Cieplej w miastach

Cieplej w miastach, co czynić?

Wpływ miasta na klimat i klimatu na miasto

Coraz więcej ludzi mieszka i pracuje w miastach, z czego 2/3 w miastach dużych, gdzie na co dzień nie ma żadnego kontaktu z warunkami otwartych przestrzeni. Determinowany zabudową, emisjami do atmosfery, odmiennościami w obiegu wody a nawet wielkością pomieszczeń otaczający mieszczuchów klimat jest zdecydowanie odmienny od ”zewnętrznego”. Głębia i specyfika tego oddziaływania jest już dobrze poznana, choć wciąż pojawiają się nowe cechy i procesy, choćby te wywołane globalnym ociepleniem, które generalnie pogłębiają odrębność atmosfery miejskiej.  Bardzo istotny praktycznie jest drugi aspekt polegający na świadomym organizowaniu przestrzeni miejskiej tak,  aby warunki klimatyczne były w niej dla człowieka najdogodniejsze. Tak zrodziła się klimatologia urbanistyczna, wciąż jeszcze nie wystarczająco wykorzystywana gałąź nauk o atmosferze. W obecnej epoce zmian klimatu, a ściślej w epoce globalnego ocieplenia oba te aspekty pęcznieją od nowej wiedzy i hipotez. Rodzi się także potrzeba przyspieszenia wdrożeń pozwalających złagodzić rosnące niedogodności klimatyczne miast.

Klimat miasta dotyka także bardzo aktualnych wyzwań związanych z gospodarowaniem energią, w tym z oszczędzaniem jej, jako najlepszym sposobem na redukcję tempa wzrostu temperatury globalnej. W miastach możliwości usprawniania systemów energetycznych są zdecydowanie większe, niż poza nimi. Wydaje się także, że budownictwo mieszkaniowe oraz infrastruktura miejska są podatniejszymi sferami na zmniejszanie wydatków energetycznych niż przemysł czy rolnictwo. Transport też w zdecydowanej części wiąże się z obszarami zurbanizowanymi.     

A więc poważne wyzwanie zmniejszania emisyjności budownictwa i mieszkalnictwa obejmuje bardzo szerokie spectrum zagadnień od inżynierii materiałowej po urbanistykę i planowanie przestrzenne, od strategii gospodarczych przez społeczne, aż ku sferze kultury, edukacji i oczywiście samorządności. Tam, gdzie z różnych powodów, zarządzanie rozwojem społeczno-gospodarczym notuje niedostatki, trudniej jest pokierować budownictwem i mieszkalnictwem tak, by spełniane były rosnące wyzwania ochrony klimatu.

Zabudowa miejska a klimat

Zaczynamy od rzadko poruszanej problematyki związków klimatu z zorganizowaną zabudową, czyli z miastem. Można postawić tezę, że gdybyśmy niegdyś potrafili budować miasta tak, by nie trwoniły energii, ani nie emitowały jej w nadmiarze na zewnątrz, kłopoty z globalnym ociepleniem byłyby zdecydowanie mniejsze. Byłoby tak, gdyby związki nauk o atmosferze z urbanistyką były większe. Niestety, mimo, że o specyficznych cechach termicznych, wilgotnościowych czy cyrkulacyjnych miasta wiemy od dawna, nadal nie stosujemy oczywistej zasady „design with climate”.  Jako ilustrację do powyższej konstatacji pokazujemy planik Królewca (Königsbergu, Kaliningradu) z wykreślonymi izoliniami tzw. współczynnika błękitu nieba Linkego. Czym wyższy ów wskaźnik, tym dopływ promieniowania większy. Notowana w tym czasie w Królewcu różnica około 3 stopnie oznacza utratę około stu kalorii na cm²/dobę energii. Mapka pochodzi z 1920 roku, już wtedy dobrze wiedziano, że miasto bardzo nieracjonalnie gospodaruje energią. 

Źródło: Kratzer P.A. Das Stadtklima, Braunschweig, 1956 (wyd. rosyjskie z 1958 r).

W pełni, albo dostatecznie dobrze rozpoznane są inne procesy atmosferyczne związane z wpływem zabudowy miejskiej na klimat. Przede wszystkim chodzi o parametry radiacyjne, w tym albedo, które w warunkach miejskich skrajnie rożni się od pozamiejskiego. Inne są w mieście warunki aerodynamiczne, oraz ich zmienność, struktura cyrkulacji lokalnej, warunki wilgotnościowe oraz wysoki stopień antropogenizacji naturalnego podłoża. Stwarza to możliwość świadomego kreowania bilansu cieplnego w kwartałach zabudowy, a nawet w całych dzielnicach. Wytworzyły się także struktury warstwowe klimatu, budowane na piętrowej budowie nowoczesnego miasta.

Najczęściej wspomina się o swoistej mezocyrkulacji powietrza nad miastem zwanej „wyspą ciepła”. W centrum takiej wyspy temperatura jest wyższa o 1 do 4°C zależnie od wielkości miasta, przy czym wraz z ocieplaniem się klimatu różnice te wzrastają.  Zauważono ją już 150 lat temu. Dziś to już powszechnie znany, choć słabo doceniany fenomen.  W strukturze wysp ciepła opisano strefy konwergencji i dywergencji, pola wzmożonej konwekcji podchmurowej, miejskie strefy osiadania, stagnacji i inwersji; czyli bardzo odmienne lokalnie warunki przewietrzania miast. Wyspy ciepła w dobie globalnego ocieplenia wyraźnie się rozrastają obejmując całe miasto, a nawet niektóre przedmieścia, zwiększając statystyczną różnicę pomiędzy temperaturami w centrum i poza granicami miasta/wyspy. Dobrze ilustruje to przypadek Krakowa, miasta należącego do szczególnie podatnych na niekorzystne efekty termiczne i aerosanitarne opisywanego zjawiska. Na załączonym wykresie widoczne jest rozszerzanie się krakowskiej wyspy ciepła przy stopniowym wzroście różnic temperatur pomiędzy centrum i otoczeniem.

Temperatura powietrza (Cr w centrum Krakowa, 3 poza miastem)

Należy zauważyć, że intensyfikacja procesów tworzenia się wyspy ciepła nad dużymi miastami doprowadziła już do obserwowanych zmian w częstości pojawiania się niektórych zjawisk hydrometeorologicznych, co z kolei ma niekorzystne skutki dla funkcjonowania miasta w dziedzinie gospodarki wodnej. Mowa o obserwowanym, około 10-procentowym wzroście częstotliwości burz nad miastami, w tym burz związanych z bardzo rozbudowanymi chmurami Cumulonimbus. Ocenia się, że duże miasta w umiarkowanych szerokościach geograficznych mogą w ciepłej porze roku wyzwolić burze wewnątrzmasowe, a także frontalne o jednostkowym opadzie ponad 50 mm, co dla miasta jest poważnym zagrożeniem podtopieniami. Obserwowano już, także w Polsce, „miejskie gradobicia”, a wyspa ciepła może także potęgować inne gwałtowne zjawiska hydrometeorologiczne, jak trąby powietrzne. Z powyższego wynika, ze znany od dawna mezocyrkulacyjny system konwergencji miejskiej przestał być zjawiskiem wyłącznie niekorzystnym aerosanitarnie (zatężanie zanieczyszczeń powietrza), ale generuje odmienne stosunki opad-odpływ. To, co globalne ocieplenie niesie wszędzie, w miastach pojawiło się wcześniej i intensywniej. 

Współczesna urbanistyka klimatyczna  

Dzisiejsze wyzwania ochrony klimatu, które należy rozumieć jako walkę ze skutkami i przyczynami globalnego ocieplenia w kontekście urbanizacyjnym należy pojmować jako wprowadzanie do planowania zabudowy zupełnie nowych zabiegów służących  burzeniu trwałych elementów mezocyrkulacji związanej z wyspą ciepła. Polegać to powinno na rozpraszaniu ognisk wyspy ciepła, ograniczanie przyczyn ją wzmacniających, ale też „dzielenie” ogólnomiejskiej wyspy na części w sensie przestrzennym, ale i czasowym. Konieczne jest wprowadzanie  hierarchii korytarzy przewietrzania, tak by utrudniały one „zwieranie” się zasięgu wyspy i wydłużanie stref konwergencji.  Nowoczesne miasto może zawierać, jak dobrze zaprojektowany dom,  magazyny chłodu związane z parowaniem oraz korzystne elementy sztucznej inwersji w zabudowie o zdywersyfikowanej wertykalnie strukturze funkcjonalnej. Wyjaśnijmy, ze chodzi tu o powiększenie pionowego zróżnicowania funkcjonalnego miasta pozwalające na trwałe wytwarzanie inwersji termicznej burzącej dośrodkową cyrkulację typu miejskiej bryzy. Generalnie korzystne jest wytwarzanie mnogości poziomów powierzchni czynnej, tworzenie nieciągłych granic pól o różnym pokryciu i skrajnie różnych parametrach szorstkości podłoża, wreszcie korzystne energetycznie funkcje zagłębione, półzakryte strefy piesze i spoczynkowe, a nawet półotwarty transport lokalny, w tym pionowy. Miasta zawierające takie rozwiązania mogą w znacznie większym stopniu korzystać z naturalnej energii solarnej i jednocześnie zdecydowanie ograniczyć wyzwalanie ciepła sztucznego. Należy pamiętać, że dzieje się to w warunkach szybkiego wzrostu temperatury w dużych i średnich miastach, czego jaskrawym przykładem jest Warszawa (patrz załączony wykres pochodzący z danych Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej). 

Albedo – narzędzie Gai czy człowieka?

Zastanówmy się jeszcze nad rolą wspomnianego już albeda, parametru doskonale łączącego budownictwo z klimatem.

Jednym z ciekawszych, a zarazem kontrowersyjnych pomysłów współcze­snej wiedzy o środowisku jest hipoteza matki Ziemi - Gai, sformułowana przed ponad 30 laty przez Jamesa Lovelocka (1979). Dla wyjaśnienia definicja: Hipoteza Gai jest koncepcją ekologiczną, w której żywe i nieożywione elementy Zie­mi tworzą złożony współdziałający system, który może być postrzegany jako pojedyn­czy „superorganizm". Nazwa pochodzi od greckiej bogini Ziemi Gai, zaś hipoteza sugeruje, że każdy element życia na Ziemi oddziałuje na cały system, który służy dal­szemu rozwojowi życia na naszej planecie. Gdy hipoteza spotkała się z krytyką, Lovelock zaproponował prosty model działania żywych organizmów na planetę i nazwał go światem stokrotek. Świat sto­krotek to wymyślony system planetarny, w którym słońce ogrzewa planetę, ta rozgrzewa się i w miarę upływu czasu jej temperatura rośnie proporcjonal­nie do czasu ogrzania. Jednak kiedy na planecie po­jawią się tylko 2 gatunki czarne i białe sto­krotki, temperatura planety nie jest już proporcjonalna do czasu ogrzewania. Okazuje się, że stokrotki czarne pochłaniają promienie słoneczne, zaś bia­łe je odbijają. Dzięki temu temperatura planety przez dłuższy czas ulega stabili­zacji. W początkowej fazie chłodnej zde­cydowaną przewagę liczebną uzyskują sto­krotki czarne, jednak w miarę upływu czasu i dopływu ciepła słonecznego prze­wagę w systemie uzyskują stokrotki białe. Model pokazuje, że nawet dwa gatunki po­trafią skutecznie przez pewien czas stabili­zować temperaturę planety dzięki zdolno­ściom do pochłaniania i/lub odbijania promieniowania słonecznego. Zapytajmy więc: Czy zmiana albedo powierzchni miast i obszarów zabudowanych mogła wpłynąć na efekt cieplarniany?

Zmiany temperatury powierzchni pla­nety dzięki manipulacjom z odbijaniem i pochłanianiem promieniowania słoneczne­go to przecież kwestia o kluczowym zna­czeniu dla zagadnienia „efektu szklarnio­wego", tak powszechnie dyskutowanego we współczesnych naukach o środowisku i w ramach Międzyrządowego Panelu do spraw Zmian Klimatu (Intergovermental Panel for Climate Change = IPCC). Efekt szklarniowy polega na zatrzymywaniu przez tzw. gazy szklarniowe ciepła wypromieniowanego przez powierzchnię ziemi w dolnej warstwie atmosfery, co powoduje wzrost temperatury atmosfery i dalsze liczne zmiany klimatu Ziemi, fi­zyki i chemii atmosfery, wpływa na życie na Ziemi i zagraża gospodarce i dobrostanowi ludzkich społeczeństw.

Promieniowanie odbite od powierzchni Ziemi i jej atmosfery, w tym głównie od górnej powierzchni chmur, wraca w przestrzeń międzyplanetarną i jego stosunek do promieniowania otrzymywanego przez Ziemię nosi nazwę albedo Ziemi (planetarne). Według obliczeń teoretycznych  albedo  Ziemi  wynosi  około  40%  promieniowania dostarczonego przez Słońce na górną granicę atmosfery. Według pomiarów bezpośrednich, wykonywanych spoza Ziemi,  albedo jest niższe i wynosi około 35%. Z powyższego wynika, że zdecydowana większość energii docierającej do Ziemi jest na naszej planecie wykorzystywana.

Gdyby cała powierzchnia Ziemi po­kryta była wodą, to w wyniku niskiego al­bedo średnia temperatura wzrosłaby do 32°C; gdyby pokryta była lasem, to śred­nia temperatura wzrosłaby do 24°C, gdy­by zaś pokryta była śniegiem - temperatu­ra spadłaby do - 52°C. 

Człowiek przekształca duże obszary Ziemi, do najbardziej przekształconych należą obszary zurbanizowane. Tutaj po­krycie powierzchni nie ma charakteru na­turalnego, w większości bowiem są to po­krycia asfaltowo-betonowe oraz ciemne pokrycia dachów. Obok stałej produkcji ciepła do atmosfery (zimą ogrzewanie, la­tem używanie klimatyzacji) pokrycie te­renu dostarcza dodatkowego ciepła dzięki intensywnemu pochłanianiu promieniowania świetlnego i emitowaniu nagromadzonej energii w postaci ciepła. Badania pro­wadzone głównie w USA wskazują, że można obniżyć temperaturę miasta na trzy sposoby:

•      instalowanie „chłodnych kolorów" lub pokrycie roślinnością dachów domów,

•      sadzenie drzew i innych roślin ocienia­jących powierzchnię ziemi,

•      zmianę koloru powierzchni betonów i asfaltów na kolory chłodne.

Okazuje się, że w USA istnieje cały prze­mysł „chłodnych kolorów" pokryć dacho­wych i pokrycia powierzchni ziemi beto­nem lub asfaltem. Okazuje się, że tym sposobem można podwyższyć albedo terenu zurbanizowanego nawet o 10%.

Oto jeden, ale nie jedyny praktyczny sposób poprawy warunków życia w mieście doby globalnego ocieplenia.

Witold Lenart

---

Niniejszy materiał został opublikowany dzięki dofinansowaniu Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej. Za jego treść odpowiada wyłącznie Fundacja Na Rzecz Zrównoważonego Rozwoju.