Encyklopedia Klimatologiczna ESPERE. Skrót od angielskich słów:
ENVIRONMENTAL SCIENCE PUBLISHED FOR EVERYBODY ROUND THE EARTH
ENCYKLOPEDIA ESPERE - menu główne (rozwiń)
Dział: Klimat Miasta. Poziom zaawansowany.
dział KLIMAT MIASTA: ZAAWANSOWANE - menu (rozwiń)

Bilans cieplny w mieście

Mieszkańcy miast mają czasem wrażenie, że w centrum miasta jest cieplej niż na jego peryferiach. W jaki sposób ogrzewa się powietrze w mieście? Jaką role odgrywa rodzaj zabudowy (tzw. kaniony miejskie)?

Bilans promieniowania (opisany w części "Bilans promieniowania") i bilans cieplny są ze sobą ściśle powiązane. Najpierw krótkofalowe promieniowanie słoneczne dociera do ziemi. Częściowo jest tu pochłaniane, a następnie oddawane jako promieniowanie długofalowe czyli ciepło do atmosfery. Powietrze ogrzewa się więc głównie od podłoża, a nie bezpośrednio od Słońca.

1. Ciepło dostarczone do atmosfery w terenie poza miejskim
Autor: Sebastian Wypych

Powierzchnia naturalna

Bilans cieplny powierzchni naturalnej, np. łąki, to różnica między energią zyskaną i utraconą wskutek wymiany opisanej następującym równaniem:

Q + H + L + G = 0

gdzie:
Q - bilans promieniowania (opisany w "Bilans promieniowania")
H - tzw. turbulencyjne ciepło odczuwalne (jawne), pochłonięte lub przekazywane w powietrzu lub glebie podczas zmiany temperatury
L - tzw. turbulencyjne ciepło utajone, uwalniane lub pochłaniane przy zmianie stanu skupienia wody (np. parowanie = pobieranie energii, zamarzanie = oddawanie energii)
G - ciepło przekazywane poprzez przewodzenie w gruncie

Słowo "turbulencyjny" oznacza, że ciepło jest przekazywane przez turbulentne ruchy powietrza, tzn. przypadkowe i zmienne ruchy powietrza, które nakładają się na główny kierunek wiatru czyli kierunek przemieszczania się powietrza.

Zauważ, że w ciągu dnia znaki poszczególnych składników równania są inne niż nocą (czyli kierunek przepływu ciepła jest inny):

Dzień: powietrze jest zimniejsze niż podłoże (ogrzewa się wolniej), więc przekaz ciepła ma tendencję do wyrównywania tej różnicy i ogrzewania powietrza:

Q - H - L - G = 0

Noc: po zachodzie Słońca nie ma dopływu energii słonecznej do powierzchni Ziemi, ciepło jest przekazywane od atmosfery do podłoża. Zwykle nocą podłoże wychładza się bardziej niż powietrze, gdyż powietrze ochładza się wolniej:

- Q + H + L + G = 0

2. Wschód i zachód Słońca określają momenty kiedy kierunki przepływu strumieni ciepła zaczynają się zmieniać.
Źródło: www.freefoto.com

Powierzchnia miasta

Bilans cieplny obszaru miasta jest bardziej skomplikowany niż bilans powierzchni naturalnej z powodu zabudowy miejskiej. Bilans musi więc zawierać Qp na oznaczenie wymiana ciepła poprzez przewodzenie w podłożu, ulicach, ścianach budynków:

Q + Qp + H + L + Qf = 0

jak również Qf - ciepło antropogeniczne dostarczane do atmosfery głównie poprzez spalanie paliw kopalnych.

Nie jest tu uwzględniony wpływ adwekcji, czyli napływu do miasta mas powietrza z zewnątrz, niosących pewną ilość ciepła, w tym przypadku można jednak ten wpływ zaniedbać. 

3. Ciepło dostarczane do atmosfery w mieście
Autor: Sebastian Wypych

Dodatkowe ciepło

Większość materiałów, z których buduje się miasta charakteryzuje się wysokim przewodnictwem cieplnym co oznacza, że dużo ciepła może przez nie przenikać w krótkim czasie, a wskaźnik ten wyraża się w W/m/K. Dlatego też miasto ochładza się znacznie wolniej w nocy niż tereny poza miejskie. Materiały, z których buduje się miasta posiadają także wysoki współczynnik przenikania ciepła (wyrażany w J/m2/s0.5/K). Wskaźnik ten określa zdolność danej powierzchni do pobrania lub uwolnienia ciepła, jest to różnica temperatury powstała wskutek przepływu danej ilości ciepła. Duże fabryki, np. huty żelaza, emitują ogromne ilości ciepła. Średnio jedna taka fabryka może dostarczać dziennie cztery razy więcej energii niż to co dociera do miejskiej atmosfery ze Słońca. W ciągu roku intensywność emisji ciepła antropogenicznego zmienia się podobnie jak natężenie miejskiej wyspy ciepła (opisanej w części "Miejska wyspa ciepła"). Jednakże w zimnych klimatach w zimie spalanie paliw kopalnych na potrzeby ogrzewania może dostarczyć więcej energii niż promieniowanie słoneczne, podczas gdy w klimatach gorących urządzenia klimatyzacyjne dostarczają dodatkowe ciepło do i tak już bardzo gorącego powietrza.

4. Przewodnictwo cieplne różnych materiałów
Autor: Anita Bokwa

Ważnym elementem struktury miasta są tzw. kaniony miejskie, czyli ulice wzdłuż których po obu stronach znajdują się wysokie budynki. Przypominają one kaniony rzeczne. Ilość promieniowania słonecznego docierająca do kanionu miejskiego zależy od wysokości budynków i od orientacji ulicy względem stron świata. Kolejnym czynnikiem kształtującym bilans cieplny kanionu miejskiego są właściwości materiałów użytych do budowy ulic i budynków, zarówno współczynnik przenikania ciepła jak też albedo. Wielokrotne odbicie promieniowania słonecznego od różnych powierzchni w kanionie miejskim powoduje jego "uwięzienie" i zwiększone pochłanianie (zobacz też: współczynnik odsłonięcia horyzontu opisany w części "Czynniki..."). Około 60% promieniowania słonecznego docierającego do kanionu miejskiego jest oddawane do atmosfery jako ciepło jawne, a 30% jest zatrzymywane w ścianach i podłożu. Tylko pozostałe 10% jest zużywane na parowanie, gdyż sztuczne nawierzchnie nie zatrzymują wody tak jak powierzchnie naturalne, a ponadto w mieście jest zazwyczaj mało terenów zielonych (czyli prawie naturalnych). Podane wartości mogą być jednak różne dla poszczególnych miast w zależności od ilości terenów zielonych, nawadniania itp.

   

5. Kanion miejski (po lewej) i kanion naturalny (powyżej)
fot. Sebastian Wypych (po lewej)

Źródło: CorelDRAW! (powyżej)

Autorzy: Sebastian Wypych, Anita Bokwa - Uniwersytet Jagielloński - Kraków 
Współpraca: Anna Gorol
1. Recenzent: prof. dr hab. Barbara Obrębska-Starklowa - Uniwersytet Jagielloński - Kraków 
2. Recenzent: dr Marek Nowosad - Uniwersytet Marii Curie-Skłodowskiej - Lublin 
ostatnia aktualizacja: 2003-11-22

Ostatnia modyfikacja: środa, 14 marzec 2018, 10:26