Все города и застроенные территории в той или иной степени испытывают феномен MWC. Основным фактором, определяющим это, является протяженность застроенной территории и ее размер. Одним из крупнейших городских островов тепла является столичный регион Токио, где проживает почти 40 миллионов человек. 

Впервые феномен MWC был изучен разработчиком классификации облаков Люком Говардом в 1810 году, но только в последние годы этому явлению уделяется больше внимания.

Причины образования городского острова тепла

Деревья и другие растения способствуют охлаждению окружающей среды благодаря тени и испарению содержащейся в них воды. Но как люди, мы не живем на деревьях. Вместо этого мы строим наши красивые дома и большие города из материалов, которые поглощают гораздо больше солнечной радиации, чем растения.

Темные материалы, обычно используемые для кровли, асфальт или бетон, имеют совершенно разные тепловые свойства, включая емкость и теплопроводность, а также альбедо - способность отражать солнечные лучи. И вот здесь возникает проблема. В течение дня солнце нагревает окружающую среду, а здания, дороги и тротуары поглощают это тепло, но в конечном итоге должны его отдавать. 

Не помогает и то, что здания построены близко друг к другу, да еще и по обеим сторонам улицы. Такие плотно расположенные здания создают эффект городского каньона, в котором солнечные лучи отражаются между зданиями, а тепло поглощается многими поверхностями. В то же время ветер блокируется высокими, плотно расположенными зданиями, что затрудняет воздушный поток. 

Кроме того, необходимо учитывать автомобили, которые также поглощают и отражают солнечный свет, но при этом сами выделяют тепло (и выхлопные газы) во время работы. Кроме того, в городе живут люди, которые также производят тепло. В результате температура в центре городского каньона повышается на 2-4 градуса C.

Эффекты городского теплового острова

Города растут, и увеличение площади застройки означает, что влияние городского теплового острова ощущается все сильнее.

Повышенное потребление энергии

Спрос на электроэнергию выше в зоне теплового острова. Это происходит из-за того, что в жаркую погоду люди тянутся к вентиляторам или кондиционерам, чтобы охладиться. Кроме того, в жаркую погоду холодильные приборы, такие как холодильники и морозильники, вынуждены работать больше. Кстати, все эти приборы также выделяют тепло во время работы. 

При увеличении спроса на электроэнергию возможна перегрузка электросети и, как следствие, перебои в подаче электроэнергии или отключение электричества. Это одна из причин, почему имеет смысл инвестировать в возобновляемые источники энергии, чтобы облегчить нагрузку на электростанции и не быть полностью зависимыми от энергосистемы.

Больше загрязнений

Вышеупомянутый повышенный спрос на энергию также приводит к увеличению выбросов. Чтобы удовлетворить возросший спрос на электроэнергию, электростанции сжигают больше ископаемого топлива, в результате чего в атмосферу выбрасывается больше парниковых газов. Это не было бы проблемой, если бы больше энергии поступало от ВИЭ.

Кроме того, MWC может способствовать образованию фотохимического смога. Выхлопные газы, выбрасываемые автомобилями (точнее, оксиды азота и углеводороды), в сочетании с солнечным светом и повышением температуры в городах способствуют образованию озона.

Негативное влияние на здоровье

Эффект городского острова тепла влияет не только на окружающую среду, но и на наше здоровье. Более высокая температура означает большую подверженность обезвоживанию, или тепловому удару. MWC также может увеличить продолжительность тепловой волны, чего следует особенно опасаться пожилым людям и детям.

Кроме того, высокая температура просто изнуряет, а тепло, поглощаемое в течение дня зданиями и дорогами, не позволяет температуре в городе опуститься до сельской ночью, так что в городе даже нет времени отдышаться от жары.

Смягчение последствий

Чтобы смягчить эффект городского теплового острова в городах, необходимо уменьшить количество темных поверхностей, которые поглощают больше солнечных лучей. Существует несколько способов сделать это:

• Городское озеленение. Это, пожалуй, один из самых очевидных способов смягчения городского климата. Ответственное планирование городских пространств с выделением места для растительности поможет увеличить количество отраженного солнечного света, кроме того, деревья дают тень в солнечные дни. Кроме того, городская зелень фильтрует воздух, положительно влияет на наше самочувствие и служит средой обитания для животных. Только положительные стороны.
• Зеленые крыши. Еще один интересный способ - покрыть крыши растительностью. Подобно растениям на земле, они увеличивают количество отраженного солнечного света, тем самым способствуя снижению температуры в городе. Но это довольно дорогое решение, и не каждая крыша подходит для него.
• Белые крыши. Это, вероятно, самое экономически эффективное решение для увеличения альбедо города. Простая покраска крыши в белый цвет может значительно снизить поглощение тепла крышами зданий.

В итоге, чтобы смягчить климат в городе, необходимо гораздо больше городских зеленых насаждений. Темные поверхности необходимо заменить на светлые, отражающие свет, и в то же время необходимо решительно сократить бетонирование, от которого в последнее время страдают польские города.

Тропосфера. Нижний слой атмосферы называется тропосферой. Сам этот термин означает „сфера поворота" и связан с характеристиками турбулентности данного слоя. Все перемены погоды и климата являются результатом физических процессов, происходящих именно в этом слое. В XVIII веке, поскольку изучение атмосферы ограничивалось только этим слоем, считалось, будто обнаруженное в нем уменьшение температуры воздуха с высотой присуще и всей остальной атмосфере.

Различные превращения энергии происходят в первую очередь именно в тропосфере. Вследствие непрерывного соприкосновения воздуха с земной поверхностью, а также поступления в него энергии из космоса, он приходит в движение. Верхняя граница этого слоя располагается там, где уменьшение температуры с высотой сменяется ее возрастанием,— примерно на высоте 15—16 км над экватором и 7—8 км над полюсами. Как и сама Земля, атмосфера под влиянием вращения нашей планеты тоже несколько сплющена над полюсами и разбухает над экватором. Однако этот эффект выражен в атмосфере значительно сильнее, чем в твердой оболочке Земли.

В направлении от поверхности Земли к верхней границе тропосферы температура воздуха понижается. Над экватором минимальная температура воздуха составляет около —62°С, а над полюсами около —45°С. Однако в зависимости от пункта измерений температура может быть несколько иной. Так, над островом Ява на верхней границе тропосферы температура воздуха падает до рекордно низкого значения —95°С.

Верхняя граница тропосферы называется тропопаузой. В умеренных широтах более 75% массы атмосферы лежит ниже тропопаузы. В тропиках же в пределах тропосферы находится около 90% массы атмосферы.

Тропопауза была открыта в 1899 г., когда в вертикальном профиле температуры на некоторой высоте был обнаружен ее минимум, а затем температура незначительно повышалась. Начало этого повышения означает переход к следующему слою атмосферы — к стратосфере.

Стратосфера. Термин стратосфера означает „сфера слоя" и отражает прежнее представление о единственности слоя, лежащего выше тропосферы. Стратосфера простирается до высоты около 50 км над земной поверхностью. Особенностью ее является, в частности, резкое повышение температуры воздуха по сравнению с исключительно низкими значениями ее в тропопаузе. В умеренных широтах температура в стратосфере повышается примерно до —40°С. Это повышение температуры объясняют реакцией образования озона — одной из главных химических реакций, происходящих в атмосфере.

Озон представляет собой особую форму кислорода. В отличие от обычной двухатомной молекулы кислорода (О2). озон состоит из трехатомных его молекул (Оз). Появляется он в результате взаимодействия обычного кислорода с лучистой энергией, поступающей в верхние слои атмосферы.

Основная масса озона сосредоточена на высотах примерно 25 км, но в целом слой озона представляет собой сильно растянутую по высоте оболочку, охватывающую почти всю стратосферу. В озоносфере ультрафиолетовые лучи чаще и сильнее всего взаимодействуют с атмосферным кислородом. Лучистая энергия вызывает распад обычных двухатомных молекул кислорода на отдельные атомы. В свою очередь атомы кислорода часто снова присоединяются к двухатомным молекулам и образуют молекулы озона. Таким же образом отдельные атомы кислорода соединяются в двухатомные молекулы. Интенсивность образования озона оказывается достаточной для того, чтобы в стратосфере существовал слой высокой его концентрации.

Взаимодействие кислорода с ультрафиолетовыми лучами — один из благоприятных процессов в земной атмосфере, способствующих поддержанию жизни на Земле. Поглощение озоном этой энергии препятствует излишнему поступлению ее на земную поверхность, где создается именно такой уровень энергии, который пригоден для существования земных форм жизни. Возможно, в прошлом на Землю поступало большее количество энергии, чем теперь, что и оказывало влияние на возникновение первичных форм жизни на нашей планете. Но современные живые организмы не выдержали бы поступления от Солнца более значительного количества ультрафиолетовой радиации. Озоносфера поглощает часть лучистой энергии, проходщей через атмосферу. В результате этого в озоносфере устанавливается вертикальный градиент температуры воздуха примерно 0,62°С на 100 м, т. е, температура повышается с высотой вплоть до верхнего предела стратосферы — стратопаузы (50 км). На высотах от 50 до 80 км располагается слой атмосферы, называемый мезосферой. Слово „мезосфера" означает „промежуточная сфера", здесь температура воздуха продолжает понижаться с высотой. Выше мезосферы, в слое, называемом термосферой, температура снова растет с высотой примерно до 1000°С, а затем очень быстро падает до —96°С. Однако падает не беспредельно, потом температура снова увеличивается.

Ионосфера. Можно считать, что ионосфера начинается с высоты около 80 км над поверхностью Земли.

Расчленение атмосферы на отдельные слои довольно легко заметить по особенностям изменения температуры с высотой в каждом слое.

В отличие от упомянутых ранее слоев, ионосфера выделена не. по температурному признаку. Главная особенность ионосферы — высокая степень ионизации атмосферных газов. Эта ионизация вызвана поглощением солнечной энергии атомами различных газов. Ультрафиолетовые и другие солнечные лучи, несущие кванты высокой энергии, поступая в атмосферу, ионизируют атомы азота и кислорода — от атомов отрываются электроны, находящиеся на внешних орбитах. Теряя электроны, атом приобретает положительный заряд. Если же к атому присоединяется электрон, то атом заряжается отрицательно. Таким образом, ионосфера является областью, имеющей электрическую природу, благодаря которой становятся возможными многие виды радиосвязи. Ионосферу делят на несколько слоев, обозначая их буквами D, Е, F1 и F2 Эти слои имеют и особые названия. Разделение на слои вызвано несколькими причинами, среди которых самая важная—неодинаковое влияние слоев на прохождение радиоволн. Самый нижний слой, D, в основном поглощает радиоволны и тем самым препятствует дальнейшему их распространению.

Лучше всего изученный слой Е расположен на высоте примерно 100 км над земной поверхностью. Его называют также слоем Кеннелли — Хевисайда по именам американского и английского ученых, которые одновременно и независимо друг от друга обнаружили его. Слой Е, подобно гигантскому зеркалу, отражает радиоволны. Благодаря этому слою длинные радиоволны проходят более далекие расстояния, чем следовало бы ожидать, если бы они распространялись только прямолинейно, не отражаясь от слоя Е

Аналогичные свойства имеет и слой F. Его называют также слоем Эпплтона. Вместе со слоем Кеннелли—Хевисайда он отражаем радиоволны к наземным радиостанциями Такое отражение может происходить под различными углами. Слой Эпплтона расположен на высоте около 240 км.

Самая внешняя область атмосферы часто называется экзосферой.

Этот термин указывает на существование окраины космоса вблизи Земли. Определить, где именно кончается атмосфера и начинается космос, трудно, поскольку с высотой плотность атмосферных газов уменьшается постепенно и сама атмосфера плавно превращается почти в вакуум, в котором встречаются лишь отдельные молекулы. С удалением от земной поверхности атмосферные газы испытывают все меньшее притяжение планеты и с некоторой высоты стремятся покинуть поле земного тяготения. Уже на высоте примерно 320 км плотность атмосферы настолько мала, что молекулы,, не сталкиваясь друг с другом, могут проходить путь более 1 км. Самая внешняя часть атмосферы служит как бы ее верхней границей, которая располагается на высотах от 480 до 960 км.