیده که از آن به عنوان جزیره گرمایی شهری یاد می‌شود، موجب بروز مشکلات فراوانی گشته است. جزیره گرمایی سطحی از شهر است که به میزان قابل توجهی از مناطق روستایی اطراف گرمتر است. این پدیده نخستین بار توسط شخصی به نام لاک هاوارد در سال ۱۸۱۰ شرح داده شد. اختلاف دما به‌طور معمول در شب بیشتر از طول روز است و در مواقعی که وزش باد ضعیف است، آشکارتر است. به صورت فصلی جزایر گرمایی هم در تابستان و هم در زمستان دیده می‌شود. علت اصلی جزایر گرمایی شهری تغییر سطح زمین در اثر توسعه شهری است. هنگامی که مراکز پرجمعیت رشد می‌کنند، آن‌ها منجر به ایجاد سطوح بزرگتر می‌شوند و یک رابطه متناظر با میانگین دما دارند. گذشته از تاثیر بر دما، جزایر گرمایی می‌توانند تاثیرات فرعی بر هواشناسی محلی نیز داشته باشند، شامل تغییر الگوی بادهای محلی، گسترش ایجاد ابرها و مه، رطوبت و میزان بارش.
اقلیم شهری به شدت تحت تاثیر فرایندهای ناشی از کار و زندگی شهری قرار دارد. گسترش شهرها و افزایش ساخت و سازها، تغییرات آب وهوایی در شهرها را به دنبال داشته‌است. افزایش درجه حرارت شهرها به نسبت اطراف یکی از اثراتی است که به دخالت مستقیم انسان‌ها نیز مرتبط است. گرمایش ساختمان‌ها، آلودگی هوا و استفاده از مصالح نامناسب مانند آسفالت که جاذب نور خورشید است، در کف‌سازی خیابان‌ها و کوچه‌ها، از جمله عوامل تاثیرگذار بر ایجاد اثر جزایر گرمایی هستند. این اثر شرایط نا مطلوبی را برای شهروندان باعث می‌شود. توجه به سطوح شهری شامل سطوح پیاده و سواره و بام‌ها در کاهش این اثر، بزرگترین نقش را دارند. در این زمینه تحقیقات وسیعی توسط گروه جزایر گرمایی در آزمایشگاه لورنس واقع در برکلی انجام شده‌است و راهکارهایی مانند ایجاد سطوح سرد شهری و بام‌های سرد، توسط این گروه ارائه گشته است.
دلایل پیدایش جزایر گرمایی شهری
یک کلان شهر آب و هوای مخصوص خود را می‌سازد، که آن هم مشکلات خاص خود را در پی خواهد داشت. بررسی‌های ماهواره‌ای نشان می‌دهد که تمامی شهرهای بزرگ روی زمین، به دلیل از بین بردن رستنی‌ها و گیاهان و جایگزینی آن‌ها با مصالح، به ویژه مصالح تیره رنگ ساختمانی، دچار چنین مشکلی شده‌اند. در طول روز مواد تیره ساختمانی، گرما را جذب می‌کنند و تا ساعت‌ها پس از غروب آفتاب آن را نگاه می‌دارند. هنگامی که سطح زمین از انبوه رستنی‌ها و گیاهان سبز پوشیده شده یا خاک آن مرطوب باشد، گرمای جذب شده با تبخیر آب گیاهان به سرعت جایگزین می‌گردد و گیاهان از طریق برگ‌ها، آب خود را از دست می‌دهند که این موضوع منجر به خنک شدن هوا می‌گردد.
در واقع انرژی ورودی خورشیدی موجب تبخیر آب گیاهان و خاک، در مناطق غیرشهری می‌شود. این گرمای نهان تبخیر، موجب تغییر حالت آب از مایع به بخار می‌گردد. این روند، دمای مناطق غیر مسکونی را افزایش نمی‌دهد، اما شهرها برخلاف مناطق غیر شهری، خاک و گیاه کمتر دارند. در نتیجه مقدار زیادی از انرژی ورودی خورشید، مستقیم موجب گرمای خیابان‌ها و ساختمان‌ها گردیده، این روند موجب افزایش سریعتر دمای هوای شهرها می‌شود. کمبود گیاه معمولا خود موجب بروز مشکلات دیگری نیز از جمله افزایش سطح آلاینده‌های گوناگون در هوای شهر، هدر رفتن آب و سرانجام از دست رفتن آب بارندگی‌ها، افزایش آلودگی صوتی، افزایش مشکلات روانی وغیره می‌شود.
در طی شب، گرمای ذخیره شده در خیابان‌ها و ساختمان‌ها به آهستگی به هوا منعکس می‌شود که این موضوع روند کاهش دما را کند می‌کند. ساختمان‌های بلندتر، گرمای بیشتری را در خود ذخیره کرده و روند خنک شدن هوا را کندتر می‌کنند. در طی فصل تابستان، در کنار فرایند جذب پرتو فرابنفش و انعکاس اشعه مادون قرمز، در هر منطقه، سقف ساختمان‌ها، خیابان‌ها و سطوح تیره رنگ، گرما را جذب نموده و آن را در هوا منتشر می‌کنند. با توجه به اینکه اغلب سقف‌ها تیره‌رنگ هستند و این سطوح تیره‌رنگ حدود نیمی از مساحت شهرها را در بر می‌گیرد و گرمای گسیل شده از سوی خورشید را جذب کرده در خود نگاه می‌دارند. این پدیده باعث افزایش دمای مناطق مسکونی از ۲ تا ۱۵ درجه سانتیگراد شده و به نام پدیده جزیره گرمایی شناخته می‌شود. این گرما نه تنها باعث افزایش مصرف انرژی برای خنک کردن ساختمان‌ها و افزایش سرانه بار مالی به ویژه در ماه‌های گرم سال و در مناطق مرکزی شهرها می‌شود، بلکه باعث ایجاد آلودگی در جو از جمله تولید گاز ازن و افزایش ترکیبات زیان بار گوگردی و دیگر آلاینده‌های آسیب‌رسان در سطح زمین می‌شود.
ویژگی‌های جزایر گرمایی شهری
اگرچه جزایر گرمایی امروزه در نقاط مختلفی از شهرهای رو به گسترش جهان صنعتی و در حال توسعه پدیدار گشته و دارای تفاوت‌هایی در بعد و شکل هستند؛ اما، آن‌ها به‌طور کلی دارای ویژگی‌های مشترکی به شرح زیر اند:
در مقایسه با مناطق بکر اطراف شهر گرم تربوده و الگوی رفتاری متمایز، پیچیده‌تر و گاه غیرقابل پیش‌بینی‌تری در طول روز از خود نشان می‌دهند. معمولا در ساعات آخر روز و بعد از غروب آفتاب گرم‌ترین شرایط و کمی بعد از طلوع آفتاب خنک‌ترین شرایط را دارند.
معمولا باعث افزایش دما در سطوح شهری می‌شوند، این امر به دلیل جذب حرارت بیشتر در سطوح انسان ساخت یا به اصطلاح محیط‌های مصنوع، نسبت به پوشش‌های طبیعی است.
افزایش درجه حرارت هوا و سطوح در شرایط آسمان صاف و آب و هوای آرام (بدون باد) بیشترین حد خود را دارا می‌باشد.
در مقایسه با مناطق بکرتر، مناطق توسعه یافته‌تر معمولا گرم ترند.
انواع جزایر گرمایی شهری
به‌طور کلی جزایر گرمایی را می‌توان در سه دسته طبقه‌بندی کرد:
جزیره گرمایی ایجاد شده در سطوح شهری
جزیره گرمایی ایجاد شده در لایه تاج پوش شهر
جزیره گرمایی ایجاد شده در لایه مرزی
جزیره گرمایی در سطوح شهری
این نوع جزیره گرمایی توسط افزایش دما در سطوح شهری نظیر ساختمان‌ها، جاده‌ها، کف سازی‌ها، فضاهای باز، حجم‌ها آبی و پوشش‌های گیاهی ایجاد می‌شود. در واقع در این نوع جزایرگرمایی، با اندازه‌گیری اشعه مادون قرمز منتشر شده توسط سطوح می‌توان مناطق داغ شهری را شناسایی کرد.
جزیره گرمایی در لایه تاج پوش شهر
این نوع جزیره گرمایی در لایه تاج پوش یا لایه هوای نزدیک به خط آسمان شهر شکل می‌گیرد. لایه تاج پوش در حقیقت جایی است که ما در آن زندگی می‌کنیم. در واقع، این محدوده لایه هوایی است که از سطح زمین تا سطح بالایی درختان و ساختمان‌ها وجود دارد. در مطالعات مربوط به جزایر گرمایی، دمای هوای لایه تاج پوش معمولا در ارتفاع مردم یا در حدود ۱٫۵ تا ۳ متر بالاتر از سطح زمین در نظر گرفته می‌شود.
جزیره گرمایی در لایه مرزی
این نوع جزیره گرمایی در لایه مرزی هوا تشکیل می‌شود. لایه مرزی در بالای لایه تاج پوش قرارگرفته (در ارتفاع ۲۰۰۰ متری) و معمولا ضخامت این لایه از ۱۰۰۰–۱۰۰ متر متغیر است.
اثرات جزایر گرمایی شهری
بالا رفتن دما در اثر جزیره گرمایی تاثیراتی بر محیط زندگی و کیفیت جوامع می‌گذارد
افزایش انتشار گازهای گلخانه‌ای و آلودگی هوا
خورشید، که تنها منبع گرمائی خارج کره زمین است، تابش خود را به صورت پرتوهای نور مرئی و پرتوهای فرابنفش با طول موجهای کوتاه به سوی زمین گسیل می‌کند. از پرتوهای رسیده حدود ۲۵٪ توسط جو جذب شده و ۲۵٪ توسط سطوح فوقانی ابرها به سوی فضا بازتابش می‌شوند. بقیه این پرتوها در زمین جذب شده و سطح آن را گرم می‌کند. زمین مقدار قابل توجهی از انرژی دریافت شده از خورشید را به فضا تشعشع می‌کند. این پرتوها به صورت اشعه مادون قرمز منعکس می‌شوند.
گازهای گلخانه‌ای همچون بخارآب، دی‌اکسیدکربن، متان و اکسیدهای نیتروژن پرتوهای مادون قرمز تشعشع شده از سطح زمین را جذب می‌نمایند. جو زمین همانند شیشه‌های گلخانه عمل می‌کند، اجازه می‌دهد که پرتوهای با طول موج کوتاه وارد شوند اما جلوی خروج پرتوهای با طول موج بلند را می‌گیرد. این روند موجب افزایش دمای جو می‌شود که اثر گلخانه‌ای نامیده می‌شود. افزایش ازن در سطح زمین برای تندرستی انسان بسیار زیان‌آور است و به ویژه به دستگاه تنفسی و بینایی آسیب می‌رساند. علاوه بر آن، از آنجاییکه ازن به سادگی با مولکول‌های دیگر ترکیب می‌شود و آن‌ها را اکسیداز می‌کند، به شدت به بافت‌های زنده گیاهان و جانوران آسیب می‌رساند. ازن سطح زمین یک آلاینده کلیدی است که به ویژه در روزهای بدون ابر تابستان در شهرهای بزرگ سراسرجهان وجود دارد و ایجاد و افزایش آن، با اثر پدیده جزیره گرمائی شهر، پیوندی تنگاتنگ و ناگسستنی دارد.
گذشته از تاثیر بر دما، جزایر گرمایی می‌توانند تاثیرات فرعی بر هواشناسی محلی نیز داشته باشند، شامل تغییر الگوی بادهای محلی، گسترش ایجاد ابرها و مه، رطوبت و میزان بارش. از دیگر اثرات سوء جزایر گرمایی می‌توان به مسائل زیر اشاره نمود:
افزایش مصرف انرژی
دمای بالاتر در تابستان، افزایش تقاضای انرژی برای سرمایش را به همراه دارد و منجر به ایجاد فشار بر شبکه برق در مدت اوج مصرف برق می‌شود. اثر جزایر گرمایی ۵ الی ۱۰ درصد از اوج تقاضای برق برای سرمایش ساختمان‌ها در شهرها را بر عهده دارد.
افزایش انتشار هوای آلوده و گازهای گلخانه‌ای
افزایش تقاضای انرژی عموما باعث افزایش انتشارات آلودگی هوا و گازهای گلخانه‌ای از کارخانه‌های تولید برق می‌شوند.
تهدید سلامتی
جزایرگرمایی می‌توانند به صورت مستقیم یا غیر مستقیم بر سلامتی و رفاه اجتماعی شهروندان تاثیر گذارند. روزها و شب‌های گرمتر به همراه آلودگی هوا، می‌توانند باعث ایجاد ناراحتی‌های عمومی، مشکلات تنفسی، خستگی، گرمازدگی و مرگ و میرهای ناشی از گرما شود. تنها در آمریکا به‌طور متوسط سالانه ۱۰۰۰ نفر بر اثر شدت گرما از بین می‌روند.
کاهش کیفیت آب
سطوح گرم و سطوح بام گرمای اضافی را به سیل آب‌ها منتقل می‌کنند که به لوله‌های زهکشی می‌روند و دمای آب را بالا می‌برند و این آب به نهرها، رودخانه‌ها، دریاچه‌ها و برکه‌ها می‌ریزد. تغییرات سریع گرما می‌تواند زیست‌بوم آبزیان را به خطر اندازد.
راهبردهای کاهش اثرات جزایر گرمایی شهری
بسیاری از کشورها برای کاهش این اثرات، چهار راهبرد را در پیش گرفته‌اند، میزان تاثیر این راهبردها بستگی به عواملی دارد که برخی تحت نظارت و برخی خارج از دست آدمی می‌باشند. مانند شرایط اقلیمی و آب و هوایی منطقه، توپوگرافی، زمین‌شناسی و غیره. در دیگر موارد برتامه ریزان و طراحان شهری بهتر است در زمینه منظر سازی، استفاده از زمین و مصالح مصرفی راهکارهای صرفه جویی در انرژی را به کار برند.
راهبردهای کاهش جزیره گرمایی شهری عبارتند از:
افزایش سطح درخت و پوشش گیاهی
نصب بام سبز
نصب سقف سرد
استفاده از کف سرد
استفاده از هر کدام از این راهبردها یا ترکیبی از آن‌ها کاهش دهنده آلودگی هوا و آلودگی‌های محیط زیست، انتشار گازهای گلخانه‌ای، مصرف انرژی، تولید پسماندهای جامد، مرگ و مریضی بر اثر گرما می‌باشد. همچنین بهبود کیفیت آب و کنترل سیلابها، محافظت از موجودات زنده، افزایش دوام سطوح و عدم نیاز به تعمیرات و نگهداری مدوام آن‌ها و نیز منافع فراوان مالی برای مالکان و ساکنان بناها را به همراه خواهد داشت.
به کار بردن سطوح سرد می‌تواند راهکار جامعی برای کاهش دمای هوا باشد، که به میزان قابل توجهی اثرات نامطلوب ذکر شده را کاهش می‌دهد. همان‌طور که اشاره شد کف‌ها و سقف‌ها بیشتر از دیگر بدنه‌های شهری در معرض تابش آفتاب قرار دارند و به میزان قابل توجهی گرم می‌شوند. براساس دیاگرام توزیع تابش، مشاهده می‌شود که بخش زیادی از طیف تابش را اشعه فروسرخ تشکیل می‌دهد و این اشعه پس از برخورد با سطوح کف و سقف به گرما تبدیل می‌شود. در یک روز گرم و آفتابی تابستان، این سطوح می‌توانند دمایی معادل ۲۷ تا ۵۰ درجه گرمتر از اطرافشان پیدا کنند. موثرترین راه برای مقابله کردن با این اثر بازتابش بیشتر تابش آفتاب و بازگرداندن آن به فضاست.
افزایش درختان و پوشش گیاهی
کاشت درختان سایه‌دار به عنوان نخستین، ساده‌ترین و زیباترین راه‌حل است. اکنون با ریشه‌کنی فضاهای سبز و مصرف بیشتر سوخت‌های فسیلی، این گرما به اندازه خطرناکی افزایش یافته‌است. در منطقه‌ای با انبوه گیاهان سرسبز، بیشتر انرژی خورشیدی صرف روند سوخت‌وساز می‌شود. گیاه همچنین با رهاسازی رطوبت موجود در اندام‌های خود، باعث خنک شدن هوا می‌شود. در شهرها آسفالت، آجر و بتن جایگزین گیاهان شده‌اند. این سطوح توانایی بازتابش کمتری دارند و بنابراین انرژی خورشیدی را جذب و نگه‌داری می‌کنند. شکل دره مانند شهرها با ساختمان‌های بلند، باعث خروج گرمای کمتری به سوی آسمان می‌شود. این گرما به وضوح در شب‌های تابستان به چشم می‌خورد و گرمای مناطق شهری بسیار بیشتر از مناطق پیرامون آن است. گیاهان، به ویژه درختان، با ایجاد سایه در روی سطح زمین، به‌طور مستقیم، و با رهاسازی رطوبت در جو و افزایش آب در هوا، به‌طور غیر مستقیم، باعث خنکی شهر می‌شوند.
پیش‌گیری از آلودگی‌های صوتی با جلوگیری از حرکت امواج صوت، نگهداری و جلوگیری از فرسایش خاک توسط ریشه، گرفتن ضربه ناشی از بارش به ویژه رگبارها و در نتیجه ممانعت از فرسایش خاک، جذب آلاینده‌های گوناگون از هوا و غیره از دیگر فواید کاشت درختان است. با کاشت علمی درختان مناسب، تا ۴۰٪ در اثر سایه درختان و ۳۰٪ به دلیل افزایش رطوبت، کاهش اثر پدیده جزیره گرمایی را به دنبال دارد؛ و این جدای از تمیزی، زیبایی و طراوتی است که با انبوه درختان به دست می‌آید.
بام سبز
بام سبز سیتی‌هال شیکاگو
بام‌ها، جاذب انرژی و گرمای خورشیدی بوده و یکی ازعوامل تاثیرگذار درظهور پدیده جزایرگرمایی تلقی می‌شود در واقع یکی از راهکارهای مقابله با جزیره گرمایی، بام‌های سبز شهری است که با رهاسازی رطوبت در جو و افزایش آب درهوا بطورغیرمستقیم باعث خنکی شهر می‌شوند کاشت علمی درختان مناسب، تا % ۰۴ در اثر سایه درختان و % ۳۰٪ به دلیل افزایش رطوبت، کاهش اثر دیده جزیره گرمایی را به دنبال دارد بام‌های سبز شهری به انواع یکی ازرویکردهای موثرمواجه با جزایرحرارتی شهری در کلانشهرهای بزرگ کشور به منظور صرفه جویی انرژی، بهبود منافع زیست‌محیطی و زیبایی‌شناسی و کاهش آلاینده‌های شهری می‌باشد.
نصب سقفهای سرد
در یک منطقه شهری حدود ۲۵٪ سطوح را سقفها تشکیل می‌دهند. حدود ۹۰٪ این سقف‌ها تیره رنگ می‌باشند. بسیاری از سقفهای موجود فقط ۱۰ تا ۲۰٪ نور خورشید را منعکس می‌کنند و مقدار بیشتری از تابش را جذب نموده وارد بنا می‌کند. دمای سقف تیره می‌تواند از ۵۰ درجه تا ۸۰ درجه بالا رود، در نتیجه: تقاضای بیشتر برق در زمان اوج مصرف برای وسایل سرمایشی، افزایش هزینه‌های مصرف انرژی، کاهش آسایش ساکنان، افزایش آلودگی هوا در اثر جزیره گرمایی شهری و تسریع فرسایش مصالح سقف و ازدیاد پسماندهایی جامد را به همراه دارد.
سقف سرد گرمای خورشید را به جای آن که به داخل ساختمان انتقال دهد، آن را به فضا بازتاب می‌نماید و دمای داخل را ثابت نگه می‌دارد. مبنای مطالعات در این زمینه بر پایه «برنامه جهان سرد» می‌باشد، که توسط گروه جزیره گرمایی در اتحادیه فناوری‌های انرژی محیطی در آزمایشگاه ملی لارنس برکلی و دانشگاه کالیفرنیا در سال ۱۹۸۰ طرح‌ریزی شده‌است. در دهه ۱۹۹۰ ساخت انواع محصولات در رابطه با سقف سرد در حوزه مسکونی، صنعتی و تجاری رونق گرفت. در سال ۲۰۰۱ به شرکت‌ها و محصولات مرتبط با سقف سرد نشان‌ها ی مختلفی اعطا شد و از همان سال این گزینه جزء شاخص‌های دریافت نشان LEED شد. همچنین برخی کشورها مانند آمریکا برای تشویق مردم به افرادی که تمایل به تغییر سقف خود دارند اعتبار مالی اختصاص دادند. از آن زمان تاکنون انواع پروژه‌های تحقیقاتی و آزمایشگاهی به منظور رسیدن به هدف اصلی که همان کاهش اثرات جزایر گرمایی می‌باشد، انجام گرفته‌است.
کفسازی سرد
کف‌ها در شهر عبارتند از به کار بردن مصالح و ساخت سطوحی بر روی زمین طبیعی. مانند انواع محوطه‌های پارکینگها، پیاده‌روها، محوطه ورودی ساختمانها، کف‌های انسان ساخت در پارک‌ها، خیابان‌ها و جاده‌ها و کلیه سطوح رفت‌وآمد مثل کوچه‌ها. این سطوح معمولا با مصالح سخت و تیره مانند آسفالت و بتن ساخته می‌شوند؛ بنابراین مقدار معتنابهی گرمابه دلیل تابش آفتاب جذب می‌کنند مانند کسی که در برابر تابش آفتاب لباس تیره بر تن داشته باشد. سطوح تیره در یک روز گرم تابستان در حدود ۴۰ درجه گرمتر از سطوحی می‌شوند که از مصالح سفید و بازتابنده ساخته شده‌اند. برای داشتن سطوح سرد در کف‌ها باید از مصالح با دو ویژگی خاصی استفاده نمود؛ مصالح نفوذپذیر و دارای البیدوی بالا. استفاده از مصالح بازیافت پذیر در سطوح شهری نیز می‌تواند اثرات مطلوبی بر کاهش پس ماندهای ناشی از تولید داشته باشد.
خودرو سرد
افزوده شدن هر خودرو به محیط شهری یعنی اضافه شدن یک منبع آلاینده و گرما به جزیره گرمائی شهر. اینک با توجه به تعداد هنگفت خودروها در کلان شهرها، می‌توان گفت که یکی از منابع مهم ایجاد و تقویت پدیده جزیره گرمایی شهرها، خودروهای موجود در آن هستند. هرچه خودرو گرمای کمتری به هوا گسیل کند، تاثیر کمتری بر افزایش پدیده جزیره گرمائی شهری خواهد داشت. ساده‌ترین راه کاهش ایجاد گرما، سودجستن از رنگ‌های روشن به جای رنگ‌های تیره در خودرو است. با اتخاذ تدابیر و ترفندهای مهندسی در ساخت خودرو باید رهاسازی گرمائی آن را به کمترین حالت ممکن رسانید تا در حجم زیاد خودرو بتوانیم کاهشی در پدیده جزیره گرمائی داشته باشیم. ایجاد و گسترش شبکه ترابری عمومی می‌تواند مهمترین راه کاهش این پدیده از دیدگاه خودرو باشد.
بام سبز
سطوح بازتاب‌دهنده نور