اثر جزیرۀ گرمایی شهری و علوم پایداری: علل، پیامدها و راهکارها
دارن رادل، آنتونی بریزل، وینستون چاو، آریان میدل
Darren Ruddell, Anthony Brazel, Winston Chow, Ariane Middel
برگردان به فارسی: فصلنامه صنوبر
پدیدۀ جزیرۀ گرمایی شهری (Urban Heat Island – UHI) به عنوان یکی از مهمترین تأثیرات فعالیت‌های انسانی بر سیستم اقلیمی محلی شناخته می‌شود که نخستین بار توسط لوک هاوارد، هواشناس انگلیسی در سال ۱۸۳۳ در لندن مورد مطالعه قرار گرفت. او با مقایسۀ دمای شهر لندن و مناطق روستایی اطراف دریافت که دمای شهر به دلیل ساختار فیزیکی خاص، تراکم بالای جمعیت و مصرف زیاد سوخت، به‌طور محسوسی بالاتر از مناطق پیرامونی است. این کشف آغازگر مطالعات گسترده در زمینۀ تغییرات اقلیمی ناشی از فعالیت‌های شهری بود.
شتاب شهرنشینی در دو قرن اخیر این پدیده را به چالشی جهانی تبدیل کرده است. بر اساس آمارهای سازمان ملل متحد، سهم جمعیت شهری جهان از تنها ۳ درصد در سال ۱۸۰۰ به بیش از ۵۲ درصد در سال ۲۰۱۴ رسیده است. این رشد شتابان همراه با افزایش تعداد شهرهای بزرگ بوده است؛ به‌طوری که تعداد شهرهای میلیونی از ۸۶ شهر در سال ۱۹۵۰ به ۵۱۲ شهر در سال ۲۰۱۶ افزایش یافته و پیش‌بینی می‌شود این رقم تا سال ۲۰۳۰ به ۶۶۲ شهر برسد. همچنین تعداد کلان‌شهرها (شهرهایی با جمعیت بیش از ۱۰ میلیون نفر) از ۳۱ شهر در سال ۲۰۱۶ به احتمال زیاد به ۴۱ شهر در سال ۲۰۳۰ خواهد رسید.
مکانیسم تشکیل جزیرۀ گرمایی شهری از طریق تغییر در تعادل انرژی سطحی (Surface Energy Balance) قابل توضیح است. این تغییرات شامل سه دستۀ اصلی می‌شود: اول، تغییر در شارهای تابشی که شامل افزایش جذب تابش کوتاه موج به دلیل چندبار بازتابش در کانیون‌های شهری و کاهش تابش طول موج بلند به دلیل محدودیت دید آسمان (Sky View Factor) می‌شود. دوم، تغییر در شارهای آشفته که مشتمل بر کاهش شار گرمای نهان به دلیل کاهش سطوح نفوذپذیر و تبخیر-تعرق و افزایش شار گرمای محسوس ناشی از مصالح ساختمانی خاص است. سوم، منابع گرمای اضافی که شامل گرمای زائد انسانی از وسایل نقلیه، صنایع و سیستم‌های تهویۀ مطبوع و همچنین ذخیرۀ گرمایی در مصالح ساختمانی با ظرفیت گرمایی بالا می‌شود.
در مطالعات علمی، چهار نوع مختلف از جزیرۀ گرمایی شهری شناسایی شده است: نوع زیرسطحی (Subsurface) که به دمای زیر سطح زمین مربوط می‌شود، نوع سطحی (Surface) که دمای پوستۀ سطح زمین را شامل می‌شود، نوع لایۀ کانُپی شهری (Urban Canopy Layer) که به لایۀ جو بین سطح زمین و ارتفاع متوسط ساختمان‌ها اشاره دارد، و نوع لایۀ مرزی شهری (Urban Boundary Layer) که پایین‌ترین لایۀ جو و مستقیماً تحت تأثیر مناطق شهری قرار می‌گیرد.
عوامل متعددی در تشدید پدیدۀ جزیرۀ گرمایی شهری نقش دارند که می‌توان آن‌ها را در سه دستۀ کلی طبقه‌بندی کرد. عوامل فیزیکی شامل مصالح ساختمانی مانند بتن و آسفالت با ضریب پذیرش گرمایی بالا، هندسۀ شهری به ویژه کانیون‌های شهری۱ با نسبت ارتفاع به عرض زیاد، و کاهش پوشش گیاهی و سطوح نفوذپذیر می‌شود. عوامل انسانی مشتمل بر تراکم فعالیت‌های صنعتی و حمل‌ونقل، مصرف انرژی برای سرمایش و گرمایش، و تولید گرمای زائد از سیستم‌های مکانیکی است. عوامل اقلیمی نیز شامل نوع آب‌وهوای منطقه ، پوشش ابر و سرعت باد، و وجود منابع آبی مجاور می‌شود.
پیامدهای جزیرۀ گرمایی شهری بسیار گسترده و چندبعدی است. در بعد بهداشتی، این پدیده منجر به افزایش مرگ‌ومیر ناشی از گرمازدگی (مانند ۷۰۰ مورد فوتی در موج گرمای شیکاگو در سال ۱۹۹۵)، تشدید بیماری‌های قلبی-تنفسی و کاهش کیفیت زندگی به‌ویژه برای گروه‌های آسیب‌پذیر مانند سالمندان و کودکان می‌شود. در بعد انرژی، شاهد افزایش ۲۰ تا ۳۰ درصدی مصرف انرژی برای سرمایش، افزایش پیک مصرف در ساعات گرم روز و افزایش تولید گرمای زائد از سیستم‌های خنک‌کننده هستیم. تأثیرات محیط‌زیستی شامل تشدید آلودگی هوا و تشکیل ازن سطحی، تغییر الگوهای بارش شهری و کاهش کیفیت آب‌های سطحی است. در بعد اقتصادی نیز شاهد افزایش هزینه‌های بهداشتی و درمانی، فشار بر زیرساخت‌های انرژی و کاهش بهره‌وری نیروی کار هستیم.
راهکارهای مقابله با این پدیده را می‌توان در سه سطح کلی دسته‌بندی کرد: راهکارهای سبزسازی شامل توسعۀ جنگل‌های شهری و پارک‌ها، ایجاد بام‌ها و دیوارهای سبز و توسعۀ کشاورزی شهری می‌شود. راهکارهای فناورانه مشتمل بر استفاده از سقف‌ها و کفپوش‌ها، آسفالبت یا سنگفرش‌های بازتابنده (Cool Roofs)، به‌کارگیری مصالح ساختمانی با آلبدوی۲ بالا و طراحی سیستم‌های تهویۀ طبیعی در ساختمان‌هاست. راهکارهای برنامه‌ریزی نیز شامل طراحی شهری با توجه به الگوهای باد محلی، افزایش تراکم ساختمانی بهینه و ایجاد مناطق عابر پیاده و کاهش وسایل نقلیۀ موتوری می‌شود.
مطالعات موردی انجام شده در شش شهر مختلف جهان نشان می‌دهد که شدت و ویژگی‌های جزیرۀ گرمایی شهری به شرایط محلی وابسته است. در پکن با آب‌وهوای قاره‌ای مرطوب، شدت UHI به ۳۷/۳ درجۀ سانتی‌گراد می‌رسد و چالش اصلی آلودگی هوا و مصرف انرژی است. لاگوس با آب‌وهوای ساوانای گرم شاهد UHI بیش از ۷ درجه سانتی‌گراد است که رشد سریع سکونتگاه‌های غیررسمی علت اصلی آن محسوب می‌شود. مکزیکوسیتی با آب‌وهوای نیمه‌گرمسیری مرتفع، UHI شبانه تا ۸/۷ درجۀ سانتی‌گراد را تجربه می‌کند که ارتفاع شهر در آن نقشی تعدیل‌کننده دارد. لندن با آب‌وهوای اقیانوسی، UHI حدود ۵/۴ درجه سانتی‌گراد دارد و موج گرمای ۲۰۰۳ با تلفات انسانی زیاد در این شهر تجربه شده است. سنگاپور با آب‌وهوای جنگل‌های بارانی گرمسیری شاهد افزایش UHI از ۳ به ۷ درجه سانتی‌گراد بین سال‌های ۱۹۶۵ تا ۲۰۰۴ بوده و چالش اصلی آن رطوبت بالا و مصرف مداوم انرژی است. فینیکس با آب‌وهوای بیابانی گرم، UHI حدود ۳/۷ درجۀ سانتی‌گراد دارد و سالانه ۱۰۷ روز با دمای بالای ۳۸ درجۀ سانتی‌گراد را تجربه می‌کند.
اجرای راهکارهای کاهش UHI با موانع متعددی روبه‌روست که شامل محدودیت‌های مالی برای پروژه‌های سبزسازی، قوانین محدودکنندۀ شهرداری‌ها و انجمن‌های محلی، تناقض بین نیاز به فضای سبز و کمبود منابع آبی در مناطق خشک و مقاومت فرهنگی در برابر تغییر الگوهای ساخت‌وساز می‌شود.
در جمع‌بندی باید گفت پدیدۀ جزیرۀ گرمایی شهری نمونه‌ای بارز از تعامل پیچیده بین سیستم‌های انسانی و طبیعی است که مقابله با آن نیازمند رویکردی یکپارچه است. این رویکرد باید ابعاد محیط‌زیستی، اجتماعی و اقتصادی را همزمان مدنظر قرار دهد، راهکارهای بومی‌سازی‌شده متناسب با شرایط اقلیمی هر منطقه را ارائه کند، مشارکت همۀ ذینفعان از برنامه‌ریزان شهری تا شهروندان عادی را جلب نماید و سرمایه‌گذاری در پژوهش و توسعۀ فناوری‌های پایدار را تضمین کند. علم پایداری با ارائۀ چارچوبی نظام‌مند برای تحلیل این تعاملات، می‌تواند نقش مهمی در طراحی شهرهای مقاوم در برابر تغییرات اقلیمی ایفا کند که موفقیت آن مستلزم همکاری بین‌رشته‌ای و تعهد بلندمدت سیاسی و اجتماعی است.
پی‌نوشت:
- کانیون‌های شهری (Urban Canyons)به خیابان‌ها یا معابر باریکی گفته می‌شود که توسط ساختمان‌های بلند از دو طرف محصور شده‌اند و شکلی مشابه دره‌های عمیق (کانیون‌های طبیعی) ایجاد می‌کنند. این پدیده به‌ویژه در مراکز شهرهای بزرگ و مناطق تجاری پرتراکم دیده می‌شود.
- آلبدو (Albedo) بهتوانایی یک سطح در بازتاباندن نور خورشید اشاره دارد و به صورت درصدی بین صفر تا ۱۰۰ اندازه‌گیری می‌شود. هرچه آلبدو بالاتر باشد، سطح مورد نظر نور بیشتری را بازمی‌تاباند و گرمای کمتری جذب می‌کند. این مفهوم نقش کلیدی در اقلیم شهری و اثر جزیره گرمایی دارد.