Влияние эффекта острова тепла на экологию мегаполиса

УДК 711

DOI: 10.24411/1728-323X-2019-15036

ВЛИЯНИЕ ЭФФЕКТА ОСТРОВА ТЕПЛА НА ЭКОЛОГИЮ МЕГАПОЛИСА

В. В. Алексашина, доктор архитектуры,

Ле Минь Туан, аспирант,

Национальный исследовательский Московский

государственный строительный университет

(НИУ МГСУ),

mgsu.ru, г. Москва, Россия

Эффект городского острова тепла (ГОТ) является своего рода феноменом накопления тепла в некоторых городских районах в связи с характером застройки города и видами промышленности, энергетики и транспорта. Он признан одной из характеристик городского климата. Повышение температуры, вызванное эффектом ГОТ, влияет на поток энергии в городских экологических системах, создает своеобразный городской климат. В статье рассматриваются факторы, которые приводят к эффекту ГОТ в мегаполисах и влиянию ГОТ на экологию города. Даются рекомендации по ослаблению вредного влияния ГОТ на город.

The effects of urban heat island (UHI) is a kind of phenomenon of heat accumulations in some urban areas due to the nature of the city's development and the types of industry, energy and transportation. It is recognized as one of the characteristics of the urban climate. The increase of temperature due to the UHI effects influences the energy flows in urban ecological systems, and creates a peculiar urban climate. In this paper, the factors that lead to the UHI effects in megacities and their influence on the ecology of the city are considered. Recommendations are given to mitigate the harmful UHI effects on the city.

Ключевые слова: городской остров тепла, плотность застройки, энергетические, производственные и транспортные выбросы в атмосферу.

Keywords: urban heat island (UHI), density of construction, energy, production and transport emissions into the atmosphere.

Климатические, природно-географические, социально-экономические, техногенные, градостроительные факторы определяют экологическое состояние города, его застройки.

Биосфера — оболочка земли, содержащая совокупность живых организмов — самая большая экосистема земли. Идея биосферы разрабатывалась учеными в конце XVIII — начале XIX века — А. Лавуазье, Ж. Б. Ламарком, А. Ф. Гумбольдтом. Термин ввел австрийский геолог Э. Зюсс в 1875 г., а современное учение о биосфере создал русский ученый В. И. Вернадский в 1926 г.

Атмосфера — внешняя оболочка земли, вращающаяся вместе с землей вокруг земной оси. Атмосферу разделяют на тропосферу, стратосферу, ионосферу. Тропосфера — высотой от уровня моря 8 км в полярных и 18 км в экваториальных широтах (80 % воздуха); стратосфера — высотой до 55 км (20 % воздуха); ионосфера (до 400 км) — переходит в межпланетное пространство.

Загрязняющие вещества выбрасываются в атмосферу города в виде пыли, дыма, пара и газообразных веществ. Наибольшее отрицательное влияние на качество воздуха оказывают следующие вещества: СО, СО2 — 50 %, 802 и в0з — 16 %, N0^. (N0, N02, N20) — 14 %; летучие органические соединения (метан, бензол, хлорфторуглероды) — 15 %; взвешенные частицы (пыль, сажа, асбест, соль свинца, мышьяк, серная кислота, нефть, диоксины) — 5 % [1]. Кроме того, в атмосфере содержатся фотохимические окислители1 (озон, перекись водорода, формальдегид), радиоактивные вещества (радон-222, стронций-90, плутоний-239), а также чрезвычайно опасные вещества — суперэкотоксиканты, которые выделяются в процессе сжигания мусора при недостаточно высокой температуре.

Главным загрязнителем атмосферы Земли являются США (около 30 %), на Россию приходится одна седьмая часть [2].

Техногенные выбросы в атмосферу насчитывают десятки тысяч видов веществ. Более 90 % их массы приходится на углекислый газ и водяной пар. В среднем 60 % техногенного загрязнения атмосферы дает транспорт, 14 % — установки, генерирующие энергию на ископаемом топливе, 17 % — про-

1 Относительная агрессивность примесей в атмосфере (по отношению к человеку) характеризуется следующими коэффициентами: оксид углерода — 1; оксиды железа, натрия, магния — 13,9; сернистый газ — 16,5 оксиды алюминия — 16,9; пыль известняка — 25,0; оксиды азота — 41,0 сажа без примесей — 41,5; сернистая кислота — 49,0; золы углей — 80,0 коксовая и агломерационная пыль — 100,0; оксид цинка — 245,0; окись ванадия — 1225,0; никель и его оксиды — 5475,0; соединения ртути, свинца [10].

мышленность [3]. Если тенденции хозяйственной деятельности человека сохранятся, могут произойти необратимые изменения в биосфере, опасные для человека.

Техногенные выбросы оксидов азота и серы привели к возникновению так называемых «кислотных дождей». Термин впервые ввел в практику в 1872 г. английский инженер Р. Смит, опубликовавший книгу «Воздух и дождь: начала химической климатологии». Однако эта проблема наиболее остро встала лишь в 70-е годы XX века, когда в индустриальных странах стали гибнуть леса, в озерах стала исчезать рыба из-за кислотных дождей.

Кислотные осадки представляют собой трансграничную проблему. Увеличение высоты труб до 250—400 м приводит к рассеиванию выбросов предприятий энергетики на огромные территории и переносу через государственные границы. Процесс изменения климата земли может начать развиваться не в геологическом времени, характерном для эволюции биосферы, а во времени историческом, даже в течение всего нескольких десятилетий.

Одной из особенностей городского микроклимата является возникновение в городе так называемого «острова тепла», или «городского острова тепла» (ГОТ), причем в этом «острове» доля техногенного тепла может составлять половину значения солнечной радиации. Устойчивые во времени «острова тепла» в виде пространственного купола воздуха с более высокой температурой.

На рис. 1 приведена схема образования кислотных осадков и их воздействия на экосистемы устанавливаются над городами площадью 100 км2 и более. Средняя температура воздуха «острова тепла» в большом городе обычно выше температуры окружающих районов на 4 °С, однако ночью при небольшим ветре разность температур может достигать 6—8 °С и более2.

Характерным атрибутом современных мегаполисов является городской остров тепла (ГОТ), который проявляется в виде области повышенных значений температуры воздуха в некоторых районах города. Эффект теплового острова понимается следующим образом:

— остров тепла проявляется в виде области повышенных значений температуры воздуха над

Повреждение растительности

2 Городской остров тепла — площадь во внутренней части большого города, характеризующаяся повышенными по сравнению с периферией температурами воздуха. На детальных картах синоптического или среднего распределения температуры обрисовывается замкнутыми изотермами. Центр городского острова тепла обычно сдвинут от центра города в ту сторону, куда направлены преобладающие ветры [7—9].

Кислотное I выщелачивание

Рис. 1. Схема образования кислотных осадков и их воздействия на экосистемы

некоторыми районами городской застройки (физические механизмы, приводящие к его образованию, в основном, изучены в середине 80-х годов);

— большая часть города представляет «плато» теплого воздуха с повышением температуры по направлению к центру города. Термическая однородность «плато» нарушается «разрывами» поверхности в виде областей холода (парки, водоемы) и областей генерации тепла — промышленными предприятиями, расчетами энергетики, транспортными артериями, плотной застройкой зданиями. На границе «город — сельская местность» или на границе промышленного и жилого районов может возникнуть значительный вертикальный перепад температуры, достигающий иногда нескольких градусов, называемый «утесом острова тепла» (рис. 2).

Из-за задымленности и загазованности воздуха в город поступает меньше солнечной радиации. Снижение поступления ультрафиолетовой радиации приводит к повышенному содержанию в воздухе болезнетворных бактерий (потери ультрафиолетовой радиации в Балтиморе (США) достигают 50 %, в Москве 25—30 %, Санкт-Петербурге 17—24 %, Киеве 17 % [4].

Тепловые выбросы промышленных предприятий, транспорта и других видов хозяйственной деятельности, а также местный «парниковый эффект» повышают температуру в городе, в связи с этим температура воздуха в городе бывает выше, чем в природе, на 7—15 °С.

Причиной возникновения «островов тепла» являются: тепловые выбросы энергетики (до 70 % сжигаемого топлива отапливают атмосферу), градирни и охлаждающие пруды; теплотрассы (50—150 °С), промышленное, транспортное и бытовое тепловое загрязнение, пониженное испарение как результат недостатка зеленых насаждений и канализации стока осадков, энергетический эффект городской застройки (специфика вертикальной структуры рельефа, образованного зданиями; теплопроводность строительных материалов). Аккумуляторами тепла в городе являются камен-

ные здания, асфальтовые и другие искусственные покрытия, температура которых летом достигает местами в Москве 52 °С, в Ереване 65—70 °С, Одессе 73 °С, Ташкенте 80 °С (см. таблицу).

Влияние «острова тепла» распространяется на 30—50 км с подветренной стороны мегаполиса. Различия между центром и окраиной в крупных городах Европы по температуре воздуха наиболее часто составляют 5—7 °С летом и 2—8 °С зимой. В отдельных случаях они доходят до 15 °С.

Нью-Йорк, Париж, Лондон и Токио не имеют значительных осадков. В Дели, как и в Пекине — муссонный климат и сравнительно сухие зимы. Город Ханой имеет некоторые сходства со всеми этими мегаполисами. Средний городской тепловой остров (4,7 °С), рассмотренный в этом исследовании, выше, чем в Нью-Йорке (3 °С, 2002 г.) и в Париже (2,6 °С, 2006 г.). Максимальный городской тепловой остров (8,3 °С), наблюдаемый в современных условиях, находится в диапазоне тех, которые были зарегистрированы в Лондоне (8 °С, 2003 г.), Пекине (7,9 °С, 2002 г.) и Токио (8,1 °С, 1992 г.). Важно отметить, что все перечисленные города более урбанизированы, чем Ханой, который в настоящее время активно развивается.

На рис. 3 показана схема циркуляции воздуха вблизи «острова тепла».

Вследствие перепада температур воздуха в городе и пригороде, в городской застройке формируются «городские бризы» — относительно пос-

Характеристика городского острова тепла в мегаполисах*

Город ГОТ Прибрежные и внутренние Речная система Климат Население

Нью-Йорк Макс.: 5,4 °C Прибрежный Р. Гудзон Умеренный океанический 8 622 698 10,923

Мин.: ~3 °C климат

Париж Макс.: 6 °C Внутренний Р. Сена Западно-Европейский умеренно 2 206 488 21,000

Мин.: 2,6 °C влажный

Лондон 8—9°C Внутренний Р. Темза Умеренный океанический 8 825 000 5613

климат

Пекин 7,9 °C Внутренний Р. Енгдинг, Влажный континентальный 21 710 000 1291

Р. Чаобайхэ климат, подверженный муссонам

Токио Мак.: 8,1 °C Прибрежный Р. Тама, Влажный субтропический климат 13 515 271 6169

Мин.: 5,3 °C Р. Сумида

Дели Мак.: 8,3 °C Внутренний Р. Джамна Влажный субтропический климат 19 072 564 12,852

Мин.: 4,7 °C

Ханой Прибрежный Р. Красная Влажный субтропический климат 7 238 400 2,164

Москва 14 °C Внутренний Р. Москва Континентальный климат 12 380 664 4880

*Manju Mohan, Urban Hear Island Assessment for a Tropical Urban Airshed in India // Atmospheric and Climate Sciences, 2012, 2, 127-138.

тоянные конвекционные потоки циркуляции воздуха, которые четко проявляются при безветрии. При наличии «городских бризов» в тихую погоду над центром города может образоваться «тепловой купол» из загрязненного воздуха, который приносится с периферии (из промышленных районов) в его центральную часть. Этот эффект наблюдается на высотах до нескольких сотен метров. У «острова тепла» диаметром 10 км при скорости ветра около 1 м/с вертикальная скорость возникающих воздушных потоков в слое толщиной до 500 м достигает 10 м/с [5]. Из-за снижения давления над «островом тепла» граница облаков ниже, чем в его окрестностях.

В городе скорость ветра на 10—20 % ниже, чем за городом. Однако, в условиях городской застройки, особенно многоэтажной, часто образуются зоны резкого усиления ветра, скорость которого в 2—3 раза выше, чем на открытой местности. На скорость ветра большое влияние оказывает рельеф и защищенность места. Элементами защищенности являются лес, возвышенности, строения. На ровных, относительно открытых местах города средняя годовая скорость ветра составляет 1,3 м/с. В период прохождения циклонов скорость ветра усиливается до 8—12 м/с, но бывают порывы и большей силы. Средняя скорость зимой больше, чем летом. В большом городе ветер отклоняется от своего нормального направления, так как при сомкнутой застройке он дует вдоль длинных и прямых уличных магистралей, а местные завихрения, вызванные термическими различиями, могут образовываться даже во дворах. На рис. 4 показана схема циркуляции загрязнений в атмосферном воздухе крупного промышленного города при разном типе погоды.

Большое значение для размещения промышленных предприятий в крупных городах имеет такая характеристика местного климата, как роза

Зона инверсии Теплый воздух

Холодный,, воздух

^Холодный воздух

Рис. 3. Схема циркуляции воздуха вблизи «острова тепла»

Рис. 4. Схема циркуляции загрязнений в атмосферном воздухе крупного промышленного города при разном типе погоды

ветров. Например, в Москве многолетние наблюдения на семи метеостанциях, размещенных по всей территории города, показали, что каждому району свойственна своя роза ветров, не похожая на другие. Поэтому при размещении нового предприятия или расчете вредностей при реконструкции существующего всегда принимают розу ветров ближайшей метеостанции.

Ареал влияния крупного города и городской агломерации на окружающую среду, имеющий радиус в 40—50 раз больший, чем радиус города (по высоте, с некоторой долей условности — до 5 км), у градостроителей принято называть гра-досферой [6]. В агломерациях США, Западной Европы локальные изменения климата охватывают большие пространства в результате суммирования влияния на климат многочисленных близко расположенных населенных пунктов. Так что градосфера, меняющая свой специфический ме-зоклимат, охватывает иногда целые регионы.

Таким образом, информация о погодных и климатических условиях размещения конкретной строительной площадки промпредприятия чрезвычайно важна, так как условия переноса и рассеивания примесей, загрязняющих атмосферный воздух, зависят от множества микроклиматических условий, характерных именно для данного места в городе.

Следует сказать, что ГОТ концентрируют в себе вредные для человека и окружающей среды газообразные и пылевые выбросы от промышленности, энергетики и транспорта, которые вы-

2

падают с дождями на территории города, как правило, на некотором расстоянии от ГОТ (в сторону преобладающего ветра). Авторы данной статьи предполагают, что вредное воздействие таких

дождей на человека можно ослабить, если вызывать дождь при прохождении ГОТ над парком или водной поверхностью, что технически сегодня вполне возможно.

Библиографический список

1. Голицын А. Н. Основы промышленной экологии. Учебник. — М.: Академия, 2002. 240 с.

2. Эколого-экономические проблемы России и ее регионов: учебное пособие // Под ред. В. Г. Глушковой. — М.: Московский Лицей, 2003. 303 с.

3. Игнатов В. Г., Кокин А. В. Экология и экономика природопользования. — Ростов-на-Дону, изд. «Феникс», 2003. 508 с.

4. Денисов В. В., Гутенев В. В., Луганская И. А. «Экология». — М.: Вузовская книга, 2002. — 726 с.

5. Луканин В. Н., Трофименко Ю. В. Промышленно-траспортная экология. — М.: Высшая школа, 2001 г. 273 с.

6. Григорьев В. А., Огородников И. А. Проблемы экологизации городов в мире, России, Сибири — Новосибирск, 2001 г. — 148 с.

7. Исаев А. А. Экологическая климатология. — М.: «Научный мир», 2003. — 472 с.

8. Российский гидрометеорологический энциклопедический словарь // под ред. Бедрицкого, СПб, М., «Летний сад», 2008, Т. I. — 336 с, Т. II. — 312 с., Т. III. — 216 с.

9. Хромов С. П., Мамонтова Л. И. Метеорологический словарь, 1974, «Гидрометеоиздат», 123 с.

10. Глухов В. В., Некрасова Т. П. «Экономические основы экологии». — Учебник. СПб, 2011. — 385 с.

INFLUENCE OF THE URBAN HEAT ISLAND EFFECTS ON THE ECOLOGY OF A MEGACITY

V. V. Aleksashina, Doctor of Architecture; Le Minh Tuan, Post-graduate,

Moscow State University of Civil Engineering, Moscow, Russia References

1. Golitsyn A. N. Osnovy promyshlennoy ekologii. Uchebnik. [Fundamentals of industrial ecology]. Moscow, Akademiya, 2002. P. 240. [in Russian]

2. Ekologo-ekonomicheskiye problemy Rossii i yeyo regionov: uchebnoye posobiye [Ecological and economic problems of Russia and its regions: textbook. Moscow]. Moskovskiy Litsey, 2003. P. 303. [in Russian]

3. Ignatov V. G., Kokin A. V. Ekologiya i ekonomika prirodopolzovaniya. [Ecology and Economics of nature management]. Rostov on Don: Phoenix, 2003. P. 508. [in Russian]

4. Denisov V. V., Gutenev V. V., Luganskaya I. A. Ekologiya. [Ecology]. Moscow, Vuzovskaya kniga, 2002. P. 726. [in Russian]

5. Lukanin V. N., Trofimenko Yu. V. Promyshlenno-trasportnaya ekologiya. [Industrial and transport ecology]. Moscow, Vysshaya shkola, 2001. P. 273. [in Russian]

6. Grigoryev V. A., Ogorodnikov I. A. Problemy ekologizatsii gorodov v mire, Rossii. [Problems of green cities in the world, Russia]. Siberia: Novosibirsk, 2001. P. 148. [in Russian]

7. Isayev A. A. Ekologicheskaya klimatologiya. [Environmental climatology]. Moscow, Nauchnyy mir, 2003. P. 472. [in Russian]

8. Rossiyskiy gidrometeorologicheskiy entsikloptedicheskiy slovar. Russian hydrometeorological encyclopaedic dictionary. Saint Petersburg: Letniy sad, 2008, Vol. I, P. 336, Vol. II. P. 312, Vol. III. P. 216. [in Russian]

9. Khromov S. P., Mamontova L. I. Meteorologicheskiy slovar. [Meteorological dictionary]. Moscow, Gidrometeoizdat, 1974. P. 123. [in Russian]

10. Glukhov V. V., Nekrasova T. P. Ekonomicheskiye osnovy ekologii. [Economic fundamentals of ecology] Saint Petersburg, Uchebnik, 2011. P. 385. [in Russian]