Микроклимат. 4

Введение

Климат — многолетний режим погоды, характерный для данной местности в силу её географического положения.

 Под климатом принято  понимать усреднённое значение  погоды за длительный промежуток  времени (порядка нескольких десятилетий)  то есть климат — это средняя  погода. Таким образом, погода  — это мгновенное состояние  некоторых характеристик (температура,  влажность, атмосферное давление). Отклонение погоды от климатической  нормы не может рассматриваться  как изменение климата, например, очень холодная зима не говорит  о похолодании климата. Для  выявления изменений климата  нужен значимый тренд характеристик  атмосферы за длительный период  времени порядка десятка лет.

Микроклимат

Микроклимат – комплекс физических факторов окружающей среды, оказывающий влияние на тепловой обмен организма и здоровье человека. К микроклиматическим показателям относятся температура, влажность и скорость движения воздуха, температура поверхностей ограждающих конструкций, предметов, оборудования, а также некоторые их производные (градиент температуры воздуха по вертикали и горизонтали помещения, интенсивность теплового излучения от внутренних поверхностей).

 Воздействие комплекса  микроклиматических факторов отражается  на теплоощущении человека и обусловливает особенности физиологических реакций организма. Температурные воздействия, выходящие за пределы нейтральных колебаний, вызывают изменения тонуса мышц, периферических сосудов, деятельности потовых желез, теплопродукции. При этом постоянство теплового баланса достигается за счет значительного напряжения терморегуляции, что отрицательно сказывается на самочувствии, работоспособности человека, его состоянии здоровья.

 Микроклимат города  - важнейшая характеристика городской среды. Состояние микроклимата города определяется в значительной мере антропогенным воздействием на окружающую среду и прежде всего ее загрязнением. Оно оказывает влияние на освещенность, количество поступающей от Солнца радиации, влажность и др. Один из важных компонентов микроклимата, оказывающих заметное влияние на организм человека - температурный режим воздуха. Как  микроклиматический  показатель, температура воздуха интегрирует множество факторов климатообразования самого разного масштаба количество поступающей к поверхности земли солнечной радиации, поглощающие, отражающие и излучающие свойства подстилающей поверхности и предметов (зданий, сооружений) на ней расположенных, преобладающие типы атмосферной циркуляции, структуру микромасштабной циркуляции, выделение техногенного тепла и т.д.

Наиболее ярко влияние  урбанизации на климат прослеживается в образовании на территории городов устойчивых положительных аномалий температуры островов тепла. Их интенсивность зависит от площади и плотности застройки, ее теплотности, количества жителей, естественных природно-климатических условий. В общем случае, чем больше город, тем больше положительная аномалия температуры воздуха в нем. В климатическом выражении для малых и средних городов умеренной зоны контраст температуры город-пригород составляет величину 12 С в среднем за год.

Тепловые ощущения на территории города при одной и той же температуре  воздуха могут существенно различаться  в зависимости от температуры  окружающих человека поверхностей. Например, переходя в жаркий солнечный летний день на теневую сторону улицы, мы намного меньше страдаем от перегрева, хотя воздух на обеих сторонах улицы  имеет примерно одинаковую температуру. Это происходит из-за того, что процесс  теплообмена организма с окружающей средой зависит не только от температуры  воздуха, но и от радиационного баланса  организма. На территории городской  застройки за счет различной ориентации и экспозиции по освещенности элементов  среды, а также различия их теплофизических  свойств, таких как поглощающая  и отражающая способность, их температура  в солнечный день может существенно  различаться.

Аналогичной изменчивости на территории  городской   застройки  подвержены и другие  микроклиматические  параметры (например -абсолютная и относительная влажность воздуха), влияющие на теплоощущения людей, что приводит к неоднородности биоклиматической комфортности внутри городской  застройки  и необходимости ее оптимизации. Решение этого вопроса должно начинаться с физиологически обоснованного нормирования микро-климатических условий и разработки биоклиматических показателей, определяющих оптимальные, допустимые и экстремальные состояния микроклимата  городской  среды.

Влияние застройки на микроклиматические показатели в городе весьма велико. Каждый участок застройки и отдельные строительные объекты имеют на своей территории и в непосредственной близости от нее собственный микроклимат. Его характерная размерность от одного метра до первых сотен метров, в зависимости от контрастности физических свойств подстилающей поверхности и размеров размещенных на ней зданий и сооружений. Температура воздуха и отдельных поверхностей в пределах таких участков может изменяться на несколько градусов на незначительном удалении друг от друга, и даже небольшие препятствия могут вносить заметные возмущения в потоки воздуха.

     К основным  микроклиматическим  параметрам, влияющим  на биоклиматические показатели  городской  среды, относятся  интенсивности солнечной радиации  и теплового излучения ограждающих  конструкций зданий и рельефа  (радиационный баланс); температура  и влажность воздуха, направление  и скорость ветра. Для общих  случаев отдельных групп зданий, зеленых насаждений и т.д. оценка  микроклиматических изменений может  выполняться на основе общих  закономерностей и специально  разработанных графоаналитических  методов. Для частных случаев  и конкретных участков  застройки   оценка  микроклиматических  условий  выполняется по результатам специального  натурного обследования и методами  математического моделирования.

Сама по себе городская  застройка, имея более высокий коэффициент  шероховатости, чем большинство  природных ландшафтов, снижает скорость воздушного потока у земли. Но за счет повышенной теплоотдачи в атмосферу  город создает мезомасштабную термическую конвекцию, что может усиливать скорость ветра на фоне штилевых условий. В самом общем случае воздействие городской застройки на скорость ветра выражается в увеличении числа безветренных и маловетреных дней в городе и снижении максимальной скорости ветра в среднем на 10-30% по сравнению с незастроенной пригородной территорией. На территориях с застройкой повышенной плотности и внутри групп зданий, образующих замкнутые и полузамкнутые внутридворовые пространства, скорость ветра снижается на 70% и более. С градостроительной точки зрения ветровой климат должен влиять на ширину и направление улиц, взаиморасположение функциональных зон относительно друг друга, размещение предприятий относительно жилых районов и мест организованного отдыха и т.д. Обеспечение ветрового комфорта городской территории является одной из основных задач архитектурно-климатического анализа и проектной деятельности.

Также стоит отметить, что  в городах снижается величина ультрафиолетовой радиации (что отрицательно влияет на людей - повышенная усталость, раздражительность, ухудшенный обмен веществ и т.д.). Повышается бактериальная загрязненность воздуха. Понижается относительная влажность. В городах больше безветренных дней, ниже атмосферное давление и скорость ветра, что ведет к застойным явлениям, сильному загрязнению воздушного бассейна и повышенной заболеваемости населения болезнями органов дыхания. Автотранспорт создает дополнительный эффект шума и загрязнения. Значительно и размещение промышленных предприятий в пределах городов и их неправильное местоположение по отношению к господствующим ветрам. Пыль, туман и смог препятствуют инсоляции. Уменьшается освещенность поверхностей, сокращается световая радиация солнечными лучами, уничтожающими болезнетворные микроорганизмы.

Фитоклимат

Фитоклимат определяется влиянием биометрической структуры самой растительности на микроклимат приземных слоев воздуха. Характеристики фитоклимата могут изменяться в зависимости от возраста растений и агротехники их возделывания. Метеорологический режим, создающийся на поверхности и внутри растительного покрова (например, кукурузное или картофельное поле, виноградники, сад, лес), резко отличается от того, который наблюдается на ближайшей метеорологической станции. С увеличением площади листовой поверхности и биомассы растений происходит перераспределение составляющих теплового баланса в сторону возрастания расхода тепла на испарение. Это, в свою очередь, обусловливает значительные изменения в термическом режиме растительных сообществ, а также в режиме увлажнения почв. Обычно фитоклиматические влияния ограничиваются приземным слоем воздуха толщиной 2-15 м.

На первый взгляд кажется, что представить себе, в каких условиях живут растения в городе, позволяют обычные климатические данные. О "климате городов" написано немало, однако климатические факторы в них оцениваются лишь с точки зрения их влияния на человека, да это и понятно. Но по всем этим оценкам трудно судить о пригодности городской среды для растений: ведь одна и та же экологическая обстановка человеком и растением воспринимается несколько различно. Человек и растение неодинаково воспринимают влажность воздуха, содержание в нем углекислоты и т. п. Поэтому, чтобы рассмотреть городские условия как среду обитания для растений попробуем оценить вначале наиболее важные для жизни растения экологические факторы по отдельности, а затем и всю обстановку в целом.

Световой режим в городах  зависит не только от географического (широтного) положения, которое определяет количество поступающей солнечной  радиации, но и в большой степени  от состояния городской атмосферы. Сильное задымление и запыленность воздуха в городе, а также более частая повторяемость туманов задерживают значительную долю солнечных лучей. Снижение прихода радиации отражается и на другой характеристике светового режима, также часто используемой в экологии, - освещенности. В дополнение к общему снижению радиации в городах нередки случаи, когда растения испытывают недостаток света из-за прямого затенения (в районах с многоэтажной тесной застройкой, на узких улицах и т. д.). Стоит лишь вспомнить деревья во дворах-"колодцах" или под стенами высоких домов. Нормальную освещенность они могут получить только в немногие часы суток, совсем как где-нибудь в узких горных ущельях. Мало света достается растениям и на теневой стороне улиц, идущих в широтном направлении (с запада на восток), и на балконах, обращенных на север. Есть и еще одна особенность светового режима в городе - дополнительное освещение улиц, искусственное продление светового дня. "Световые пятна" городов в темное время суток хорошо видны при наблюдении из космоса со спутников. Многие деревья, оказавшиеся в соседстве с уличными фонарями, освещены вечером и ночью. А в скверах и парках нередко устраивают специальную декоративную подсветку. Правда, освещение даже такими яркими для наших глаз лампами, как ртутно-кварцевые и галогенные, слишком слабо, чтобы обеспечить нормальный уровень фотосинтеза растений. Но зато эта дополнительная подсветка, означающая для растений удлинение светового дня, может повлиять на те явления в их жизни, которые регулируются длиной дня.

 Наконец, стоит упомянуть  о том, что из-за уменьшения  прозрачности воздуха в городах  меняется и качество света,  т. е. его спектральный состав. С точки зрения человека существенно  то, что свет содержит меньше  ультрафиолетовых лучей. Для растений же имеет значение обеднение света лучами, наиболее ценными для фотосинтеза, - фотосинтетически активной радиацией. Таким образом, городские растения получают свет, не только ослабленный по интенсивности, но и ухудшенный по качеству.

 Если световой режим  в городах гораздо больше влияет  на растения, чем на человека, то особенности другого важнейшего  экологического фактора - тепла  - хорошо знакомы нам по собственным  ощущениям. В крупных городах тепловой режим складывается под влиянием многих факторов. Рассматривая город как поверхность, воспринимающую солнечное тепло, географы характеризуют его как "поверхность скального типа", имеющую большую теплопроводность (это строительные материалы) и "повышенную шероховатость" или даже ребристую структуру (это наши многоэтажные дома). Она работает как своего рода калорифер, способствуя эффективному использованию солнечной радиации для нагревания больших объемов воздуха. Если добавить еще к этому, что города производят и собственное тепло (работа промышленных предприятий, электростанций, отопление) и что ночному излучению тепла препятствует "пылевая шапка", то станет понятно: города в целом - более теплые местообитания по сравнению с зональным фоном (т. е. климатическими показателями данной географической зоны). В климатологической литературе их называют "островами тепла".

Постепенное "потепление" городов хорошо заметно в тех  случаях, когда есть возможность  проследить изменение климатических  показателей за длительные сроки. В  настоящее время разница летних температур "центр города - пригород" в крупных городах достигает  нескольких градусов. Зимой различие температур еще больше, до 10-14°С, причем, как правило, безморозный период в городах длиннее на несколько дней. И лишь в отдельных случаях, в городах с особыми условиями, этот тепловой эффект не выражен.

Если с точки зрения человека особенности теплового режима городов этим и исчерпываются, то для растений существует еще одна немаловажная его сторона - это тепловой режим почвы, достаточно необычный в городах для жизни растений. В жаркие летние дни асфальтовые покрытия, нагреваясь, отдают тепло не только приземному слою воздуха, но и поверхностным слоям почвы. Эти в полном смысле слова горячие горизонты - как раз те, в которых обычно сосредоточены живые окончания корней древесных пород. Особенно горячим бывает слой почвы под самым асфальтом (температура его поверхности доходит до 50-55°С) и в пристволовых лунках, покрытых чугунными решетками - декоративными и защищающими от вытаптывания. Недаром самые верхние слои городских почв практически не содержат живых корней.

Таким образом, для уличных растений создается необычная тепловая ситуация: температура подземных органов у них нередко выше, чем надземных. В природных же условиях, напротив, естественно существование растений при гораздо более низких температурах почвы, чем воздуха; именно к такому распределению температур приспособлены жизненные процессы большинства наземных растений умеренных широт (за исключением разве что растений пустынь).

Зимой температурный режим  почвы в городах также достаточно суров. В естественном растительном покрове зимнее охлаждение почвы  смягчается слоем растительных остатков и снежной "шубой", поэтому даже в холодные зимы почва далеко не везде промерзает (например, в лиственных лесах под пышной подстилкой из опавших  листьев). На улицах городов, где снег убирают, а слой асфальта имеет большую  теплопроводность (т. е. способствует потере тепла), почвы охлаждаются до -10°... -13°, что может привести к опасному промерзанию корней. Таким образом, годовой перепад температур в  городских, почвах (точнее, их корнеобитаемых слоях) составляет 40-50°, в то время  как в естественных условиях (для  средних широт) он не превышает 20-25°С.

Важнейший экологический  фактор в жизни растений - влага (вода). Основной источник ее поступления к  наземной растительности - атмосферные  осадки. Над городами, по наблюдениям  климатологов, нередко выпадает примерно на 10-15% больше осадков, чем над окружающими  территориями. Однако даже в условиях обилия осадков городские растения часто испытывают недостаток в почвенной влаге (или, по крайней мере, получают ее меньше, чем загородная естественная растительность). Это касается в первую очередь уличных насаждений. С водонепроницаемого асфальта дождевые воды стекают в канализационную сеть, и значительная часть влаги атмосферных осадков теряется для растений. Даже в городах со сравнительно влажным климатом городские растения, особенно деревья с их огромной массой испаряющей листвы, могут оказаться в условиях почвенной засухи. Вместе с тем при дождях или обильном поливе возможно другое нежелательное явление - застаивание воды и прекращение доступа воздуха к корням. Отекание дождевых вод "мимо почвы" означает также уменьшение количества влаги, испаряющейся с поверхности, а это влечет за собой изменения в городском микроклимате, и среди них - уменьшение влажности воздуха. В летние месяцы она на 5-6% ниже, чем на окружающих территориях, а в жаркие летние дни даже в средних широтах относительная влажность воздуха в городе может снижаться до 20-22%.

 Обратимся теперь к  почвенно-грунтовым условиям в  городах как фактору среды  обитания растений. Начнем с того, что во многих случаях естественные  почвы здесь просто отсутствуют.  При подготовке территории для  застройки нередко производится  выравнивание, при котором на  одних участках почвенный покров (точнее, верхние слои почвогрунта) снимается, на других же понижения заполняются излишками грунта, а естественная почва оказывается погребенной. Довольно распространены в городах перемешанные и насыпные почвы, в том числе с применением строительного мусора. Такие субстраты обычно имеют повышенную щелочность, мы же нередко заставляем на них расти древесные породы и кустарники, для которых привычны лесные почвы с более или менее кислой реакцией. Встречаются в городах и намывные почвы. Добавим к этому сильное уплотнение почв, приводящее к ограничению воздухо- и водообмена, а также всевозможные загрязнения.

В городах оставляет желать много лучшего и важнейшее  для растений качество почвы - ее плодородие. Ежегодная уборка опавшей листвы, производимая в санитарно-гигиенических целях  для городской растительности означает не что иное, как размыкание естественных биогеохимических циклов, перекрывание канала возврата питательных веществ в почву. А это обрекает городские деревья на голодный паек почвенных питательных элементов. Такому же обеднению почвы способствует и ежегодное неоднократное скашивание травы на газонах. Другая причина снижения плодородия почвы в городах заключается в неподходящих условиях для нормальной жизнедеятельности микробного населения - почвенной микрофлоры. Нередко городские почвы стерильны почти до метровой глубины. А ведь именно почвенные бактерии-редуценты переводят мертвые органические остатки в форму, удобную для усвоения питательных веществ корнями растений. Сильно угнетены в городских условиях и грибы-микоризообразователи, живущие в симбиозе с микотрофными древесными породами; для последних это также немаловажная причина ухудшения их состояния.  И еще одно затруднение - ограниченная площадь питания для тех крупномерных деревьев, которые пересаживают на улицы, в скверы и т. д. в уже достаточно взрослом состоянии.

Важнейшим условием существования  растений, как и человека, является воздушная среда (для последнего без нее невозможно дыхание, для  первых - не только дыхание, но и "воздушное  питание" - фотосинтез). Существенное отличие городского воздуха заключается  в присутствии различных примесей-загрязнителей. Долгое время главным загрязнителем  городского воздуха были дымовые  газы - продукт сжигания топлива - и  двуокись серы, которая образуется при сжигании низкосортного угля, содержащего примеси серы. Свою долю в загрязнение воздуха вносят электростанции, городские, непромышленные службы и организации, авто- и авиатранспорт. В наши дни дым составляет существенную часть загрязнений городского воздуха. Из космоса хорошо видно, что многие крупные города накрыты "дымовыми шапками", или "дымовыми облаками", а зимой вокруг городов ясно просматриваются "ореолы" загрязненного снега. Появился и целый комплекс химических веществ - загрязнителей городского воздуха.

Из всего сказанного понятно, насколько необычные и сложные  условия создаются для жизни растений в городской среде.

Заключение

  Городская среда во многих крупных городах продолжает терять качество, что делает ее не только дискомфортной, но и опасной для здоровья населения. Потеря качества городской среды связана не только с чрезвычайно высоким уровнем физико-химического загрязнения атмосферы, шумовым, вибрационным и другими видами техногенного воздействия, но и с появлением на территории городов климатических аномалий мезо- и микромасштаба. Уплотнение застройки, рост эмиссии техногенного тепла, уничтожение зеленых насаждений, увеличение площадей с искусственным покрытием и другие виды антропогенного преобразования земной поверхности приводят к изменению радиационного и теплового баланса, деформации полей характеристик ветра, температуры воздуха, перераспределению осадков и многим  другим последствиям. Большинство из этих воздействий на приземный слой атмосферы неблагоприятно сказывается на самочувствии населения.