Если вы из сельской местности въезжаете в мегаполис, вы наверняка почувствуете разницу температур в этих разных локациях. В сельской местности обычно прохладнее, а в городах может быть намного теплее. Эта разница температур называется эффектом городского острова тепла. Этот эффект возникает по нескольким причинам, которые включают не только дополнительное выделение тепла автомобилями, домами, электростанциями, нагревательными приборами, а последнее время и центрами обработки данных (дата-центрами), множество серверов в которых выделяют огромное количество тепловой энергии. Кроме того, существуют различные типы материалов, используемых для строительства городов. Не добавляет оптимизма также отсутствие растительности и природных пространств во многих мегаполисах. Данный эффект острова тепла очень значительно влияет на здоровье человека и экономику города, нанося также вред окружающей среде и атмосфере всей планеты Земля. К счастью, существует множество решений для борьбы с повышением городской атмосферы, и некоторые из этих решений основаны на природных особенностях.
Что возникает перед вашим мысленным взором, когда представляете себе большой город? Наверняка подумаете о небоскрёбах, построенных близко друг к другу, о зданиях из бетона и кирпича, асфальтовых дорогах и тротуарах, мостах, и всего лишь о нескольких аллеях или деревьях. Все эти характеристики города приводят к явлению, при котором в городе температура выше, чем в близлежащих сельских районах. Такие поверхности, как асфальт, кирпич, лёгкая почва, вода и снег, отражают разное количество солнечного света. Количество света, отражаемое поверхностью, называется её альбедо. Эвапотранспирация — это процесс, посредством которого вода испаряется с растений (транспирация) и почвы (испарение). В городах меньше растительности, поэтому меньше эвапотранспирации, что означает меньшее охлаждение. Эффект городского каньона возникает, когда высокие здания блокируют ветер, уменьшая вентиляцию и удерживая тепло.
Различные материалы отражают солнечный свет по-разному, что означает, что у них разное альбедо. Темные поверхности поглощают больше солнечного света, чем более светлые, поэтому мы говорим, что у них меньше альбедо, потому что меньше солнечной энергии отражается. Это означает, что тёмные поверхности имеют больше поверхностного нагрева, который относится к тому, сколько тепла поглощает поверхность. Фактически, более тёмные предметы и объекты будут примерно на 10–25°C теплее, при ярком солнечном дне, чем более светлые. В городах здания и дороги, которые обычно тёмного цвета, имеют низкое альбедо и, таким образом, поглощают и сохраняют большое количество солнечного тепла днём. Тепло медленно выделяется ночью. Это повышает температуру города, что приводит к появлению островов тепла.
В сельской местности обычно больше деревьев и растений, чем в городах. Деревья и растения дают тень и помогают снизить локальную температуру, охлаждая дополнительно локальную окружающую среду. В этом процессе вода испаряется с растений (так называемое транспирация) и почвы. Эвапотранспирация охлаждает воздух, удаляя тепло из окружающего воздуха, когда вода переходит из жидкого в газообразное состояние и является важным компонентом круговорота воды, который описывает, как вода движется через атмосферу Земли, сушу и океаны. Вы можете попробовать небольшой эксперимент, чтобы увидеть влияние эвапотранспирации на охлаждение. Найдите зелёную зону и полейте все деревья, растения и почву. Всего через несколько минут воздух может показаться прохладнее, так как его температура действительно понизится! Однако в городах меньше растительности, а значит, меньше тени и меньше эвапотранспирации. Это повышает температуру городской среды.
Плохое проектирование города является ещё одной причиной городских островов тепла. В городах здания обычно строятся очень близко друг к другу. В результате ветер не может проходить между зданиями, чтобы проветривать и охлаждать территорию, поэтому горячий воздух и загрязнения застревают между зданиями, как это было бы в глубоком каньоне между скалами.
Из-за высоких температур в городах требуется много электроэнергии для охлаждения зданий и домов. Это может привести к увеличению выбросов опасных загрязняющих веществ и парниковых газов в качестве побочных продуктов электростанций, вырабатывающих электроэнергию. Городские острова тепла тесно связаны с глобальным потеплением, поскольку оба явления подразумевают повышение температуры, но в разных масштабах. Глобальное потепление повышает среднюю температуру атмосферы во всём мире, что только ещё больше усиливает эффекты городских островов тепла, делая города ещё жарче. К тому же засухи снижают уровень воды, ограничивая количество вырабатываемой электроэнергии гидроэлектростанциями. Многие люди, живущие в городах, страдают от респираторных (дыхательных) проблем, поскольку качество воздуха от жары и пыли очень плохое. Более высокие температуры часто создают идеальные условия для роста насекомых, в том числе тех, которые распространяют болезни среди других живых организмов, усиливая риски возникновения опасных трансмиссивных заболеваний в городах. Жара может также приводить к тепловым ударам, сердечным приступам и другим проблемам со здоровьем.
Иногда электростанции выходят из строя во время экстремальной жары из-за внезапного увеличения спроса на электроэнергию для охлаждения зданий. Все эти факторы оказывают негативное влияние на экономику города. Когда в городе становится меньше бизнеса, многие люди могут решить переехать из города в близлежащие сельские районы. Когда меньше людей проводят время в городе и тратят там деньги, экономика города страдает ещё больше.
Чтобы сделать города пригодными для жизни, важно найти решения для снижения негативных последствий городских островов тепла. Существует множество решений этой проблемы, включая прохладные материалы и отражающие поверхности, городской дизайн и планирование, технологические решения, а также поведенческие и политические вмешательства. Некоторые решения основаны на хорошем городском планировании, посадке деревьев и создании обширных зелёных зон, скверов и парков. В настоящее время люди часто выбирают естественные решения, потому что эти решения часто обходятся дешевле и оказывают меньшее воздействие на окружающую среду. В ходе эффективного планирования включение крупных водоёмов (озёра, пруды, каналы и т. д.) в городской ландшафт является одним из природных решений для охлаждения прилегающего пространства. Хотя водоёмы могут охлаждать только непосредственную территорию вокруг них, они также действуют как магнит для загрязняющих веществ и помогают очищать воздух в городах. Однако доступность воды является критической проблемой, особенно в засушливых регионах, где водные ресурсы ограничены. Другие варианты, описанные ниже, могут быть лучшим выбором в условиях ограниченных водных ресурсов.
Крыши с растущей на них зеленью называются зелёными крышами. Существует три основных типа: экстенсивные, интенсивные и полуинтенсивные. Экстенсивные крыши являются самым дешёвым типом и используются для выращивания простых, выносливых растений (например, акация). Они помогают увеличить альбедо здания и требуют минимального обслуживания. Интенсивные крыши являются самым дорогим типом — на них выращивают крупные растения, которые требуют высокого уровня обслуживания. Полуинтенсивные крыши представляют собой смесь обоих типов. Было показано, что зелёные крыши снижают температуру в здании на 5–7 градусов. Интенсивные крыши также можно использовать для выращивания фруктов и овощей. В настоящее время набирает обороты тенденция устраивать на крышах дата-центров целые овощные или фруктовые фермы, преобразуя отводимое от серверов тепло.
Ещё одним решением может быть использование геотермальной энергии для охлаждения зданий. Но этот процесс затруднён в старинных городах, так как очень сложно найти свободные от коммуникаций или подземных сооружений зоны для бурения шурфов на достаточную глубину. Если в мегаполисе функционирует расширенная транспортная подземная сеть (метро), то этот метод так же будет затруднён. Но для молодых, интенсивно развивающихся, населённых пунктов, метод использования тепла Земли является хорошей альтернативой.