Тепло больших городов

Главенствующая роль антропогенного фактора в изменении климата не подвергается сомнению подавляющим большинством климатологов. Но одновременно все больше внимания уделяется другим, менее масштабным, но существенным субъектам влияния на процессы, участвующие в формировании климата. Один из таких субъектов — усиление взаимосвязей двух сред: среды крупных мегаполисов и окружающей их среды.

Сейчас в мире не менее 350 мегаполисов — городов с более чем миллионом жителей, почти треть из них приходится на Китай, 16 — на Россию. Каждый мегаполис в большей или меньшей степени представляет собой «городской остров тепла» — этот термин ввел два века назад британский метеоролог Люк Говард. Городской остров тепла — метеорологическое явление, выраженное в более высокой температуре городского пространства в сравнении с окружающими селами. Разница температур между городом и предместьями, как правило, составляет несколько градусов, иногда даже десять и больше градусов.

Городские острова тепла возникают из-за совокупного действия нескольких факторов. Это и различия в свойствах (в теплоемкости, теплопроводности и альбедо, то есть отражательной способности поверхности) городских бетона и асфальта и сельского грунта; и дефицит испарения (способствует испарению) в городах, и блокирование ветра высотными зданиями (препятствует выравниванию температур).

И конечно, это первоисточники тепла. Можно выделить два основных типа такого первоисточника: естественный (нагрев за счет солнечной энергии) и антропогенный (тепло, попадающее в атмосферу при отоплении жилых и офисных помещений, работе промышленных предприятий и транспорта и пр.). Преобладание того или иного типа для каждого города, очевидно, определяется главным образом его географическим положением: естественный характерен для южных городов, антропогенный — для высоких широт, в умеренных же широтах, где заметную роль играет сезонный ход, упомянутые типы сменяют друг друга.

Мнения ученых о влиянии городских островов тепла на климат крайне разноречивы: от пренебрежимо малого до утверждений, будто «города меняют климат на площади в 2–4 раза большей, чем их собственная», и даже — что городские острова «способствуют потеплению климата примерно на 30%»!

Удивляться такому разбросу оценок едва ли стоит — сделаны они на очень скудном фактическом материале. Накопление информации на местах с последующим ее обобщением должно стать надежной основой дальнейших исследований. На ближайшее время это, пожалуй, главное в изучении влияния городских островов тепла на климат и здоровье людей.

Что не исключает необходимости исследовать другие аспекты этого природно-антропогенного феномена. Так же, как и принимать меры для устранения или смягчения его нежелательных последствий.

Существуют рекомендации по организации таких мер. Среди них:

а) использование белых или отражающих материалов при строительстве домов, крыш, тротуаров и дорог, что увеличивает общее альбедо города (чем светлее поверхность, тем больше энергии она отражает, чем темнее, тем больше поглощает);

б) озеленение городов (преимущественно лиственными деревьями): увеличение древесного и растительного покрова снижает температуру, обеспечивая тень и охлаждение за счет испарения воды в атмосферу; деревья и растительность также могут уменьшить сток ливневых вод и защитить почву от эрозии; кроме того, качество воздуха улучшается по мере того, как растения поглощают углекислый газ с одновременным производством кислорода;

в) разумное планирование городов: рост площадей городских парков и рекреационных зон, пропорциональный росту площадей урбанизированных территорий, способствует защите природной среды и др.

Обсуждается использование воздушных тепловых насосов, которые могут забирать тепло из воздуха снаружи здания и отдавать его внутрь при обогреве или перемещать из помещения на улицу при охлаждении.

Прикладываются также усилия к «индивидуальной защите» населения, например, разработан текстиль для радиационного охлаждения и защиты от городских островов тепла.

Нетрудно заметить, что реализация перечисленных рекомендаций наиболее эффективна для ослабления действия естественного солнечного излучения, то есть годится в дело преимущественно в южных городах.

Но Россия страна северная, как сказал поэт — «у ней особенная стать». Для нее куда актуальнее антропогенный тип источника тепла.

Оценить количество антропогенного тепла, которое город «дарит» атмосфере, очень непростая задача. Для начала надо дискретно рассчитать антропогенный поток тепла от каждого здания в данный момент времени и за весь отопительный сезон — а поток зависит от количества поданного в здание тепла, высотности здания и его объема, свойств использованных при строительстве материалов, потерь при вентиляции, назначения здания и т. д. Затем суммировать утечки тепла от каждого из городских строений и добавить оценку потерь тепла при использовании различных подземных магистралей — от водоснабжения до метрополитена.

Абсолютно точно учесть в расчетах все вышеперечисленное вряд ли возможно. Приходится пользоваться типовыми методиками, основанными на официальных нормативных документах (строительных нормативах и правилах (СНиП), Межгосударственном стандарте и др.), в которых указаны средние значения.

С одной стороны, такой подход значительно упрощает расчеты, с другой — он, очевидно, становится причиной больших погрешностей в них, раз всякая группа строений оказывается «постриженной под одну гребенку» без учета индивидуальных особенностей.

Специалисты Главной геофизической обсерватории и Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета разработали два алгоритма, позволяющих вычислять городские антропогенные потоки тепла.

Первый из них основан на учете площадей ограждающих конструкций (стен, чердачных перекрытий и перекрытий над неотапливаемыми подпольями и пр.) здания. По этому алгоритму антропогенный поток тепла здания определяется как произведение разности температур внутри и снаружи здания, площади ограждающих конструкций и коэффициента, численно характеризующего их теплопередачу; затем потоки от всех городских строений суммируются.

Второй алгоритм построен на том соображении, что удельная теплозащитная характеристика здания должна быть не больше нормируемого значения, принимаемого в зависимости от отапливаемого объема здания и градусо-суток отопительного периода в регионе.

Вычисляются отапливаемые объемы зданий и оценивается суммарный поток тепла, создаваемый этими объемами в масштабах города.

Зависимость антропогенного потока тепла от численности населения очевидна: там, где больше жителей, больше и число жилых и производственных помещений.

Другая лежащая на поверхности связь — местоположение города: на российском юге потребности в обогреве значительно скромнее, к тому же отопительный сезон много короче. Как следствие, наименьшие антропогенные потоки тепла присущи городам, находящимся ниже 45° северной широты,— Ростову-на-Дону и Краснодару (города-миллионники), Ставрополю, Севастополю, Махачкале.

Оценки, полученные при втором подходе, чаще оказывались больше, чем в первом; максимальное расхождение — в крупнейших мегаполисах, Москве и Санкт-Петербурге,— около 40%. Для большинства городов разница между двумя подходами составляла ±10–15%, а знак в ней определялся главным образом местными особенностями градостроительства — характерной высотностью зданий, плотностью застройки и пр.

Теперь сопоставим антропогенные потоки тепла пяти крупнейших городов России с количеством солнечной радиации (инсоляции), получаемой каждым из них в течение холодного полугодия (см. таблицу).

Оценка грубая, но позволяет получить качественное представление об антропогенном вкладе в тепловой баланс городов: он соизмерим с солнечным. Четыре города из пяти в таблице расположены приблизительно на одной широте (55–56° с. ш.), поэтому на каждый квадратный метр их территории приходится примерно одинаковый поток солнечной радиации, а разница в суммарной инсоляции для каждого города определяется главным образом его площадью. Самый северный город — Санкт-Петербург — занимает второе место по величине получаемой суммарной инсоляции также благодаря относительно большой площади территории, хотя на каждый ее квадратный метр приходится существенно меньший поток солнечного излучения.

Таким образом, локальный вклад антропогенного потока тепла в формирование городского микроклимата, по всей видимости, весьма значителен.

А что же в большем, общероссийском и общемировом масштабе? Здесь в качестве небесспорного, во многом формального «эталона» для сравнения использована полугодовая выработка электроэнергии всеми электростанциями ЕЭС России в 2023 году.

Если сложить все приведенные на диаграммах величины, получится суммарный поток антропогенного тепла, производимый крупными российскими городами в течение одного отопительного сезона. Остается вычислить отношение этого суммарного потока антропогенного тепла к вышеуказанному «эталону»: энергия, идущая на обогрев городской атмосферы, составляет лишь 0,04% и 0,05% (в первом и втором подходах, соответственно) от российской выработки электроэнергии за полгода.

Напрашивается вывод, что потоки антропогенного тепла сказываются на окружающей среде и климате в региональном масштабе, но едва ли играют заметную роль в формировании глобального климата.

Но этот вывод не дает повода для благостных настроений. В грубом приближении вклад городского антропогенного потока тепла в поясе севернее 45-го градуса в общемировой картине формируется главным образом на российской территории — из крупных иностранных мегаполисов на широте 45° находятся лишь канадский Монреаль и китайский Харбин,— а этот вклад, как показано выше, пока невелик. Однако с городскими островами тепла, образующимися под действием солнечной радиации, ситуация иная.

Более трехсот мегаполисов расположены южнее по отношению к территории нашей страны, а значит, получают больше солнечной радиации, чем российские (см. рисунок), многие из них, в отсутствие сезонных изменений,— круглогодично. Оценка величины источаемого каждым мегаполисом потока тепла — отдельная история: помимо покрытий поверхности, площади зеленых зон требуют учета рельеф местности, крупные водоемы, конфигурация застройки и пр.

В любом случае, легко предположить, что российская лепта в суммарный глобальный эффект в этом случае едва ли окажется значительной. Но это не значит, что не нужны исследования. Для целостной картины предстоит объединить результаты моделирования антропогенных и естественных потоков тепла в наших мегаполисах, чтобы создавать устойчивые городские экосистемы, способных решать сложные проблемы, вызванные изменением климата и возросшей городской жарой.