Ogrzewanie miast: Dlaczego miasta są o 5-12°C cieplejsze niż wieś

Miasto jest zbiornikiem słonecznym bez cienia

Pole wiejskie i blok downtown otrzymują podobne ilości słońca, jednak w porze wieczornej blok może być 5-12°C wyższy. Różnica nie wynika z słońca, lecz z powierzchni. Rośliny odrażają część światła, transpirują wodę i odbijają ją na ziemi pod sobą; asfalt, ciemne dachy i beton absorbują większość przychodzącej radiacji, przechowują ją w gęstym masie i mają prawie żadną wodę do spalin. Dodajmy budynki wysokie, które zatrzymują odrażane ciepło między ścianami — efekt "zamkniętego miasta" — oraz usuwamy pokrywę drzew, która inaczej by chłodziła powietrze, a całe przestrzenie budowlane stają się wolnymi zbiornikami termicznymi.

Albedo, masa termiczna i budżet energetyczny powierzchni

Każda powierzchnia musi zgodnie z równowagą energii rozdzielić odbierany od słońca i nieba promieniowanie na bezpośrednie ogrzewanie powietrza nad nią, wapnięcie wodnego i przenoszenie do materiału dla późniejszego wydania:

Rn = H + LE + G Rn = odbierane netto promieniowanie (zależy od albedo — ułamka odbitego) H = przepływ ciepła czucia (ogrzewa powietrze bezpośrednio, dostrajany jako temperatura) LE = przepływ ciepła ukrytego (wapni wodę — trawę i drzewa specjalizują się w tym) G = przechowywanie ciepła gruntu/materiału (wypuszczane po zachodzie słońca) Nowoczesny asfalt ma albedo blisko 0,05-0,1, co oznacza, że absorbuje ok. 90-95% promieniowania słonecznego, w porównaniu do 0,15-0,25 dla trawy i nawet 0,8 dla świeżego białego pokrycia dachu. Ponieważ asfalt i beton mają niemal żadną wodę dostępne do wapnienia, prawie całe absorbowane ciepło przechodzi do H i G zamiast LE — powietrze jest bezpośrednio ogrzewane, a masa samych drobniutkich ulic przekształca się i nadal radiuje przez godziny. Wysokiego wodowania parku działa na odwrót: większość absorbowanego ciepła wydzielana jest do wapnienia wody zamiast ogrzewania powietrza, co wyjaśnia, dlaczego stojąc pod drzewem w gorące dniu czuje się znacznie chłodniej niż na bliskim asfalcie, poza prosto od cieniowania.

Rn = H + LE + G

Rn = net radiation absorbed (depends on albedo — the fraction reflected)
H  = sensible heat flux (warms the air directly, felt as temperature)
LE = latent heat flux (evaporates water — grass and trees excel here)
G  = ground/material heat storage (released back out after sunset)

Dlaczego szczyt dochodzi po zmierzchu

Niewyraźnie, różnica między miastem a wiejskim terenem w temperaturze heat-island jest najczęściej najmniejsza około południa i największa trzy do pięć godzin po zachodzie słońca. Wiejski teren ma niewielką masę termiczną: jak tylko słońce zaniknie, powierzchnia ziemi szybko odciepi się i powietrze nad nią szybko chłodzi. Miasto zaś ma ogromną masę termiczną w betonie, asfaltach i cegłach, które całe dniu akwizytują ciepło i teraz wolno go odnawiają, utrzymując powietrze nad nią ciepłe długą część nocy. Wysokie budynki zwiększają to efekt blokując dużą część nieba — co redukuje ilość ciepła przechowywanego, które może radiacyjnie odciepić się swobodnie — taka sama przyczyna, dlaczego dolina utrzymuje się w cieple nocą bardziej niż otwarta piana.

Warstwa pokryw vs temperatura powierzchni — dwa różne mapy

Ogrzewanie miast mierzone jest na dwa sposoby, które łatwo można pomylić. Temperatura powierzchni to, co zauważa sensoresz termiczny satelitarny — temperatura skórzana powierzchni dachu, drogi lub samego trawy — i może różnić się od otaczającej go polnej przestrzeni o 10-25°C w południe, ponieważ naga asfaltowa droga w pełnym słońcu może być bardzo ciepła. Temperatura powietrza warstwy pokryw — temperatura powietrza na wysokości 2 metrów, którą doświadczyłyby osoby, pomiar zrobiony przez stacje meteorologiczne — pokazuje mniejszą, ale dłuższą różnice, zwykle 1-3°C dla małej miejscowości i do 7-12°C dla dużego miasta w nocy bezwietrznej i jasnego nieba, ponieważ to właśnie w takich chwilach efekt jest najsilniejszy, a wiatr mieszuje ciepłe powietrze miejskie.

Mitigacja, która rzeczywiście zmienia liczbę

Bo efekt jest całkowicie historią o albedo, wapnieniu i masie cieplnej, a naprawy atakują dokładnie te trzy czynniki. Zimowe dachy i drogi barwy jasnej podnoszą albedo i mogą zmniejszyć maksymalną powierzchniową temperaturę dachu o 20-30°C. Kanopy drzew miejskie dodają cień (blokując Rn przed dotarciem do powierzchni) oraz transpirację (przekierowywanie energii w LE zamiast H), i są zawsze najskuteczniejszą interwencją na poziomie bloku mierzoną w badaniach polowych. Zieleń i błękitna infrastruktura — zieleń dachów, przepuszczalne drogi, funkcje przechowywania wody — dodają chłodzenie przez wapnienie tam, gdzie go nie było. Nikuna z tych napraw nie działa tak dobrze w izolacji jak historyczna podstawa — więcej zieleń, barwa jasniejsza i mniej gęste budownictwo — mitigacja jest naprawdę o odzyskaniu części budżetu energii, które usunięto drogami.

Często zadawane pytania

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz City Temperature Heatmap Simulation i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.