Сельская Пригород Город
местность
Рис. 1. Сечение «острова тепла» над городом
Над центральной частью больших городов располагается «пик острова тепла», где температура воздуха максимальна. В крупных агломерациях может наблюдаться несколько таких «пиков», обусловленных наличием промышленных предприятий.
Формирование "острова тепла" на застроенных территориях имеет целый ряд прямых или косвенных экологических и биоклиматических эффектов и последствий как положительного, так и отрицательного характера. Приведем примеры. Прямой отрицательный биоклиматический эффект "острова тепла" - снижение в летнее время комфортности условий пребывания населения на территории города в результате повышения температуры воздуха в сочетании с уменьшением скорости ветра. В холодное время года биоклиматический эффект носит позитивный характер. За счет тех же факторов, а также за счет повышения абсолютных минимумов температуры дискомфортность условий пребывания населения на открытых пространствах уменьшается.
Экологические последствия эффекта "острова тепла":
- "Смещение" территории города по своим климатическим характеристикам в южном направлении: увеличиваются безморозный и бесснежный периоды на территории города, более раннее наступление вегетационного периода.
- Увеличение числа дней с оттепелями. В холодное полугодие переход температуры воздуха через 0°С создает проблемы не только хозяйственным, дорожно-эксплуатационным службам города, но и состоянию компонентов его природной среды, в первую очередь – зеленой растительности.
Влажность воздуха, туманы и атмосферные осадки также изменяются под влиянием городской застройки, однако эти изменения носят менее очевидный характер и являются звеньями боле сложной цепи причинно-следственных связей.
Влажность воздуха в городе изменяется (на застроенных участках понижается абсолютная и относительная влажность воздуха) под действием нескольких факторов, перечислим основные из них:
- существование на территории города «острова тепла» (с данной анамалией связывают примерно половину величины снижения относительной влажности воздуха);
- снижение проницаемости для осадков подстилающей поверхности и создание инженерных сетей по отводу поверхностного стока с территории города;
- уменьшение испарения в условиях городской среды.
Снижение значения абсолютной влажности воздуха, наблюдается в теплое полугодие на большей части территории городов, расположенных в умеренной климатической зоне. В холодное время года абсолютная влажность в черте города, наоборот, - выше, чем за городом. Это объясняется повышенной температурой воздуха в городе и, как следствие, повышением испарения снежного покрова, а также техногенной эмиссией водяного пара в процессе сжигания органического топлива (конечным продуктом которого является водяной пар).
Образование туманов имеет целый ряд физических причин. По генетической классификации выделяют туманы испарения, охлаждения, туманы смешения и туманы восхождения. Для большинства городов умеренной зоны, расположенных на равнинах, наиболее характерны туманы охлаждения, которые подразделяются на:
адвективные;
радиационные.
Адвективные туманы возникают при адвекции теплых воздушных масс на холодную подстилающую поверхность, что приводит к охлаждению воздуха и конденсации влаги. Эти туманы характерны для холодного полугодия. Продолжительность таких туманов может составлять от нескольких часов до суток и более. Радиационные туманы связаны с понижениями температуры в ее суточном ходе, чаще всего наблюдаются в теплое полугодие при спокойной ясной погоде в вечерние и утренние часы.
Повторяемость и продолжительность туманов в естественных условиях определяется ходом температуры, количеством влаги в атмосфере, атмосферными процессами и рельефом местности. В городских условиях эта связь осложняется еще несколькими факторами антропогенного характера, прежде всего - "островом тепла", антропогенной эмиссией водяного пара и наличием в воздухе ядер конденсации. За счет "острова тепла" к центру города повторяемость (число дней с туманами) и продолжительность туманов уменьшается. Опасность туманов для экологии городской среды заключается в том, что капли тумана растворяют находящиеся в атмосфере загрязняющие вещества, которые, взаимодействуя друг с другом и солнечной радиацией, способны образовывать химические соединения, более сложные и опасные для здоровья населения и растений, чем исходные загрязнители атмосферного воздуха (например SO3 + Н2О —> H2SO4).
Своеобразие формирования облачности и осадков над городом (по сравнению с аналогичной по остальным параметрам незастроенной территории) определяется двумя антропогенными факторами:
Более развитой конвекцией. Данный фактор играет главную роль летом, стимулируя образование внутримассовых кучевых и кучево-дождевых облаков.
Огромным количеством выбрасываемых в атмосферу гигроскопических ядер конденсации. Присутствие в воздухе ядер конденсации антропогенного происхождения настолько стимулирует процесс осадкообразования в возникающих облаках, что с подветренной стороны может даже наблюдаться заметное (на 2-3 мкм) уменьшение диаметров облачных и дождевых капель, т.е. образование облаков и дождя над городом "опережает" естественное развитие событий.
Второй фактор доминирует над первым зимой, способствуя более быстрой конденсации влаги в слоях, характеризуемых инверсией температуры, поскольку зимой влаги в городском воздухе больше, чем в сельской местности. Для обоих сезонов отмечается увеличение осадков с наветренной стороны городов.
С точки зрения экологических последствий влияния городов на выпадение осадков следует отметить, что зимой отмечается снижение до 5% в выпадении снега, летом наибольшие суммы осадков выпадают над городом, но не в центре, а на окраине.
Движение воздушных масс. Поле скорости ветра в условиях города находится под влиянием двух основных факторов: шероховатости подстилающей поверхности (городской застройки) и городских «островов» тепла.
Следует отметить, что влияние городской застройки на среднюю скорость ветра не однозначно. С одной стороны, это связано с тем, что очень часто влияние застройки "маскируется" особенностями рельефа города. С другой стороны, пространственная структура в застройке такова, что не дает возможности говорить о "непрерывности" ветровых полей, характеризуется их сильной контрастностью. Так, например, зоны застоя воздуха, формирующиеся в периметрально-замкнутой застройке или в отдельных дворах чередуются со струйными течениями вдоль застроенных сплошным фронтом "каньонов" городских магистралей, а "погашенная" у поверхности земли скорость ветра может компенсироваться усилением скорости ветра, обтекающего высотные здания. Многоэтажная застройка вдвое и более уменьшает скорость ветра. Но в некоторых случаях возможно усиление ветра, например, в городах, располагающихся на холмистой местности или при совпадении направления ветра с направлением улицы («эффект аэродинамической трубы»). Высокие здания могут способствовать образованию нежелательных вихревых потоков, обтекающих стены здания.
Суммарный эффект воздействия урбанизированной территории на скорость ветра в большинстве случаев выражается в увеличении числа безветренных (v<2 м/с) дней в городе и снижении максимальной скорости ветра в среднем на 10-30% по сравнению с пригородной незастроенной территорией. Причем чем больше площадь города и чем выше плотность застройки, тем устойчивее ее влияние на скорость ветра.
С эффектом «островов тепла» связано локальное увеличение интенсивности циркуляции конвекционных потоков воздуха. При этом значительно — на 20% по сравнению с сельской местностью — уменьшается горизонтальное движение воздушных масс, и усиливается восходящее движение над городом, напоминающее бриз. Восходящие токи воздуха над городом вызывают в тихую погоду приток прохладного воздуха от периферии к центру, получившего название «сельского бриза». Движению воздуха способствует и различное нагревание городских улиц, зданий, обуславливающее местную циркуляцию воздуха. В ней восходящий поток образуется над поверхностью освещенных стен, а нисходящий – над затененными стенами и частями улиц или дворов. В результате по ночам (максимум развития "острова тепла") ветер в городе ослабляется не так сильно, как днем, и временами может быть даже больше, чем в пригородной зоне, со всеми вытекающими из этого последствиями: уменьшение вероятности утренних туманов, повышение ночных минимумов температуры воздуха и уменьшение повторяемости приземных инверсий.
С учетом реально сформировавшихся климатических условий города и условий природно-климатической зоны проводят мероприятия по улучшению городского климата, которые условно могут быть разделены на следующие группы:
1) Мероприятия по регулированию скорости ветра и вентиляции города (планировка городской застройки и улиц, ориентация зданий, создание древесно-кустарниковых и травянистых насаждений различного типа, систем водоемов и т.д.).
2) Мероприятия по уменьшению потерь тепла зданиями (конструкция окон, ориентация зданий, планировочные решения, касающиеся взаимного расположения зданий и групп зеленых насаждений).
3) Мероприятия по регулированию относительной влажности воздуха (создание водоемов и водотоков, увеличение площади поверхности с естественным проницаемым покровом, полив зеленых насаждений, мойка улиц и площадей и т.п.).
4) Мероприятия по борьбе с загрязнением воздушного бассейна путем расположения загрязняющих объектов вне городской черты или с подветренной части городов, переходом на менее токсичные виды топлива, использованием более экономичных установок для сжигания топлива, регулированием или прекращением выбросов вредных веществ при неблагоприятных метеоусловиях вплоть до приостановки работы предприятий, переходом на безотходные или замкнутые циклы производства, предотвращением пыления в промышленности, строительстве, транспорте.
5) Мероприятия по регулированию поступления солнечной радиации (планировка улиц и кварталов, зеленых насаждений, использование разноуровневой застройки, окраска стен, крыш и мостовых, конструкция зданий и их элементов и т.п.).
Все эти мероприятия должны использоваться интегрировано. Использование лишь отдельных элементов не может значительно улучшить условия проживания людей в городах.
1. Особенности экологии городской среды в историческом аспекте.
2. Социально-экологические концепции города.
3. Концепция устойчивого развития городов.
4. Развитие городов в XXI столетии.
5. Урбоэкологическое зонирование региона и агломерации.
Мы кратко рассмотрим формирование городов и городской среды с учетом изменений их экологии и условий для жизнедеятельности людей. Около 1,9 млн. лет назад люди стали строить первые жилища – хижины-шалаши, каркас которых составляли ветки и длинные кости убитых животных, накрытые настилом из травы и листьев. Основу существования человеческого общества в палеолите составляла охота на крупных животных и собирательство. Отходы жизнедеятельности первобытных охотников-собирателей быстро утилизировались природой. Целенаправленная деятельность древних охотников и собирателей сказывалась на флоре и фауне мест их обитания. Научные исследования палеонтологов свидетельствуют, что следствием расселения древнего человека на Земле можно считать исчезновение десятков видов в Европе и Америке. На смену пришла аграрная культура, которая охватывает эпоху с момента появления сельского хозяйства (8 тыс. лет до н.э.) вплоть до возникновения промышленного производства (середина 18 в. н.э.).
Города древнего мира и средневековья. Первые поселения возникли на Земле, вероятно, 10—12 тысяч лет тому назад, когда земледелие стало превращаться в одно из важнейших занятий человека. Эти поселения насчитывали не более 100-150 человек и были достаточно отдалены друг от друга. Примерно в радиусе 3-4 км от поселения природный ландшафт подвергался довольно сильной деформации - естественный биогеоценотический покров постепенно преобразовывался в агроценозы (обрабатываемые поля, огороды и т.д.). Площадь обрабатываемых участков была невелика, ближайшее окружение поселения представляло собой мозаику преобразованных и естественных ландшафтов, обладая еще очень высоким экологическим потенциалом. В радиусе до 10-15 км ландшафт был еще менее преобразован человеком, который использовал его как охотничьи угодья и естественную кладовую (сбор ягод, грибов, орехов, меда и т.д.). В целом человек верхнего неолита в силу своей малочисленности (считают, что население Земли в то время не превышало 1-1,5 млн. чел.) и сравнительно невысокого удельного давления на природу хорошо "вписывался" в биотический круговорот, хотя первый антропогенный экологический кризис, вызванный перепромыслом крупных животных (кризис консументов), пришелся именно на это время.
Важнейшим фактором, появившимся в связи с развитием земледелия и оказавшим серьезное воздействие на состояние здоровья людей, стало повышение плотности населения, что привело к распространению различных инфекционных заболеваний. Жизнь людей в поселках привела к ухудшению санитарного состояния населения. Вокруг поселений стали скапливаться отбросы, нечистоты, происходило загрязнение почвы и водоемов, что способствовало распространению возбудителей инфекции. Экологические последствия древних поселений на природу: органическое истощение почв в результате выращивания сельскохозяйственных культур, вырубка лесов при заготовке древесины, перевыпас домашних животных, приводившие к эрозии почв.
Возникновение городов и организаций городской среды относят к рубежу 4-3-го тысячелетий до н.э. В начале 7-го тысячелетия до н.э. был сооружен первый из известных городов – Иерихон. Начиная с середины 4-го тысячелетия до н.э. на Ближнем востоке, в Междуречье и Египте города стали объединяться и образовываться государства. Первые городские поселения базировались на сельском хозяйстве.
Образование городов вело к концентрации населения, организации систем снабжения продовольствием и коммуникаций, концентрации экономической жизни и культуры, к расширению пашни и сокращению лесных массивов, снижению численности видового разнообразия. С образованием городов была связана вырубка леса и сведение растительности на больших территориях, расширение зон выпаса скота. Жители Вавилона употребляли преимущественно растительную пищу. Мясо заменяла рыба, которую местные жители ловили в городских каналах.
Расцвет рабовладельческого строя стал одновременно и порой расцвета городов древнего мира, достигших внушительных размеров. Так, например, Вавилон (Ассирия) и Мемфис (Египет) насчитывали по 80 тысяч, Афины в период правления Перикла - 300 тысяч, Карфаген - 600 тысяч, а Рим эпохи Августа Октавиана - даже 1 млн. жителей. Древние города за небольшим исключением отличались скученностью населения, низким уровнем благоустройства. Плотность населения в Александрии времен царицы Клеопатры достигала 760 чел./га, в Риме при императоре Августе составляла 1500 чел./га (этот показатель у современных Лондона, Токио и Нью-Йорка составляет соответственно 700, 920 и 1000 человек на 1 гектар), ширина улиц не превышала 1,5-4 метров. Большое движение на узких улицах (всадники, колесницы) создавало непрерывный шум.
Давление на природу, окружавшую города, вследствие более интенсивных, чем ранее, земледелия и животноводства резко возросло - мозаичные ландшафты в пригородах уступали место монокультурам, эрозия почв стала обычным явлением. Богатея на грабежах и войнах, забирая с огромных территорий продукты питания, ткани, кожу, предметы роскоши, города становились не только социальными, но и экологическими паразитами. Так, Древний Рим забирал воду из всех окрестных источников в радиусе до 100 км. На каждого жителя центральной части Рима расходовалось огромное количество воды - свыше 1000 л в сутки (это в 2-3 раза превосходит водопотребление современных западноевропейских столиц).
Не вполне здоровыми были и оживленные густонаселенные районы Древнего Рима, располагавшиеся в сырых, плохо проветриваемых низинах, называвшихся Клоакой. В последующие эпохи это имя стало нарицательным. Все это нередко приводило к вспышкам эпидемий. Так, первая пандемия чумы, вошедшая в литературу под названием "Юстиниановой чумы", возникла в VI веке в Восточной Римской империи и охватила многие страны мира. За 50 лет эта чума унесла около 100 млн. человеческих жизней (почти одну треть населения древнего мира).
Уже в древнюю эпоху у многих философов и других ученых древности возникают сомнения относительно целесообразности общественного и функционального устройства современных им городов. Платон, Аристотель, Гипподам Милетский, Гиппократ, Витрувий и другие мыслители выступали с трактатами, в которых рассматривались вопросы оптимального размера поселений и их общественного устройства, гигиены поселений и их благоустройства, планировки городов и многообразные проблемы строительного искусства и архитектуры.
В эпоху античности (8 в до н.э.) происходят заметные изменения в природе в результате давления со стороны общества: активно осваивается побережье Средиземного моря, идет сильная вырубка лесов и выпас скота на слонах Балканских гор, что приводит к интенсивной эрозии почв. В эту эпоху начался процесс добычи полезных ископаемых (руд металлов), что привело к серьезным нарушениям окружавших города ландшафтов.
В средневековье вместе с пришедшим на смену рабовладельческому строю феодализмом зародился новый тип города - город-крепость, окруженный мощными оборонительными сооружениями. Средневековые города, как правило, уступали по размерам поселениям древнего мира и редко насчитывали более нескольких десятков тысяч жителей. Численность населения наиболее крупных из них, например Лондона и Парижа, достигала в XIV веке соответственно 100 тысяч и 30 тысяч жителей. В этот период наблюдалось значительная нехватка пищевых ресурсов, качество питания было весьма низким, велики были показатели смертности от голода. Это связано с постоянными войнами, эпидемиями, частыми неурожаями. Главной угрозой для жителей оставались эпидемии. Вторая пандемия чумы - "черная смерть", вспыхнувшая в XIV веке, унесла, например, почти треть населения Европы. Полное отсутствие благоустройства в средневековых городах приводило и к трагедиям иного рода - известно, например, что в одном из европейских городов прямо на улице утонул некий феодал, на земле которого стоял город.
В эпоху средневековья более интенсивно стали развиваться города. Площадь городов обычно была невелика, но в них на сравнительно малой площади было сконцентрировано большое количество людей. Так, плотность населения в старинных кварталах Алжира, была выше плотности населения в старых районах современного Дели – 200 и 150 тыс. человек на км2. Средневековые города отличались крайне неблагоприятной для жизни и здоровья людей обстановкой. Несовершенство системы вывода отходов производства и нечистот (иногда ее полное отсутствие), недостаток чистой питьевой воды, высокая плотность заселения (особенно в бедных кварталах) - все это способствовало развитию массовых эпидемий холеры, брюшного тифа, чумы и др. В эпоху средневековья стали появляться первые законодательные акты, направленные на охрану окружающей среды.