Топлински остров

мини|Проток на воздух во случаи на слаба циркулација
Урбан топлински остров (топлински остров) е метеоролошки феномен кој се создава од зголемување на температурата на урбан простор во однос на околните рурални области. Тоа е главно поврзано со значајни промени во животната средина во урбани услови, што доведува до трансформација на неговите својства: емисивност (како што е промена во структурата на зрачењето со краток и долг бран), топлински својства (на пример, зголемување во топлински капацитет), аеродинамичен (на пример, намалување на просечната брзина на ветерот) или влага (на пример, намалување на релативната влажност). Најзначајниот показател за интензитетот на топлинскиот остров е температурната разлика помеѓу градот и неговите предградија. Во големите градови на Америка и Европа може да достигне (со максимален интензитет, значи и ноќе) до 10-15 °C. Највпечатлив пример е Токискиот топлински остров.

 Причини 
Постојат неколку причини зошто се појавува урбан топлински остров на пример, темните површини апсорбираат значително повеќе сончево зрачење, предизвикувајќи урбаните концентрации на патиштата и зградите да се загреваат повеќе од приградските и руралните области во текот на денотWilliam D. Solecki, Cynthia Rosenzweig, Lily Parshall, Greg Pope, Maria Clark. Mitigation of the heat island effect in urban New Jersey // Environmental Hazards. — 2005-01. — Т. 6, вып. 1. — С. 39–49. — ISSN 1878-0059 1747-7891, 1878-0059. — doi:10.1016/j.hazards.2004.12.002., Материјалите кои вообичаено се користат во урбаните области за коловоз на патишта, како што се бетонот и асфалтот, имаат значително различни својства на топлинска маса (вклучувајќи топлински капацитет и топлинска спроводливост) и површински радијативни својства ( албедо и топлинска спроводливост ) од коловозот во околните рурални области. Ова предизвикува промена во енергетскиот буџет на урбаната област, што често резултира со повисоки температури отколку во руралните области. Друга важна причина е недостатокот на испарување (на пр. поради недостаток на вегетација) во урбаните срединиT. R. Oke. The energetic basis of the urban heat island // Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. — 1982-01. — Т. 108, вып. 455. — С. 1–24. — ISSN 1477-870X 0035-9009, 1477-870X. — doi:10.1002/qj.49710845502..

Други причини за појава на топлински остров се должат на геометриските ефекти. Високите згради во многу урбани области обезбедуваат повеќе површини за рефлексија и апсорпција на сончевата светлина, зголемувајќи ја ефикасноста на греењето на урбаните области. Ова се нарекува „ефект на урбаниот кањон“. Друг ефект на зградите е да го блокираат ветерот, кој исто така го инхибира ладењето со конвекција и го спречува растурањето на загадувачите. Отпадната топлина од автомобили, клима уреди, индустрија и други извори исто така придонесува за оваа појава. Високите нивоа на загадување во урбаните области, исто така, може да го зголемат топлинскиот остров, бидејќи многу форми на загадување ги менуваат радијативните својства на атмосферата. Топлинските острови не само што ги зголемуваат урбаните температури, туку и ги зголемуваат концентрациите на озон, бидејќи озонот е гас со ефект на стаклена градина чиешто формирање се забрзува со зголемувањето на температурите.

За повеќето градови, разликата во температурата помеѓу градското подрачје и околните села е најголема ноќе. Типичната температурна разлика е неколку степени помеѓу центарот на градот и околните предградија. Температурните разлики помеѓу внатрешноста на градот и неговите околни области често се споменуваат во временските извештаи, како што се „ (20°C) во центарот на градот, (18°C) предградијата“. „Просечната годишна температура во град со население од 1 милион или повеќе може да биде  (1,0–3,0 °C) потопла од неговата околина. (12 °C)“ .

Топлинскиот остров може да се дефинира како разлика во температурата на воздухот или разлика во температурата на површината помеѓу урбаните и руралните области. Овие два индикатора покажуваат малку поинаква дневна и сезонска варијабилност и имаат различни причини .

 Предвидување 
Ако некој град или град има добар систем за следење на времето, феноменот може директно да се мери G. J. Steeneveld, S. Koopmans, B. G. Heusinkveld, L. W. A. van Hove, A. A. M. Holtslag. Quantifying urban heat island effects and human comfort for cities of variable size and urban morphology in the Netherlands (англ.) // Journal of Geophysical Research. — 2011-10-29. — Vol. 116, iss. D20. — P. D20129. — ISSN 0148-0227. — doi:10.1029/2011JD015988.. Алтернатива е да се користи сложено моделирање на локација за да се пресмета топлинскиот остров или да се користи приближен емпириски метод. Ваквите модели овозможуваат топлинските острови да бидат вклучени во проценките за идните урбани зголемувања на температурата поради климатските промени.

Леонард О. Мајруп го објавил првиот сеопфатен нумерички третман за предвидување на ефектите на урбаните топлински острови во 1969 година. Неговата статија го испитувала топлинскиот остров и ги критикувала постоечките теории во тоа време како премногу квалитативни. Општа намена нумерички енергетски буџетски модел е опишан и применет во урбаната атмосфера. Претставени се пресметки за неколку посебни случаи, како и анализа на сензитивноста. Утврдено е дека моделот го предвидува точниот редослед на големината на порастот на температурата во урбаните средини. Утврдено е дека ефектот на топлинскиот остров е нето резултат на неколку конкурентни физички процеси. Генерално, доминантните параметри се намалувањето на испарувањето во центарот на градот и топлинските својства на урбаните градежни и патните материјали. Се претпоставува дека таков модел може да се користи во инженерските пресметки за подобрување на климата на постојните и идните градови.

 Влијание врз луѓето 
Тие можат да имаат директно влијание врз здравјето и благосостојбата на урбаните жители. Само во Соединетите Американски Држави, во просек годишно умираат 1.000 луѓе поради екстремни горештини. Бидејќи топлинските острови се карактеризираат со покачени температури, тие имаат потенцијал да ја зголемат големината и времетраењето на топлотните бранови во градовите. Истражувањата покажале дека смртноста за време на топлотниот бран се зголемува експоненцијално со максималната температура, ефект што се влошува од топлинскиот остров. Бројот на луѓе изложени на екстремни температури се зголемува како резултат на затоплувањето. Ефектот на ноќниот топлински остров може да биде особено штетен за време на топлотните бранови, бидејќи ги лишува урбаните жители од студениот релјеф што може да се најде во руралните области во текот на ноќта .

Имало студија која објавила дека покачената температура предизвикува топлотен удар, топлотна исцрпеност, топлинска синкопа и грчеви од топлина. Некои студии, исто така, истражувале како тешкиот топлотен удар може да предизвика трајно оштетување на органските системи. Оваа штета може да го зголеми ризикот од рана смртност бидејќи штетата може да предизвика тешка органска дисфункција. Други компликации на топлотниот удар вклучуваат респираторен дистрес синдром кај возрасни и дисеминирана интраваскуларна коагулација. Некои истражувачи забележуваат дека каков било компромис за способноста на човечкото тело за терморегулација теоретски би го зголемил ризикот од смртност.

Ова вклучува болести кои можат да влијаат на мобилноста, свесноста или однесувањето на една личност. Истражувачите забележаа дека луѓето со когнитивни здравствени проблеми (на пример, депресија, деменција, Паркинсонова болест) се изложени на поголем ризик кога се соочуваат со високи температури и „треба дополнителна претпазливост“, бидејќи се покажа дека когнитивните перформанси се подразлично погодени од топлината. Луѓето со дијабетес, кои се со прекумерна тежина, ненаспани или имаат кардиоваскуларни/цереброваскуларни заболувања треба да избегнуваат премногу топлина. Некои вообичаени лекови кои влијаат на терморегулацијата може исто така да го зголемат ризикот од смртност. Специфичните примери вклучуваат антихолинергици, диуретици, фенотијазини и барбитурати.

Истражувачите откриле дека високиот интензитет на топлинскиот остров е во корелација со зголемените концентрации на загадувачи на воздухот што се собираат ноќе, што може да влијае на квалитетот на воздухот следниот ден. Овие загадувачи вклучуваат испарливи органски соединенија, јаглерод моноксид, азотни оксиди и честички. Производството на овие загадувачи, во комбинација со повисоки температури на топлинските острови, може да го забрза производството на озон. Озонот на ниво на површината се смета за штетен загадувач. Истражувањата сугерираат дека зголемувањето на температурите на топлинските острови може да ги зголеми загадените денови, но исто така забележуваат дека други фактори (на пр. атмосферскиот притисок, облачност, брзина на ветерот) исто така може да влијаат на загадувањето. Истражувањето во Хонгконг покажало дека областите на градот со полоша вентилација на надворешниот градски воздух имаат тенденција да имаат посилни ефекти на урбаните топлински острови и имаат значително повисока смртност од сите причини во споредба со областите со подобра вентилација.

Центрите за контрола и превенција на болести забележале дека „тешко е да се направат разумни предвидувања за болести и смртност поврзани со горештините под различни сценарија за климатски промени“ и дека „смртните случаи поврзани со топлина може да се спречат, како што е потврдено со намалената смртност од сите причини за време на топлински феномени во изминатите 35 години“ . Сепак, некои студии сугерираат дека здравствените ефекти на топлинските острови може да бидат непропорционални бидејќи изложеноста може да биде нерамномерно распределена во зависност од повеќе фактори како што се возраста , етничката припадност и социоекономскиот статус . Ова ја зголемува можноста дека ефектите врз здравјето на топлинскиот остров се прашање на еколошката правда.

 Ефект врз животните 
Видовите кои добро колонизираат можат да ги искористат условите што ги обезбедуваат урбаните топлински острови за да напредуваат во региони надвор од нивниот нормален опсег. Примери за ова се сивоглавата летечка лисица (Pteropus poliocephalus) и обичната (Hemidactylus frenatus) E Shochat, P Warren, S Faeth, N Mcintyre, D Hope. From patterns to emerging processes in mechanistic urban ecology (англ.) // Trends in Ecology & Evolution. — 2006-04. — Vol. 21, iss. 4. — P. 186–191. — doi:10.1016/j.tree.2005.11.019. Архивировано 9 марта 2021 года.. Сивоглавите летечки лисици пронајдени во Мелбурн, Австралија, ги колонизираат урбаните живеалишта откако таму се зголемиле температурите. Зголемените температури, предизвикувајќи потопли зимски услови, го направиле градот по климатски сличен на посеверното диво живеалиште на видот.

Со обидите за ублажување и управување со урбаните топлински острови, температурните промени и достапноста на храна и вода се намалуваат. Во умерените клими, урбаните топлински острови ќе ја продолжат сезоната на растење, а со тоа ќе ги менуваат стратегиите за репродукција на резидентните видови. Ова најдобро се гледа во ефектот на урбаните топлински острови врз температурите на водата. Бидејќи блиските згради понекогаш достигнуваат температури повеќе од 50 степени различни од температурите на површинскиот воздух, врнежите брзо ќе се загреат, предизвикувајќи истекување во блиските потоци, езера и реки (или други водни тела) за да обезбедат прекумерно топлинско загадување. Зголемувањето на топлинското загадување има потенцијал да ја зголеми температурата на водата за 20-30 степени. Ова зголемување ќе предизвика видовите риби кои живеат во резервоарот да доживеат топлински стрес и шок поради брзата промена на температурата во нивната климаJulia Haltiwanger Nicodemus, Jane H. Davidson. Mechanisms of hydrolysis in a transverse jet zinc aerosol reactor // Chemical Engineering Science. — 2015-01. — Т. 122. — С. 514–522. — ISSN 0009-2509. — doi:10.1016/j.ces.2014.10.008..

Урбаните топлински острови предизвикани од градовите го промениле процесот на природна селекција. Селективните притисоци, како што се привремените промени во храната, грабливоста и водата, се опуштени, што резултира со нов сет на селективни сили. На пример, има повеќе инсекти во урбаните живеалишта отколку во руралните области. Инсектите се ладнокрвни. Ова значи дека тие зависат од температурата на нивната околина за да ја контролираат температурата на телото, што ја прави потоплата клима во градот идеална за нивната способност да напредуваат. Студијата спроведена во Рали, Северна Каролина на (Parthenolecanium quercifex)  покажало дека овој конкретен вид претпочита потопли клими и затоа се наоѓа во поголем број во урбаните живеалишта отколку на дабовите дрвја во руралните живеалишта. За време на нивното живеење во урбани живеалишта, тие се адаптирале да напредуваат во потопли клими отколку во постуденитеV. K. Lishko, I. S. Yermolenko, N. P. Podolnikova, T. P. Ugarova. A novel mechanism controlling the growth of hemostatic thrombi // The Ukrainian Biochemical Journal. — 2013-12-27. — Т. 85, вып. 6. — С. 94–105. — ISSN 2409-4943. — doi:10.15407/ubj85.06.094..

Присуството на неавтохтони видови во голема мера зависи од количината на човековата активност. Пример за ова може да се види кај популациите на карпестите ластовички кои се гнездат под стреата на куќите во урбаните живеалишта. Тие ги градат своите домови користејќи покривка што ја обезбедуваат луѓето во горните области на домовите, овозможувајќи зголемен прилив на нивната популација поради дополнителната заштита и намалувањето на бројот на предатори.

 Други ефекти врз времето и климата 
Покрај тоа што влијае на температурата, топлинскиот остров може да има секундарни ефекти врз локалната метеорологија, вклучително и промени во локалниот шеми на ветер, развој на облаци и магла, влажност и стапки на врнежи. Дополнителната топлина што ја обезбедува топлинскиот остров резултира со поголемо движење нагоре, што може да предизвика дополнителни врнежи од дожд и активност на грмотевици. Дополнително, топлинскиот остров создава локална област со низок притисок во текот на денот каде што релативно влажниот воздух од неговата рурална околина се спојува, што веројатно би довело до поповолни услови за формирање на облаци. Количеството на врнежи на подветрената страна на градовите се зголемува од 48% на 116%. Делумно како резултат на ова затоплување, месечните врнежи се приближно 28% поголеми помеѓу  32 км и 64 км надолу од градовите во споредба со надолниот ветер. Во некои градови, вкупните врнежи се зголемиле за 51% .

Истражувањата се спроведени во неколку области кои сугерираат дека метрополитенските области се помалку подложни на слаби торнада поради турбулентното мешање предизвикано од топлината на урбаните топлински острови. Користејќи сателитски снимки, истражувачите откриле дека климата во градот има забележлив ефект врз сезоната на растење на растенијата до 10 километри  од периферијата на градот. Сезоната на растење во 70 градови во источна Северна Америка било приближно 15 дена подолга во урбаните области во споредба со руралните области надвор од влијанието на градот.

Истражувањето во Кина сугерира дека ефектот на урбаниот топлински остров придонесува за затоплување на климата за околу 30%. Од друга страна, една споредба од 1999 година помеѓу урбаните и руралните области сугерирале дека ефектите на урбаните топли острови имаат мало влијание врз глобалните средни температурни трендови. Една студија заклучила дека градовите ја менуваат климата на површина 2-4 пати поголема од нивната област. Други сугерираат дека урбаните топлински острови влијаат на глобалната клима со тоа што влијаат на млазниот поток . Неколку студии откриле зголемување на сериозноста на влијанијата на топлинските острови со напредокот на климатските промени.

 Влијание врз блиските водни тела 
Топлинските острови исто така го влошуваат квалитетот на водата. Жешките површини на тротоарите и покривите го пренесуваат вишокот топлина на атмосферските води, кои потоа се влеваат во атмосферските канали и ја зголемуваат температурата на водата додека влегува во потоци, реки, бари и езера. Покрај тоа, зголемувањето на температурата на урбаните водни тела доведува до намалување на разновидноста во водата. Во август 2001 година, врнежите над Седар Рапидс, Ајова, предизвикале пораст на температурата за 10,5 °C во блискиот поток во рок од еден час, што резултирало со убивање на риба. Бидејќи температурата на дождот било релативно студена, ова може да се припише на врелиот асфалт на градот. Слични настани се документирани на американскиот среден запад, како и во Орегон и Калифорнија. Брзите промени на температурата може да предизвикаат стрес на водните екосистеми. Пропустливите тротоари можат да ги ублажат овие ефекти со тоа што ќе ѝ дозволат на водата да се пробие низ тротоарот во подземно складиште, каде што може да се дисперзира преку апсорпција и испарување.

 Влијание врз потрошувачката на енергија 
Друга последица на урбаните топлински острови е зголемувањето на енергијата потребна за климатизација и ладење во градовите со релативно топла клима. Групацијата „Топлински остров“ проценува дека ефектот на топлинскиот остров чини Лос Анџелес приближно 100 милиони долари годишно во енергија. Спротивно на тоа, оние во ладна клима како што е Москва во Русија ќе имаат помала побарувачка за греење. Сепак, со имплементирање на стратегии за намалување на топлинските острови, пресметани се значителни годишни нето заштеди на енергија за северните области како Чикаго, Солт Лејк Сити и Торонто.

 Ублажување на последиците 
Температурните разлики помеѓу урбаните области и околните приградски или рурални области може да бидат и до 5 °C. Речиси 40 проценти од ова зголемување се должи на распространетоста на темни покриви, а остатокот се должи на темниот покрив и намалувањето на присуството на вегетација. Ефектот на топлинскиот остров може донекаде да се неутрализира со користење на бели или рефлектирачки материјали за изградба на куќи, покриви, тротоари и патишта, со што се зголемува целокупното албедо на градот R.A.W. Albers, P.R. Bosch, B. Blocken, A.A.J.F. van den Dobbelsteen, L.W.A. van Hove. Overview of challenges and achievements in the climate adaptation of cities and in the Climate Proof Cities program // Building and Environment. — 2015-01. — Т. 83. — С. 1–10. — ISSN 0360-1323. — doi:10.1016/j.buildenv.2014.09.006.. Во споредба со поправање на други извори на проблемот, замена на темниот покрив бара најмала инвестиција за најнепосреден поврат. Ладен покрив, направен од рефлективен материјал како што е винил, рефлектира најмалку 75 проценти од сончевите зраци и емитира најмалку 70 проценти од сончевото зрачење апсорбирано од обвивката на зградата. За споредба, изградените асфалтни покриви рефлектираат помеѓу 6 и 26 проценти од сончевото зрачењеGuide for Establishing a Recycle Program for Roof Coverings Roofing Membrane and Shingle Materials. — ASTM International..

Употребата на светло обоен бетон се покажало како ефикасно во рефлектирањето до 50% повеќе светлина од асфалтот и намалувањето на температурите на околинатаThe Internationalization of Higher Education in the 21st Century // Higher Education in Turmoil. — BRILL, 2008-01-01. — С. 1–18. — ISBN 978-90-8790-522-4, 978-90-8790-521-7.. Ниското албедо кое се наоѓа во црниот асфалт апсорбира голем процент од сончевата топлина, создавајќи потопли температури во близина на површината. Поплочувањето со светло обоен бетон, покрај замената на асфалтот со светлообоен бетон, заедниците можат да ги намалат просечните температуриNeda Yaghoobian, Jan Kleissl. Effect of reflective pavements on building energy use (англ.) // Urban Climate. — 2012-12. — Vol. 2. — P. 25–42. — doi:10.1016/j.uclim.2012.09.002. Архивировано 22 января 2022 года.. Сепак, студиите за интеракцијата помеѓу рефлектирачките тротоари и зградите покажале дека освен ако блиските згради не се опремени со рефлектирачко стакло, сончевото зрачење што се рефлектира од тротоарите со светла боја може да ја зголеми температурата на зградата, зголемувајќи ги барањата за климатизација Alar Teemusk, Ülo Mander. Temperature regime of planted roofs compared with conventional roofing systems // Ecological Engineering. — 2010-01. — Т. 36, вып. 1. — С. 91–95. — ISSN 0925-8574. — doi:10.1016/j.ecoleng.2009.09.009..

Втората опција е да се зголеми количината на добро наводнета вегетација. Овие две опции може да се комбинираат со имплементација на зелени покриви. Зелените покриви се одлични изолатори во текот на топлите месеци, а растенијата ја ладат околината. Квалитетот на воздухот се подобрува бидејќи растенијата апсорбираат јаглерод диоксид додека произведуваат кислород . Во Њујорк се утврдило дека потенцијалот за ладење по единица површина е највисок кај уличните дрвја, проследен со живи покриви, осветлени површини и насади на отворен простор. Од перспектива на исплатливост, светло обоените површини, лесните покриви и насадите покрај патиштата имаат помали трошоци за намалување на температурата.

Хипотетичката програма за „ладни заедници“ во Лос Анџелес предвидувал дека урбаните температури би можеле да се намалат за околу 3 °C по засадување десет милиони дрвја, доградба на пет милиони домови и бојадисување на една четвртина од патиштата по проценета цена од 1  милијарда долари, што би донело проценета годишна придобивка од 170 милиони долари во намалени трошоци за климатизација и 360 милиони долари во здравствени заштеди поврзани со смогот.

 Стратегиите за ублажување вклучуваат 

 Бели покриви: Боењето на покривите во бело станала вообичаена стратегија за намалување на ефектот на топлинскиот остров. Градовите имаат многу темни површини кои ја апсорбираат топлината од сонцето, за возврат намалувајќи го албедото на градот. Белите покриви обезбедуваат висока сончева рефлексија и високо сончево зрачење, зголемувајќи го албедото на градот или областа во која се јавува ефектот.
 Зелените покриви се уште еден ефикасен метод за намалување на ефектот на урбаниот топлински остров. Зелениот покрив е практика која се спроведува да се има вегетација на покривот, како што се дрвја или градина. Растенијата на покривот го зголемуваат албедото и го намалуваат ефектот на урбаниот топлински остров. Овој метод е проучуван и критикуван поради фактот што зелените покриви се зависни од климатските услови, варијаблите на зелениот покрив тешко се мерат и се многу сложени системи.
 Садењето дрвја околу градот може да биде уште еден позитивен  начин да се зголеми албедото и да се намали ефектот на урбаниот топлински остров. Се препорачува да се садат листопадни дрвја бидејќи тие можат да дадат многу придобивки, како што се повеќе сенка во лето и не блокирање на топлината во зима.
 Зелените паркинзи користат други површини освен асфалтот и вегетацијата за да го ограничат влијанието на ефектот на урбаниот топлински остров.

 Библиографија 

 Кшиштоф Фортунијак: Miejska wyspa ciepła. Podstawy energetyczne, studia eksperymentalne, modele numeryczne i statystyczne (пол.). [dostęp 2016-09-16].
 Мариуш Шимановски: Miejska wyspa ciepła we Wrocławiu. Вроцлав: Wydawnictwo Uniwersytetu Wrocławskiego, styczeń 2005, серија: Studia Geograficzne – том 77. ISBN 83-229-2552-2 .
 Miejskie wyspy ciepła (пол.). W: Блог на WordPress.com [on-line]. [dostęp 2012-12-14].

 Наводи 

Категорија:Климатски промени
Категорија:Урбанизам
Категорија:Време (метеорологија)