Розробка та дослідження системи автоматизованого моніторингу островів тепла для потреб урбанізованого фермерства

Abstract

Актуальність теми. Заміни природного ландшафту штучним середовищем призвели до зміни екосистеми та фізичних властивостей поверхні, таких як теплоакумулююча здатність та властивості теплопровідності [1]. Це ускладнює передачу тепла між міськими районами та довкіллям. Одним з аспектів формування якості довкілля у великому місті наразі є прояви ефекту острова тепла (ОТ) – локального метеорологічного феномену різниці температур між центром міста та його периферією, який являє собою одну з найбільш значних змін клімату міста, викликаних людиною. Зображення температури поверхні землі (Land Surface Temperature, LST) з різних супутників широко використовуються для дослідження міського теплового середовища. Карти LST забезпечують повне просторове охоплення, що відрізняє їх від точкових даних про температуру повітря, отриманих з метеорологічних станцій. Зважаючи на це, в останні десятиліття зростає науковий інтерес до вивчення проблеми так званих міських островів тепла (Urban Heat Islands, UHI). "Міські острови тепла" виникають, коли міста замінюють природний покрив землі щільними концентраціями тротуарів, будівель та інших поверхонь, які поглинають і утримують тепло. Цей ефект призводить до збільшення витрат на споживання електроенергії (наприклад, на кондиціонування повітря), підвищується рівень забруднення повітря, а також захворюваність та смертність, пов’язані зі спекою. Так, наприклад, темні поверхні (низьке альбедо) поглинають більше енергії від сонячного світла, ніж поверхні, що відбивають світло (високе альбедо). Поглинена енергія з часом виділяється у вигляді теплової енергії, яку людина може відчути. Різницю температур між поверхнями з високим і низьким альбедо можна побачити за допомогою інфрачервоної камери. З іншого боку, у сучасному світі стрімко розвивається так зване "міське та приміське сільське господарство", або "урбанізоване сільське господарство". За даними FAO, цей термін можна визначити як практичну діяльність, що дозволяє отримувати продукти харчування та іншу сільськогосподарську продукцію на території міст і прилеглих районів. У такому виробництві беруть участь, насамперед, саме міські та приміські суб’єкти, у тому числі міські спільноти. Урбанізоване сільське господарство включає в себе: місця, політику, установи, системи, екологічні умови та методи господарювання, значною мірою передбачає використання та відновлення місцевих ресурсів для задоволення мінливих потреб місцевого населення, переслідуючи безліч цілей і виконуючи різні функції В Україні, станом на перші десятиріччя ХХІ сторіччя, цей тренд мало розвинений, хоча його перспективи та потенціал достатньо великі. Мегаполіси, які поки що є нетрадиційними для практик рослинництва, мають певні особливості, що можуть бути вдало використані в аграрному виробництві. Характерною відмінністю великих міст є вищі, порівняно з навколишніми селами й незаселеними територіями, температури протягом року. Розподіл температур є нерівномірним, спостерігаються осередки ОТ, що влітку негативно впливають на якість життя населення. За державного регулювання для компенсації негативного впливу ОТ в плани міст закладали зелені зони парків та скверів. Характерна для мегаполісів України в ХХІ сторіччі комерційна забудова передбачає ущільнення й мінімізацію "зелених зон", і питання балансування населення й необхідних для здоров’я рослин стало вкрай актуальним. Отже, пошук і аналіз просторового розподілу міських островів тепла є важливим завданням у сучасних дослідженнях навколишнього середовища. Це дозволить використовувати ефективні методи боротьби і запобігання негативному впливу теплових аномалій з одного боку, і розвивати урбанізоване сільське господарство з іншого. На основі сказаного вище, головною метою даної кваліфікаційної магістерської роботи є аналіз закономірностей просторово часових змін проявів ефекту острова тепла в межах м. Києва, заснований на виявленні вихідного довгохвильового випромінювання міста, зареєстрованого тепловою космічною зйомкою, та дослідження впливу зелених зон міста на зменшення інтенсивності ОТ. Для досягнення мети були поставлені наступні завдання: - висвітлити теоретико-методологічні основи дослідження "острова тепла"; - дослідити поширення ефекту острова тепла у світі; - встановити закономірності поширення та дослідити особливості формування феномену острова тепла на території міст України; - побудувати та проаналізувати просторово-часові ряди даних супутникової зйомки у тепловому діапазоні в період з 1992 року по 2018 рік для міста Києва; - охарактеризувати території міста Києва за ступенем теплового навантаження; - визначити вплив зелених зон на зміну температури повітря в районах м. Києва; - виявити закономірності перепаду температур в межах острова тепла. Об’єктом дослідження виступає ефект "острова тепла", а предметом – причини виникнення "острова тепла" та вплив зелених зон на зменшення інтенсивності прояву ОТ та на можливості розвитку урбанізованого фермерства. Основними методами дослідження є: описовий, історичний, аерокосмічний, картографічний, аналіз і синтез, географічний аналіз, а також методи порівняння і узагальнення.