Klimat miasta

Wiadomości podstawowe

2. Klimat obszarów zurbanizowanych

Ćwiczenie 3
Doświadczenia 

1. Wiatr w mieście

W mieście wskutek szybszego niż poza miastem ogrzewania się powietrza, zwłaszcza latem, mogą tworzyć się obszary niższego ciśnienia. Tereny poza miastem ogrzewają się wolniej i dlatego tam panuje wtedy wyższe ciśnienie.  

Powstaje więc różnica ciśnienia. Powietrze zaczyna się przemieszczać z obszarów pozamiejskich w kierunku miasta.Wiatr dostaje się do miasta głównymi ulicami a jego prędkość maleje o około 50%. W mieście prędkość wiatru może ponownie wzrosnąć na rogach ulic i placach do 20%. W takich miejscach wiatr powoduje lokalne zawirowania powietrza. W centrum miasta temperatura powietrza znacznie wzrasta, więc ciepłe powietrze wznosi się do góry, gdzie ochładza się i przemieszcza w kierunku przedmieść jako tzw. antybryza miejska. Tam opada jako powietrze chłodne i cięższe, i wraca do miasta w postaci bryzy miejskiej.

Możesz porównać taką cyrkulację powietrza w skali lokalnej z cyrkulacją powietrza w skali planetarnej, np. w regionach tropikalnych Ziemi, lub cyrkulacją monsunową. Zapytaj swojego nauczyciela geografii o szczegóły. 

2. Eksperyment

Ten eksperyment pozwoli Ci zrozumieć jak powstają wiry powietrza w czasie wiania wiatru.

2.1 Uwagi dotyczące bezpieczeństwa

- Eksperyment należy przeprowadzać tylko w laboratorium fizycznym lub chemicznym lub na zewnątrz budynku w pojemniku z piaskiem! 
- Eksperyment powinien być wykonywany tylko w obecności osoby dorosłej!
- Dokładnie wypełniaj podane instrukcje! W przeciwnym wypadku ogień lub prąd elektryczny mogą być niebezpieczne dla Twojego życia!
- W czasie eksperymentu należy mieć pod ręka piasek, koc gaśniczy i gaśnicę!
- Nigdy nie gaś ognia wodą! Używaj piasku, koca gaśniczego lub gaśnicy!
- Jeśli nie możesz ugasić ognia wezwij straż pożarną! 

Do wykonania eksperymentu potrzebne są:

1. Materiały potrzebne do eksperymentu
zdjęcie: Gert Bauer

1. Płyta kamienna jako miejsce eksperymentu.
2. Wełna, para nożyczek i klej do przymocowania wełnianych sznureczków wzdłuż brzegów modeli domów.
3. Modele budynków w postaci małych i dużych cegieł (lub kartonów po sokach wypełnionych wodą)
4. Aluminiowa miska na paliwo
5. Zapalniczka i szyszki jodłowe jako paliwo, które wywoła powstanie dymu
6. Suszarka do włosów i rulon z papieru (przymocowany do niej taśmą samoprzylepną)
7. Rozpylacz żeby zwilżyć szyszki jodłowe (produkcja dymu) 
8. Tablica albo duży arkusz czarnego kartonu jako tło

 2.2 Przygotowanie eksperymentu

2. Przygotowanie eksperymentu
zdjęcie: Gert Bauer

Ten uproszczony model składa się z kilku "domów", piaszczystego podłoża i tablicy jako tła. 
Wybraliśmy te materiały gdyż są niepalne. 

2.3 Przeprowadzenie eksperymentu:

1. Eksperyment przeprowadzamy na odpowiedniej płycie.
2. Sznureczki z wełny do mierzenia prędkości wiatru można łatwo przymocować do zewnętrznych krawędzi budynków. W miarę możliwości w przepływajacym strumieniu powietrza można umieścić drobinki styropianu lub popiołu dzięki czemu łatwo zobaczymy jak przepływa powietrze.
3. "Ulice" między "domami" można wyłożyć ognioodporną folią aluminiową.
5. Dym można wywołać paląc szyszki jodłowe. Inne sposoby otrzymywania dymu są opisane w ćwiczeniu 4).
6. Strumień powietrza (czyli "wiatr") można wytworzyć przy pomocy suszarki i tuby z papieru. Większość suszarek ma regulację mocy więc można zmieniać "prędkość wiatru". Można próbować używać wentylatorów, ale zazwyczaj trudno z ich pomocą uzyskać skanalizowany przepływ powietrza. 
7. Rozpylacz pomaga zwilżać szyszki jodłowe. 

Eksperyment 1

Najpierw sprawdzimy jak przepływa powietrze napotykając na swej drodze budynek wielopiętrowy.
Wiatr albo wznosi się do góry wzdłuż frontu budynku lub okrąża budynek. Prędkość wiatru wzrasta o 20%.

Najpierw kierujesz strumień powietrza z dymem na dłuższy bok ostatniego wysokiego budynku w rzędzie. Uruchomienie przepływu powietrza powinno nastąpić z odległości 30-50 cm na krawędź budynku, tak żeby strumień przemieszczał się bezpośrednio nad "domem". Odległość między "budynkiem" a suszarką można zmniejszyć aby uzyskać najlepszy efekt. Teraz możesz zmienić kąt pod jakim nakierujesz strumień powietrza o 45°. Strumień powietrza i dymu uderza teraz w bok "budynku". 

Kliknij na ikonkę "movie" żeby zobaczyć krótki film o przepływie powietrza wokół budynku. Autorzy filmu: G. Bauer, B. Wohlhofer. 

Uwaga:
Jeśli po kliknięciu na ikonkę nie można otworzyc pliku proszę zainstalować  Microsoft Media Player (TM) albo RealPlayer (TM).
Jeśli korzystasz z internetu przez modem lepiej pobrać ten plik i zachować go na dysku a następnie odtworzyć. Jeśli masz szybkie połączenie z internetem otwórz plik od razu! 

4. Strumień powietrza wzdłuż budynku 
Zdjęcie: Gert Bauer 

Kliknij na ikonkę "movie" żeby zobaczyć krótki film o eksperymencie! Autorzy filmu: G. Bauer, B. Wohlhofer.

 Eksperyment 2

A teraz sprawdzimy jak wiatr wieje ponad rzędem budynków i jak tworzy zawirowania.

Wiatr musi wiać równolegle do rzędu naszych "budynków". Źródło dymu musi być umieszczone przed dłuższym bokiem pierwszego budynku w rzędzie. Uruchomienie przepływu powietrza następuje na krawędzi "budynku", w odległości około 30-50 cm, tak, że wiatr wieje ponad dachami "domów". Teraz wiatr albo tworzy zawirowania wiejąc ponad dachami albo przemieszcza się wzdłuż ścian "budynków". 

6. Uproszczony przepływ powietrza wzdłuż rzędu budynków
Zdjęcie: Gert Bauer

Kliknij na ikonkę "movie" żeby zobaczyć krótki film o eksperymencie! Autorzy filmu: G. Bauer, B. Wohlhofer.

Eksperyment 3

W tym eksperymencie ważne jest aby ostatni "budynek" był około 3 razy wyższy niż "budynki" przed nim. Ponadto pośrodku powinno być miejsce imitujące plac miejski. Eksperyment ma pokazać jak wiatr wieje w mieście na rogach ulic jak również na placach miejskich, a także, że prędkość wiatru wzrasta tam o około 20%. Wiatr wieje z lewej strony i przemieszcza się kanionem miejskim. W czasie eksperymentu okazało się, że zawirowania były najsilniejsze kiedy strumień powietrza i dymu był kierowany w ulicę pod katem 45°.

7. Przepływ strumienia powietrza w skupisku budynków
Zdjęcie: Gert Bauer

Kliknij na ikonkę "movie" żeby zobaczyć krótki film o eksperymencie! Autorzy filmu: G. Bauer, B. Wohlhofer.

Po zakończeniu eksperymentów możesz jeszcze raz prześledzić ich przebieg na filmach.

Przedyskutuj wyniki eksperymentów z nauczycielem fizyki i chemii! 

3. Znaczenie wiatru w mieście

3.1 Testy w tunelach wiatrowych

Zanim zostaną wybudowane nowe dzielnice jakiegoś miasta, testuje się w tunelach wiatrowych jak będzie się kształtował przepływ powietrza i czy mogą wystąpić w jakichś miejscach bardzo silne wiatry, czego raczej należałoby unikać. Zdjęcie poniżej pokazuje model nowo wybudowanego Potsdamer Platz w Berlinie.

8. Model Potsdamer Platz w Berlinie
Zdjęcie: Elmar Uherek (wystawa klimatyczna w German Museum, Monachium)

Najważniejsze parametry wpływające na przepływ wiatru w mieście to pionowy profil prędkości wiatru i szorstkość podłoża. W tunelu wiatrowym te parametry są wytwarzane sztucznie. Przy pomocy takiej symulacji całe dzielnice miasta albo pojedyncze budynki mozna poddać szczegółowym testom. 

Wynik testu w tunelu wiatrowym może wyglądać tak: 

Źródło zdjęcia: http://www.stadtklima.de/stuttgart/websk21/Heft13/kap3.HTM

Dalsze informacje pod adresami:
http://www.ruscheweych.de/bauwesen.php
http://www.gfa.de/de/Windlasten/windlast.html

3.2. Obciążenie budynku wskutek działania siły wiatru

Obciążenie budynku wskutek działania siły wiatru waha się w czasowo i przestrzennie. Oddziałuje bezpośrednio na zewnętrzną powierzchnię budynków, w zależności od przeważającego kierunku i prędkości wiatru. Poniższa animacja z laboratorium aerofizycznego pokazuje zmiany obciążenia wiatrem:

Źródło animacji: http://www.gfa.de/de/Windlasten/windlast.html

Wymagania dotyczące modelu:

Geometryczne podobieństwo do oryginału oznacza, że trzeba zwrócic szczególną uwagę na skalę budynków. Przy modelu w skali 1:100 prędkość wiatru musi być 100 razy większa niż w rzeczywistości. Eksperyment powinien być tak zaplanowany aby można go powtórzyć gdziekolwiek i uzyskać ten sam wynik. Jednakże identyczne warunki można zagwarantować tylko w pomieszczeniach zamkniętych.

Dalsze informacje o drapaczach chmur na świecie:
po angielsku:
http://www.skyscrapers.com/re/en/
po niemiecku:
http://www.skyscrapers.com/re/ge/

O tej stronie:

Autorzy: G. Bauer, B. Wohlhöfer - University of Nürnberg - Niemcy
Konsultacja dydaktyczna: Prof. dr H. Schrettenbrunner, J. Heres - University of Nürnberg - Niemcy
Tłumaczenie na język polski: dr Anita Bokwa, Uniwersytet Jagielloński, Kraków
ostatnia aktualizacja: 09.09.2003