Атмосферные осадки и явления

Испарение водяного пара, его перенос и конденсация в атмосфере, образование облаков и выпадение осадков представляют собой единый комплексный климатообразующий процесс влагообо-рота, в результате которого происходит непрерывный переход воды с земной поверхности в воздух и из воздуха снова на земную поверхность. Осадки являются важнейшей составляющей этого процесса; именно им, наряду с температурой воздуха, принадлежит определяющая роль среди тех явлений, которые объединяются понятием «погода».

Атмосферными осадками называется влага, выпавшая на поверхность Земли из атмосферы. Атмосферные осадки характеризуются средним количеством за год, сезон, отдельный месяц или день. Количество осадков определяется высотой слоя воды в мм, образовавшегося на горизонтальной поверхности от выпавшего дождя, мороси, обильной росы и тумана, растаявшего снега, наста, града и снежной крупы при отсутствии просачивания в грунт, поверхностного стока и испарения.

Атмосферные осадки разделяются на две основные группы: выпадающие из облаков — дождь, снег, град, крупа, морось и др.; образующиеся на поверхности земли и на предметах — роса, иней, изморось, гололед.

Осадки первой группы напрямую связаны с другим атмосферным явлением — облачностью, которая играет важнейшую роль во временном и пространственном распределении всех метеорологических элементов. Так, облака отражают прямую солнечную радиацию, уменьшая ее приход к земной поверхности и меняя условия освещенности. В то же время они увеличивают рассеянную радиацию и уменьшают эффективное излучение, что способствует увеличению поглощенной радиации.

Изменяя радиационный и тепловой режим атмосферы, облака оказывают большое влияние на растительный и животный мир, а также на многие стороны деятельности человека. С архитектурно-строительной точки зрения роль облаков проявляется, во-первых, в количестве суммарной солнечной радиации, приходящей на территорию застройки, к зданиям и сооружениям и определяющей их тепловой баланс и режим естественной освещенности внутренней среды. Во-вторых, явление облачности связано с выпадением осадков, которые определяют влажностный режим эксплуатации зданий и сооружений, влияющий на теплопроводность ограждающих конструкций, их долговечность и т.д. В-третьих, выпадение твердых осадков из облачности определяет снеговые нагрузки на здания, а отсюда — форму и конструкцию кровли и другие архитектурные и типологические особенности, связанные со снежным покровом. Таким образом, прежде чем перейти к рассмотрению осадков, необходимо более подробно остановиться на таком явлении, как облачность.

Облака — это скопления продуктов конденсации (капелек и кристаллов), видимых простым глазом. По фазовому состоянию облачных элементов они делятся на водяные (капельные) — состоящие только из капель; ледяные (кристаллические) — состоящие только из ледяных кристаллов, и смешанные — состоящие из смеси переохлажденных капель и ледяных кристаллов.

Формы облаков в тропосфере очень разнообразны, однако их можно свести к относительно небольшому числу основных типов. Такая «морфологическая» классификация облаков (т.е. классификация по их внешнему виду) возникла в XIX в. и является общепринятой. Согласно ей все облака разделены на 10 основных родов.

В тропосфере условно выделяют три яруса облаков: верхний, средний и нижний. Основания облаков верхнего яруса располагаются в полярных широтах на высотах от 3 до 8 км, в умеренных широтах — от 6 до 13 км и в тропических широтах — от 6 до 18 км; среднего яруса соответственно — от 2 до 4 км, от 2 до 7 км и от 2 до 8 км; нижнего яруса на всех широтах — от земной поверхности до 2 км. К облакам верхнего яруса относятся перистые, перисто-кучевые и перисто-слоистые. Они состоят из ледяных кристаллов, полупрозрачны и мало затеняют солнечный свет. В среднем ярусе располагаются высоко-кучевые (капельные) и высоко-слоистые (смешанные) облака. В нижнем ярусе присутствуют слоистые, слоистодождевые и слоисто-кучевые облака. Слоисто-дождевые облака состоят из смеси капель и кристаллов, остальные являются капельными. Помимо этих восьми основных родов облаков есть еще два, основания которых почти всегда находятся в нижнем ярусе, а вершины проникают в средний и верхний ярус, — это кучевые (капельные) и кучево-дождевые (смешанные) облака, называемые облаками вертикального развития.

Степень покрытия облаками небесного свода и называется облачностью. В основном она определяется «на глаз» наблюдателем на метеорологических станциях и выражается в баллах от 0 до 10. При этом устанавливают уровень не только общей, но и нижней облачности, к которой относят и облака вертикального развития. Таким образом, облачность записывается в виде дроби, в числителе которой находится общая облачность, в знаменателе — нижняя.

Наряду с этим облачность определяется с помощью фотографий, получаемых с искусственных спутников Земли. Поскольку эти фотографии делаются не только в видимом, но и инфракрасном диапазоне, есть возможность оценивать количество облаков не только днем, но и ночью, когда наземные наблюдения за облаками не проводятся. Сравнение наземных и спутниковых данных демонстрирует их хорошую согласованность, при этом наибольшие различия наблюдаются над континентами и составляют примерно 1 балл. Здесь наземные измерения в силу субъективных причин несколько завышают количество облаков по сравнению со спутниковыми данными.

Суммируя многолетние наблюдения за облачностью, можно сделать следующие выводы относительно ее географического распределения: в среднем для всего земного шара облачность составляет 6 баллов, при этом над океанами она больше, чем над материками. Количество облаков сравнительно мало в высоких широтах (особенно в Южном полушарии), с уменьшением широты оно растет и достигает максимума (около 7 баллов) в поясе от 60 до 70°, затем по направлению к тропикам облачность убывает до 2—4 баллов и вновь растет с приближением к экватору.

На рис. 1.47 показан общий балл облачности в среднем за год для территории России. Как видно из этого рисунка, количество облаков на территории России распределяется довольно неравномерно. Наиболее пасмурными являются северо-запад европейской части России, где количество общей облачности в среднем за год составляет 7 баллов и более, а также побережье Камчатки, Сахалина, северо-западное побережье Охотского моря, Курильские и Командорские острова. Эти области расположены в районах активной циклонической деятельности, характеризующихся наиболее интенсивной атмосферной циркуляцией.

Восточная Сибирь, кроме Среднесибирского плоскогорья, Забайкалья и Алтая, характеризуется меньшим средним годовым количеством облаков. Здесь оно находится в пределах от 5 до 6 баллов, а на крайнем юге местами даже меньше 5 баллов. Весь этот сравнительно малооблачный район азиатской части России находится в сфере влияния азиатского антициклона, поэтому характеризуется малой повторяемостью циклонов, с которыми в основном и связано большое количество облаков. Выделяется также полоса менее значительного количества облаков, вытянутая в меридиональном направлении непосредственно за Уралом, что объясняется «затеняющей» ролью этих гор.

Среднегодовое количество общей облачности, баллы

Рис. 1.47. Среднегодовое количество общей облачности, баллы

При определенных условиях из облаков выпадают осадки. Это происходит в том случае, когда часть элементов, составляющих облако, укрупняется и уже не может удерживаться вертикальными токами воздуха. Основным и необходимым условием выпадения обильных осадков является одновременное присутствие в облаке переохлажденных капель и ледяных кристаллов. Именно такими являются высоко-слоистые, слоисто-дождевые и кучево-дождевые облака, из которых и выпадают осадки.

Все осадки делятся на жидкие и твердые. Жидкие осадки — это дождь и морось, они отличаются размером капель. К твердым осадкам относятся снег, мокрый снег, крупа и град. Количество осадков измеряется в мм слоя выпавшей воды. 1 мм осадков соответствует 1 кг воды, выпавшей на площади в 1 м2 при условии, что она не стекает, не испаряется и не впитывается почвой.

По характеру выпадения осадки делятся на следующие виды: обложные осадки — равномерные, длительные по продолжительности, выпадают из слоисто-дождевых облаков; ливневые осадки — характеризуются быстрым изменением интенсивности и непродолжительностью, они выпадают из кучево-дождевых облаков в виде дождя, нередко с градом; моросящие осадки — в виде мороси выпадают из слоисто-дождевых облаков.

Суточный ход осадков очень сложен, и даже в многолетних средних величинах в нем часто нельзя обнаружить какой-либо закономерности. Тем не менее выделяются два типа суточного хода осадков — континентальный и морской (береговой). Континентальный тип имеет два максимума (в утренние часы и после полудня) и два минимума (ночью и перед полуднем). Морской тип характеризуется одним максимумом (ночью) и одним минимумом (днем).

Годовой ход осадков различен на разных широтах и даже в пределах одной зоны. Он зависит от количества тепла, термического режима, циркуляции воздуха, удаленности от побережий, характера рельефа.

Наиболее обильны осадки в экваториальных широтах, где годовое их количество превосходит 1000—2000 мм. На экваториальных островах Тихого океана выпадает 4000—5000 мм, а на наветренных склонах тропических островов — до 10 000 мм. Причиной обильных осадков являются мощные восходящие токи очень влажного воздуха. К северу и югу от экваториальных широт количество осадков уменьшается, достигая минимума на широтах 25—35°, где среднегодовое значение не превышает 500 мм и уменьшается во внутриконтинентальных районах до 100 мм и менее. В умеренных широтах количество осадков несколько увеличивается (800 мм), вновь уменьшаясь к высоким широтам.

Максимальная годовая сумма осадков зарегистрирована в Чер-рапунджи (Индия) — 26 461 мм. Минимальное отмеченное годовое количество осадков — в Асуане (Египет), Икике — (Чили), где в отдельные годы осадков не выпадает вообще.

По происхождению различают конвективные, фронтальные и орографические осадки. Конвективные осадки характерны для жаркого пояса, где интенсивны нагрев и испарение, но летом нередко бывают и в умеренном поясе. Фронтальные осадки образуются при встрече двух воздушных масс с разной температурой и иными физическими свойствами. Генетически они связаны с циклоническими вихрями, типичными для внетропических широт. Орографические осадки выпадают на наветренных склонах гор, особенно высоких. Они обильны, если воздух идет со стороны теплого моря и обладает большой абсолютной и относительной влажностью.

Методы измерения. Для сбора и измерения осадков применяются следующие приборы: осадкомер Третьякова, суммарный осад-комер и плювиограф.

Осадкомер Третьякова служит для сбора и последующего измерения количества жидких и твердых осадков, выпавших за некоторый промежуток времени. Он состоит из цилиндрического сосуда с приемной площадью 200 см2, планочной конусообразной защиты и тагана (рис. 1.48). В комплект также входят запасной сосуд и крышка.

2 1 5

Строение (о) и внешний вид (б) осадкомера Третьякова

Рис. 1.48. Строение (о) и внешний вид (б) осадкомера Третьякова

Приемный сосуд 1 представляет собой ведро цилиндрической формы, перегороженное диафрагмой 2 в виде усеченного конуса, в которую летом для уменьшения испарения осадков вставляется воронка с небольшим отверстием в центре. Для слива жидкости в сосуде имеется носик 3, закрывающийся колпачком 4, припаянным на цепочке 5 к сосуду. Сосуд, установленный на тагане 6, окружен конусообразной планочной защитой 7, состоящей из 16 изогнутых по специальному шаблону пластин. Эта защита необходима для предотвращения выдувания из осадкомера снега зимой и капель дождя при сильном ветре летом.

Количество осадков, выпавших за ночную и дневную половины суток, измеряют в сроки, ближайшие к 8 и 20 ч поясного декретного (зимнего) времени. В сроки 03 и 15 ч UTC (universal time coordinated — всемирного скоординированного времени) в I и II часовых поясах основные станции также измеряют осадки по дополнительному осадкомеру, который должен быть установлен на метеоплощадке. Так, например, в метеообсерватории МГУ осадки измеряются в 6, 9, 18 и 21 ч по поясному времени. Для этого измерительное ведро, предварительно закрыв крышкой, уносят в помещение и через носик выливают воду в специальный измерительный стакан. К каждому измеренному количеству осадков прибавляется поправка на смачивание осадкосборного сосуда, составляющая 0,1 мм, если в измерительном стакане уровень воды ниже половины первого деления, и 0,2 мм, если в измерительном стакане уровень воды оказался на середине первого деления или выше.

Твердые осадки, собранные в осадкосборном сосуде, должны перед измерением растаять. Для этого сосуд с осадками оставляется в теплом помещении на некоторое время. Сосуд при этом должен быть закрыт крышкой, а носик — колпачком во избежание испарения осадков и осаждения влаги на холодных стенках с внутренней стороны сосуда. После того как твердые осадки растают, их переливают в осадкомерный стакан для измерения.

В ненаселенных, труднодоступных районах применяется суммарный осадкомер М-70, предназначенный для сбора и последующего измерения осадков, выпавших в течение длительного промежутка времени (до года). Этот осадкомер состоит из приемного сосуда 1, резервуара (сборника осадков) 2, основания 3 и защиты 4 (рис. 1.49).

Приемная площадь осадкомера равна 500 см2. Резервуар состоит из двух разъемных частей, имеющих форму конусов. Для более плотного соединения частей резервуара между ними вставляют резиновую прокладку. Приемный сосуд укреплен в отверстии резервуара

Суммарный осадкомер

Рис. 1.49. Суммарный осадкомер

на фланце. Резервуар с приемным сосудом крепится на специальном основании, которое состоит из трех стоек, соединенных посредством распорок. Защита (от выдувания осадков ветром) состоит из шести пластин, которые крепятся к основанию посредством двух колец с зажимными гайками. Верхний край защиты находится в одной горизонтальной плоскости с краем приемного сосуда.

Для предохранения осадков от испарения в резервуар на месте установки осадкомера наливают минеральное масло. Оно легче воды и образует на поверхности скопившихся осадков пленку, препятствующую их испарению.

Жидкие осадки выбирают с помощью резиновой груши с наконечником, твердые — осторожно разбивают и выбирают чистой металлической сеткой или лопаткой. Определение количества жидких осадков производят с помощью измерительного стакана, а твердых — посредством весов.

Для автоматической регистрации количества и интенсивности жидких атмосферных осадков применяют плювиограф (рис. 1.50).

Устройство и внешний вид плювиографа П-2

Рис. 1.50. Устройство и внешний вид плювиографа П-2

Плювиограф состоит из корпуса, поплавковой камеры, механизма принудительного слива и сифона. Приемником осадков служит цилиндрический сосуд / с приемной площадью 500 см2. Он имеет дно конусообразной формы с отверстиями для стока воды и укреплен на цилиндрическом корпусе 2. Осадки через сливные трубки 3 и 4 попадают в регистрирующее устройство, состоящее из поплавковой камеры 5, внутри которой находится перемещающийся поплавок 6. На стержне поплавка закреплена стрелка 7 с пером. Запись выпавших осадков производится на ленте, надетой на барабан часового механизма 13. В металлическую трубку 8 поплавковой камеры вставляется стеклянный сифон 9, через который вода из поплавковой камеры сливается в контрольный сосуд 10. На сифон насажена металлическая гильза 11 с зажимной муфтой 12.

При стоке осадков из приемника в поплавковую камеру уровень воды в ней повышается. При этом поплавок поднимается вверх, и перо чертит на ленте кривую линию — тем более крутую, чем больше интенсивность осадков. Когда сумма осадков достигнет 10 мм, уровень воды в сифонной трубке и поплавковой камере становится одинаковым, и происходит самопроизвольный слив воды в ведро 10. При этом перо чертит на ленте вертикальную прямую линию сверху вниз до нулевой отметки; при отсутствии осадков перо чертит горизонтальную линию.

Характерные значения количества осадков. Для характеристики климата подсчитываются средние количества или суммы осадков за определенные промежутки времени — месяц, год и т.п. Необходимо отметить, что образование осадков и их количество на любой территории зависят от трех основных условий: влагосодержания воздушной массы, ее температуры и возможности восхождения (подъема). Эти условия взаимосвязаны и, действуя совместно, создают довольно сложную картину географического распределения осадков. Тем не менее анализ климатических карт позволяет выделить наиболее важные закономерности полей осадков.

На рис. 1.51 представлено среднее многолетнее количество осадков, выпадающих за год на территории России. Из рисунка следует, что на территории Русской равнины наибольшее количество осадков (600—700 мм/год) выпадает в полосе 50—65° с.ш. Именно здесь в течение всего года активно развиваются циклонические процессы и переносится наибольшее количество влаги с Атлантики. К северу и к югу от этой зоны количество осадков уменьшается, причем южнее 50° с.ш. это уменьшение происходит с северо-запада на юго-восток. Так, если на Окско-Донской равнине выпадает 520—580 мм/год, то в нижнем течении р. Волги это количество уменьшается до 200—350 мм.

Урал существенно трансформирует поле осадков, создавая меридионально вытянутую полосу повышенных сумм на наветренной стороне и на вершинах. На некотором расстоянии за хребтом, напротив, происходит уменьшение годового количества осадков.

Аналогично широтному распределению осадков на Русской равнине на территории Западной Сибири в полосе 60—65° с.ш. располагается зона повышенного количества осадков, однако она уже, чем в европейской части, и осадков здесь выпадает меньше. Например, в среднем течении р. Оби годовое количество осадков составляет 550—600 мм, уменьшаясь к арктическому побережью до 300—350 мм. Практически столько же осадков выпадает и на юге Западной Сибири. В то же время, по сравнению с Русской равниной, область малых осадков здесь значительно сдвинута к северу.

По мере продвижения на восток, в глубь континента, количество осадков уменьшается, и в обширной котловине, расположенной в центре Центральноякутской низменности, закрытой Среднесибирским плоскогорьем от западных ветров, количество осадков составляет всего 250—300 мм, что характерно для степных и полупустынных районов более южных широт. Далее на восток, по мере приближения к окраинным морям Тихого океана, количество

Годовое количество осадков, мм

Рис. 1.51. Годовое количество осадков, мм

осадков резко возрастает, хотя сложный рельеф, различная ориентация горных хребтов и склонов создают заметную пространственную неоднородность в распределении осадков.

Воздействие осадков на различные стороны хозяйственной деятельности человека выражается не только в более или менее сильном увлажнении территории, но и в распределении осадков в течение года. Например, жестколиственные субтропические леса и кустарники произрастают в районах, где годовое количество осадков в среднем составляет 600 мм, причем это количество выпадает за три зимних месяца. То же количество осадков, но распределенное равномерно в течение года, обусловливает существование зоны смешанных лесов умеренных широт. Многие гидрологические процессы также связаны с характером внутригодового распределения осадков.

С этой точки зрения показательной характеристикой служит отношение количества осадков в холодный период к количеству осадков в теплый период. В европейской части России это соотношение составляет 0,45—0,55; в Западной Сибири — 0,25—0,45; в Восточной Сибири — 0,15—0,35. Минимальное значение отмечается в Забайкалье (0,1), где зимой наиболее сильно выражено влияние азиатского антициклона. На Сахалине и Курильских островах отношение составляет 0,30—0,60; максимальное же значение (0,7—1,0) отмечается на востоке Камчатки, а также в горных массивах Кавказа. Преобладание количества осадков в холодный период над осадками теплого периода наблюдается в России только на Черноморском побережье Кавказа: например, в Сочи оно составляет 1,02.

К годовому ходу осадков вынуждены приспосабливаться и люди, строя для себя различные здания. Наиболее ярко региональные архитектурно-климатические особенности (архитектурно-климатический регионализм) проявляются в архитектуре народных жилищ, о которых будет сказано ниже (см. параграф 2.2).

Влияние рельефа и застройки на режим осадков. Рельеф вносит наиболее значительный вклад в характер поля осадков. Их количество зависит от высоты склонов, их ориентации по отношению к влагонесущему потоку, горизонтальных размеров возвышенностей и общих условий увлажнения района. Очевидно, что в горных массивах склон, ориентированный в сторону влагонесущего потока (наветренный склон), орошается больше, чем защищенный от ветра (подветренный склон). На распределение осадков в равнинной местности могут влиять элементы рельефа с относительными высотами более 50 м, при этом создаются три характерные области с различным характером осадков:

  • • увеличение осадков на равнине перед возвышенностью (осадки «запруживания»);
  • • увеличение осадков на самой возвышенности;
  • • уменьшение осадков с подветренной стороны возвышенности («дождевая тень»).

Первые два типа осадков называют орографическими (рис. 1.52), т.е. непосредственно связанными с влиянием рельефа местности (орографии). Третий тип распределения осадков связан с рельефом косвенно: уменьшение осадков происходит из-за общего уменьшения влагосодержания воздуха, которое произошло в первых двух ситуациях. Количественно уменьшение осадков в «дождевой тени» соизмеримо с увеличением их на возвышенности; количество же осадков «запруживания» в 1,5—2 раза превышает количество осадков в «дождевой тени».

Зона

«запруживания»

Наветренный

склон

Дождевая

тень

Рис. 1.52. Схема орографических осадков

Влияние крупных городов на распределение осадков проявляется вследствие наличия эффекта «острова тепла», повышенной шероховатости городской территории и загрязнения воздушного бассейна. Исследования, проведенные в разных физико-географических зонах, показали, что внутри города и в пригородах, расположенных с наветренной стороны, количество осадков увеличивается, причем максимальный эффект заметен на расстоянии 20—25 км от города.

В Москве приведенные выше закономерности выражены довольно четко. Увеличение осадков в городе наблюдается по всем их характеристикам, начиная с продолжительности и заканчивая обеспеченностью экстремальных значений. Например, средняя продолжительность осадков (ч/мес) в центре города (Балчуг) превышает продолжительность осадков на территории ТСХА как в целом за год, так и в любой месяц года без исключения, а годовая сумма осадков в центре Москвы (Балчуг) на 10% больше, чем в ближнем пригороде (Немчиновка), находящемся большую часть времени с наветренной стороны города. Для целей архитектурноградостроительного анализа мезомасштабная аномалия количества осадков, формирующаяся над территорией города, рассматривается как фон для выявления более мелкомасштабных закономерностей, заключающихся, главным образом, в перераспределении осадков внутри застройки.

Помимо того, что осадки могут выпадать из облаков, они также образуются на поверхности земли и на предметах. К ним относятся роса, иней, изморось и гололед. Осадки, выпадающие на земную поверхность и образующиеся на ней и на предметах, называются также атмосферными явлениями.

Роса — капельки воды, образующиеся на поверхности земли, на растениях и предметах в результате соприкосновения влажного воздуха с более холодной поверхностью при температуре воздуха выше 0°С, ясном небе и штиле или слабом ветре. Как правило, роса образуется ночью, но возможно ее появление и в другую часть суток. В отдельных случаях роса может наблюдаться при дымке или тумане. Термин «роса» также часто используется в строительстве и архитектуре применительно к тем частям строительных конструкций и поверхностям в архитектурной среде, где может конденсироваться водяной пар.

Иней — белый осадок кристаллического строения, появляющийся на поверхности земли и на предметах (преимущественно на горизонтальных или слабонаклонных поверхностях). Иней появляется при охлаждении поверхности земли и предметов вследствие излучения ими тепла, в результате чего происходит понижение их температуры до отрицательных значений. Иней образуется при отрицательной температуре воздуха, при штиле или слабом ветре и незначительной облачности. Обильное осаждение инея наблюдается на траве, поверхности листьев кустарников и деревьев, кровлях зданий и других предметах, не имеющих внутренних источников тепла. Иней может образоваться и на поверхности проводов, вызывая их утяжеление и увеличение натяжения: чем тоньше провод, тем меньше на нем оседает инея. На проводах толщиной 5 мм отложение инея не превышает 3 мм. На нитях толщиной менее 1 мм иней не образуется; это дает возможность различать иней и кристаллическую изморозь, внешний вид которых сходен.

Изморозь — белый, рыхлый осадок кристаллического или зернистого строения, наблюдающийся на проводах, сучьях деревьев, отдельных травинках и других предметах в морозную погоду при слабых ветрах.

Зернистая изморозь образуется вследствие намерзания на предметах переохлажденных капель тумана. Ее нарастанию способствуют большие скорости ветра и несильный мороз (от -2 до -7°С, но бывает и при более низкой температуре). Зернистая изморозь имеет аморфное (не кристаллическое) строение. Иногда поверхность ее бывает бугристой и даже игольчатой, но иглы обычно матовые, шершавые, без кристаллических граней. Капли тумана при соприкосновении с переохлажденным предметом замерзают настолько быстро, что не успевают потерять своей формы и дают снеговидное отложение, состоящее из ледяных зерен, не различимых глазом (ледяной налет). При повышении температуры воздуха и укрупнении капель тумана до размера мороси плотность образующейся зернистой изморози увеличивается, и она постепенно переходит в гололед. С усилением мороза и ослаблением ветра плотность образующейся зернистой изморози уменьшается, и она постепенно сменяется кристаллической изморозью. Отложения зернистой изморози могут достигать опасных размеров с точки зрения прочности и сохранения целостности предметов и конструкций, на которых она образуется.

Кристаллическая изморозь — белый осадок, состоящий из мелких кристаллов льда тонкой структуры. При оседании на сучьях деревьев, проводах, тросах и т.п. кристаллическая изморозь имеет вид пушистых гирлянд, легко осыпающихся при встряхивании. Кристаллическая изморозь образуется преимущественно в ночные часы при безоблачном небе или тонких облаках при низкой температуре воздуха в тихую погоду, когда в воздухе наблюдается туман или дымка. При этих условиях кристаллы изморози образуются путем непосредственного перехода в лед (сублимации) водяного пара, содержащегося в воздухе. Для архитектурной среды она практически неопасна.

Гололед чаще всего возникает при падении и растекании на поверхности крупных капель переохлажденного дождя или мороси в диапазоне температур от 0 до -3°С и представляет собой слой плотного льда, нарастающего преимущественно с наветренной стороны предметов. Наряду с понятием «гололед» существует близкое ему понятие «гололедица». Разница между ними — в тех процессах, которые ведут к образованию льда.

Гололедица — это лед на земной поверхности, образовавшийся после оттепели или дождя в результате наступления похолодания, приводящего к замерзанию воды, а также при выпадении дождя или мокрого снега на промерзшую землю.

Воздействие гололедных отложений разнообразно и, в первую очередь, связано с дезорганизацией работы энергетического хозяйства, связи и транспорта. Радиус ледяных корок на проводах может достигать 100 мм и более, а вес — более 10 кг на погонный метр. Такая нагрузка разрушительна для проводных линий связи, электропередач, высотных мачт и т.п. Так, например, в январе 1998 г. по восточным районам Канады и США пронеслась сильнейшая ледяная буря, в результате которой за пять дней на проводах намерз 10-сантиметровый слой льда, вызвавший многочисленные обрывы. Около 3 млн человек остались без электричества, а общий ущерб составил 650 млн долларов.

В жизни городов также очень важным является состояние дорог, которые при гололедных явлениях становятся опасными для всех видов транспорта и прохожих. Помимо этого ледяная корка наносит механические повреждения конструкциям зданий — кровлям, карнизам, декору фасадов. Она способствует вымерзанию, изрежи-ванию и гибели растений, присутствующих в системе озеленения городов, и деградации природных комплексов, входящих в состав городской территории, из-за недостатка кислорода и избытка углекислого газа под ледяным панцирем.

Кроме того, к атмосферным явлениям относятся электрические, оптические и другие явления, такие как туманы, метели, пыльные бури, мгла, гроза, миражи, шквалы, вихри, смерчи и некоторые другие. Остановимся на наиболее опасных из этих явлений.

Гроза — это комплексное атмосферное явление, необходимой частью которого являются многократные электрические разряды между облаками или между облаком и землей (молнии), сопровождающиеся звуковыми явлениями — громом. Гроза связана с развитием мощных кучево-дождевых облаков и поэтому обычно сопровождается шквалистыми ветрами и ливневыми осадками, нередко с градом. Чаще всего гроза и град наблюдаются в тылу циклонов при вторжении холодного воздуха, когда создаются наиболее благоприятные условия для развития турбулентности. Гроза любой интенсивности и продолжительности наиболее опасна для полета самолетов из-за возможности поражения их электрическими разрядами. Возникающее в это время электрическое перенапряжение распространяется по проводам линий связи электропередач и распределительным устройствам, создает помехи и аварийные ситуации. Кроме того, при грозах происходят активная ионизация воздуха и формирование электрического поля атмосферы, что оказывает физиологическое воздействие на живые организмы. Подсчитано, что ежегодно от ударов молнии в мире погибает в среднем 3000 человек.

С архитектурной точки зрения гроза не очень опасна. Здания обычно защищаются от воздействия молний за счет устройства молниеотводов (их часто называют громоотводами), которые представляют собой устройства по заземлению электрических разрядов и устанавливаются на самых высоких участках кровли. Редко бывают случаи возгорания зданий при попадании в них молнии.

Для инженерных сооружений (радио- и телемачт) гроза опасна в основном потому, что попадание молнии может вывести из строя установленное на них радиотехническое оборудование.

Градом называют осадки, выпадающие в виде частичек плотного льда неправильной формы различных, иногда очень крупных размеров. Град выпадает, как правило, в теплое время года из мощных кучево-дождевых облаков. Масса крупных градин составляет несколько граммов, в исключительных случаях — несколько сот граммов. От града страдают главным образом зеленые насаждения, в первую очередь — деревья, особенно в период цветения. В отдельных случаях градобитие приобретает характер стихийных бедствий. Так, в апреле 1981 г. в провинции Гуандун, Китай, наблюдались градины весом 7 кг. В результате этого погибло пять человек и разрушено около 10,5 тыс. зданий. В то же время, наблюдая с помощью специальных радиолокационных средств за развитием градовых очагов в кучево-дождевых облаках и применяя способы активного воздействия на эти облака, примерно в 75% случаев можно предотвратить это опасное явление.

Шквал — резкое усиление ветра, сопровождающееся изменением его направления и обычно длящееся в пределах не более 30 мин. Шквалами обычно сопровождается фронтальная циклоническая деятельность. Как правило, шквалы возникают в теплое время года на активных атмосферных фронтах, а также при прохождении мощных кучево-дождевых облаков. Скорость ветра в шквалах достигает 25—30 м/с и более. Ширина полосы шквала обычно составляет около 0,5—1,0 км, длина — 20—30 км. Прохождение шквалов вызывает разрушение построек, линий связи, повреждение деревьев и другие стихийные бедствия.

Самые опасные разрушения от воздействия ветра происходят в период прохождения смерча — мощного вертикального вихря, порожденного восходящей струей теплого влажного воздуха. Смерч имеет вид темного облачного столба диаметром несколько десятков метров. Он опускается в виде воронки из низкого основания кучево-дождевого облака, навстречу которой с земной поверхности может подниматься другая воронка — из брызг и пыли, соединяющаяся с первой. Скорости ветра в смерче достигают 50—100 м/с (180—360 км/ч), что вызывает катастрофические последствия. Удар вращающейся стенки смерча способен разрушить капитальные строения. Перепад давления от внешней стенки смерча до его внутренней стороны приводит к взрывам зданий, а восходящий поток воздуха способен поднять и перенести на значительные расстояния тяжелые предметы, обломки строительных конструкций, колесную и другую технику, людей и животных. По некоторым оценкам, в городах России такие явления могут наблюдаться приблизительно раз в 200 лет, но в других районах земного шара наблюдаются регулярно. В XX в. самым разрушительным в Москве был смерч, прошедший 29 июня 1909 г. Помимо разрушения построек, погибли девять человек, госпитализировано 233 человека.

В США, где смерчи наблюдаются достаточно часто (иногда несколько раз в год), их называют «торнадо». Они отличаются исключительно большой повторяемостью по сравнению с европейскими смерчами и в основном связаны с морским тропическим воздухом Мексиканского залива, перемещающимся в направлении южных штатов. Повреждения и убытки, причиняемые этими торнадо, огромны. В районах, где торнадо наблюдаются наиболее часто, возникла даже своеобразная архитектурная форма зданий, называющаяся «tornado house». Она характеризуется приземистой железобетонной оболочкой в форме растекающейся капли, имеющей дверные и оконные проемы, наглухо закрывающиеся прочными рольставнями в случае опасности.

Рассмотренные выше опасные явления в основном наблюдаются в теплый период года. В холодное же время года наиболее опасны уже упоминавшийся ранее гололед и сильная метель — перенос снега над поверхностью земли ветром достаточной силы. Обычно она возникает при увеличении градиентов в поле атмосферного давления и при прохождении фронтов.

На метеостанциях ведется наблюдение за продолжительностью метелей и количеством дней с метелью за отдельные месяцы и зимний период в целом. Средняя годовая продолжительность метелей на территории бывшего СССР за год составляет на юге Средней Азии меньше 10 ч, на побережье Карского моря — более 1000 ч. На большей части территории России продолжительность метелей составляет больше 200 ч за зиму, а продолжительность одной метели составляет в среднем 6—8 ч.

Метели наносят большой ущерб городскому хозяйству из-за образующихся снегозаносов улиц и дорог, отложения снега в ветровой тени зданий на территории жилой застройки. В некоторых районах Дальнего Востока здания с подветренной стороны заметаются настолько высоким слоем снега, что после окончания метели из них невозможно выйти наружу.

Метели осложняют работу воздушного, железнодорожного и автомобильного транспорта, коммунальных служб. Страдает от метелей и сельское хозяйство: при сильных ветрах и рыхлой структуре снежного покрова на полях происходит перераспределение снега, оголяются участки, создаются условия для вымерзания озимых. Влияют метели и на людей, создавая дискомфорт при нахождении на открытом воздухе. Сильный ветер в сочетании со снегом нарушает ритмичность процесса дыхания, создает трудности для передвижения и выполнения работ. В периоды метелей усиливаются так называемые метеорологические теплопотери зданий и расход энергии, используемой на производственные и бытовые нужды.

Биоклиматическое и архитектурно-строительное значение осадков и явлений. Считается, что биологическое действие осадков на человеческий организм в основном характеризуется благотворным эффектом. При их выпадении из атмосферы вымываются загрязняющие примеси и аэрозоли, частички пыли, в том числе и те, на которых переносятся болезнетворные микробы. Конвективно-ливневые осадки способствуют формированию отрицательных ионов в атмосфере. Так, в теплый период года после грозы у больных снижаются жалобы метеопатического характера, уменьшается вероятность инфекционных заболеваний. В холодный же период, когда осадки в основном выпадают в виде снега, он отражает до 97% ультрафиолетовых лучей, что используют на некоторых горных курортах, проводя в это время года «солнечные ванны».

В то же время нельзя не отметить и отрицательной роли осадков, а именно связанную с ними проблему кислотных дождей. Эти осадки содержат растворы серной, азотной, соляной и других кислот, образующихся из выбрасываемых в процессе хозяйственной деятельности оксидов серы, азота, хлора и т.п. В результате выпадения таких осадков происходит загрязнение почвы и воды. Например, увеличивается подвижность алюминия, меди, кадмия, свинца и других тяжелых металлов, что ведет к усилению их миграционной способности и переносу на большие расстояния. Кислотные осадки усиливают коррозию металлов, тем самым оказывая отрицательное воздействие на кровельные материалы и подверженные воздействию осадков металлические конструкции зданий и сооружений.

В районах с сухим или дождливым (снежным) климатом атмосферные осадки являются таким же важным фактором формообразования в архитектуре, как солнечная радиация, ветровой и температурный режим. Особое внимание атмосферным осадкам уделяется при выборе конструкции стен, кровли и оснований зданий, подборе строительных и кровельных материалов.

Воздействие атмосферных осадков на здания заключается в увлажнении кровли и наружных ограждений, приводящих к изменению их механических и теплофизических свойств и влияющих на срок службы, а также в механической нагрузке на строительные конструкции, создаваемой накапливающимися на кровле и выступающих элементах зданий твердыми осадками. Это воздействие зависит от режима выпадения и условий отвода или залегания атмосферных осадков. В зависимости от типа климата осадки могут выпадать равномерно в течение всего года или в основном в один из его сезонов, причем это выпадение может иметь характер ливней или моросящих дождей, что также важно учитывать в архитектурном решении зданий.

Условия накопления на различных поверхностях важны в основном для твердых осадков и зависят от температуры воздуха и скорости ветра, перераспределяющего снежный покров. Самый высокий снежный покров в России наблюдается на восточном побережье Камчатки, где средняя из наибольших декадных высот достигает 100—120 см, а раз в 10 лет — 1,5 м. В отдельных районах южной части Камчатки средняя высота снежного покрова может превышать 2 м. Высота снежного покрова растет с увеличением высоты места над уровнем моря. Даже небольшие возвышенности влияют на высоту снежного покрова, но особенно велико влияние больших горных массивов.

Для уточнения снеговых нагрузок и определения режима эксплуатации зданий и сооружений необходимо учитывать возможную величину веса снежного покрова, образовавшегося в течение зимы, и ее максимальный возможный прирост в течение суток. Изменение веса снежного покрова, которое может произойти всего за сутки в результате интенсивных снегопадов, может изменяться от 19 (Ташкент) до 100 и более (Камчатка) кг/м2. В районах с небольшим и неустойчивым снежным покровом один сильный снегопад в течение суток создает нагрузку, близкую к ее значению, возможному раз в пять лет. Такие снегопады наблюдались в Киеве,

Батуми и Владивостоке. Эти данные особенно необходимы для проектирования легких покрытий и сборных металлических каркасных сооружений с большой поверхностью кровли (например, навесы над большими парковками, транспортно-пересадочными узлами).

Выпавший снег может активно перераспределяться по территории городской застройки или в естественном ландшафте, а также в пределах кровли зданий. На одних участках происходит его выдувание, на других — накопление. Закономерности такого перераспределения имеют сложный характер и зависят от направления и скорости ветра и аэродинамических свойств городской застройки и отдельных зданий, естественного рельефа и растительного покрова.

Учет количества переносимого при метелях снега необходим для защиты от снегозаносов придомовых территорий, улично-дорожной сети, автомобильных и железных дорог. Данные о снегозаносах необходимы также при планировке населенных пунктов для наиболее рационального размещения жилых и промышленных зданий, при разработке мероприятий по очистке от снега городов.

Основные снегозащитные мероприятия заключаются в выборе наиболее благоприятной ориентации зданий и улично-дорожной сети (УДС), обеспечивающей минимально возможное накопление снега на улицах и у входов в здания и максимально благоприятные условия для транзита переносимого ветром снега через территорию УДС и жилой застройки.

Особенности отложения снега вокруг зданий заключаются в том, что максимальные отложения образуются с подветренной и наветренной сторон перед зданиями. Непосредственно перед наветренными фасадами зданий и вблизи их углов образуются «желоба выдувания» (рис. 1.53). Закономерности переотложения снегового покрова при метелевом переносе целесообразно учитывать при размещении входных групп. Входные группы в здания в климатических районах, характеризующихся большими объемами снего-переноса, следует располагать с наветренной стороны при соответствующем их утеплении.

Для групп зданий процесс перераспределения снега носит более сложный характер. Приведенные на рис. 1.54 схемы перераспределения снега показывают, что в традиционном для застройки современных городов микрорайоне, где периметр квартала формируется 17-этажными зданиями, а внутри квартала помещено трехэтажное здание детского сада, во внутренних районах квартала образуется обширная зона снегонакопления: снег накапливается у подъездов

  • 1 — инициирующий поток; 2 — верхняя обтекающая ветвь; 3 — компенсационный вихрь; 4 — зона отсоса; 5 — наветренная часть кольцевого вихря (зона выдувания); 6 — зона соударения встречных потоков (наветренная сторона торможения);
  • 7 — то же, на подветренной стороне
  • — перенос
  • — выдувание

Рис. 1.54. Перераспределение снега внутри групп зданий различной этажности

— накопление

жилых домов и на территории детского сада. В результате на такой территории необходимо проведение снегоуборки после каждого снегопада. В другом варианте здания, образующие периметр, намного ниже, чем здание, размещенное в центре квартала. Как видно из рисунка, второй вариант по фактору снегонакопления является более благоприятным. Общая площадь зон переноса и выдувания снега больше, чем площадь зон снегонакопления, пространство внутри квартала не аккумулирует снег, а уход за территорией жилой застройки в зимнее время становится существенно проще. Этот вариант для районов с активным метелевым снегопереносом является предпочтительным.

Для защиты от снегозаносов могут применяться ветрозащитные зеленые насаждения, формируемые в виде многорядных посадок хвойных деревьев со стороны господствующих при метелях и пурги ветров. Действие этих ветрозащитных полос наблюдается на расстоянии до 20 высот деревьев в посадках, поэтому их применение целесообразно для защиты от снегозаносов вдоль линейных объектов (транспортных магистралей) или небольших участков застройки. В районах, где максимальный за зиму объем переноса снега составляет более 600 м3/пог.м (районы г. Воркуты, Анадыря, полуостровов Ямал, Таймыр и др.), защита лесополосами малоэффективна, необходима защита градостроительными, планировочными средствами.

Под воздействием ветра происходит перераспределение твердых осадков по кровле зданий. Накапливающийся на них снег создает нагрузки на конструкции. При проектировании следует учитывать эти нагрузки и по возможности избегать возникновения мест накопления снега (снежных мешков). Часть осадков сдувается с кровли на землю, часть перераспределяется по кровле в зависимости от ее размеров, формы и наличия надстроек, фонарей и т.д. Нормативное значение снеговой нагрузки на горизонтальную проекцию покрытия согласно СП 20.13330.2011 «Нагрузки и воздействия» следует определять по формуле

^ = 0,7СвС,р^,

где Св — коэффициент, учитывающий снос снега с покрытий зданий под действием ветра или иных факторов; С, — термический коэффициент; р — коэффициент перехода от веса снегового покрова земли к снеговой нагрузке на покрытие; ^ — вес снегового покрова на 1 м2 горизонтальной поверхности земли, принимаемый в соответствии с табл. 1.22.

Таблица 1.22

Вес снегового покрова на 1 м2 горизонтальной поверхности земли

Снеговые районы*

1

II

III

IV

V

VI

VII

VIII

Вес снегового покрова, кг/м2

82

122

184

245

326

408

490

571

* Принимаются по карте 1 Приложения «Ж» к СП «Градостроительство».

Значения коэффициента Св, учитывающего снос снега с покрытий зданий под действием ветра, зависят от формы и размеров кровли и могут изменяться от 1,0 (снос снега не учитывается) до нескольких десятых долей единицы. Например, для покрытий высотных зданий высотой свыше 75 м с уклонами до 20% Св допускается принимать в размере 0,7. Для купольных сферических и конических покрытий зданий на круглом плане, при задании равномерно распределенной снеговой нагрузки значения коэффициента Св устанавливается в зависимости от диаметра (с!) основания купола: Св = 0,85 при с1 < 60 м, Св = 1,0 при с1 > 100 м, а в промежуточных значениях диаметра купола это значение рассчитывается по специальной формуле.

Термический коэффициент С, применяется для учета понижения снеговых нагрузок на покрытия с высоким коэффициентом теплопередачи (> 1 Вт/(м2 • С) вследствие таяния, вызванного потерей тепла. При определении снеговых нагрузок для неутепленных покрытий зданий с повышенными тепловыделениями, приводящими к таянию снега, при уклонах кровли свыше 3% значение коэффициента С, составляет 0,8, в остальных случаях — 1,0.

Коэффициент перехода от веса снегового покрова земли к снеговой нагрузке на покрытие р напрямую связан с формой кровли, поскольку его значение определяется в зависимости от крутизны ее скатов. Для зданий с односкатными и двускатными покрытиями значение коэффициента р составляет 1,0 при уклоне покрытия < 30° и 0,0 при уклоне покрытия > 60°. Промежуточные значения определяются линейной интерполяцией. Таким образом, при уклоне покрытия более 60° снег на нем не удерживается и практически весь сползает вниз под действием силы тяжести. Покрытия с таким уклоном широко применяются в традиционной архитектуре северных стран, в горных районах и при строительстве зданий и сооружений, не предусматривающих достаточно прочных конструкций кровли, — купола и шатры башен с большим пролетом и кровлей по деревянному каркасу. Во всех этих случаях необходимо предусматривать возможность временного складирования и последующего удаления соскальзывающего с кровли снега.

При взаимодействии ветра и застройки происходит перераспределение не только твердых, но и жидких осадков. Оно заключается в увеличении их количества с наветренной стороны зданий, в зоне торможения ветрового потока и со стороны наветренных углов зданий, куда поступают осадки, содержащиеся в обтекающих здание дополнительных объемах воздуха. С этим явлением связаны переувлажнение стен, промокание межпанельных стыков, ухудшение микроклимата наветренных помещений. Например, наветренный фасад типового 17-этажного 3-секционного жилого дома при дожде со средней интенсивностью выпадения осадков 0,1 мм/мин и ско-роста ветра 5 м/с перехватывает за час около 50 т воды. Часть из нее расходуется на смачивание фасада и выступающих элементов, остальное стекает по стене, вызывая неблагоприятные последствия для придомовой территории.

Для защиты фасадов жилых домов от намокания рекомендуются увеличение площади открытых помещений по наветренному фасаду, применение влагозащитных экранов, водозащитной облицовки, усиленной гидроизоляции стыков. По периметру необходимо предусматривать дренажные лотки, присоединенные к системам ливневой канализации. При их отсутствии стекающая по стенам здания вода может размывать поверхность газонов, вызывая поверхностную эрозию растительного слоя грунта и повреждая зеленые насаждения.

При архитектурном проектировании возникают вопросы, связанные с оценкой интенсивности гололедообразования на отдельных частях зданий. Величина гололедной нагрузки на них зависит от климатических условий и от технических параметров каждого объекта (размеры, форма, шероховатость и т.п.). Решение вопросов, касающихся предотвращения гололедных образований и связанных с ними нарушений режима эксплуатации зданий и сооружений и даже разрушения их отдельных частей, является одной из важнейших задач архитектурной климатографии.

Влияние гололеда на различные сооружения заключается в образовании гололедных нагрузок. Величина этих нагрузок оказывает решающее влияние на выбор конструктивных параметров зданий и сооружений. Гололедно-изморозевые отложения льда являются вредными и для древесно-кустарниковой растительности, составляющей основу озеленения городской среды. Под их тяжестью ломаются ветви, а иногда и стволы деревьев. Снижается урожайность фруктовых садов, уменьшается продуктивность сельского хозяйства. Образование гололеда и гололедицы на дорогах создает опасные условия для движения наземного транспорта.

Большую опасность для зданий и находящихся поблизости от них людей и предметов (например, припаркованных автомобилей, скамеек и т.д.) представляют сосульки (частный случай гололедных явлений). Для уменьшения образования сосулек и наледей на карнизах кровель проектом должны предусматриваться специальные мероприятия. К пассивным мероприятиям относятся: усиленная теплоизоляция кровли и чердачных перекрытий, воздушный зазор между покрытием кровли и ее конструктивным основанием, возможность естественной вентиляции подкровельного пространства холодным наружным воздухом. В ряде случаев невозможно обойтись без активных инженерных мероприятий, таких как электрообогрев выноса карниза, установка шокеров для сбрасывания наледей малыми дозами по мере их образования и т.д.

На архитектуру большое влияние оказывает совместное воздействие ветра с песком и пылью — пыльные бури, которые также относятся к атмосферным явлениям. Сочетание ветров с пылью требует защиты жилой среды. Уровень содержания нетоксичной пыли в жилище не должен превышать 0,15 мг/м3, а в качестве предельно допустимой концентрации (ПДК) для расчетов принимают величину не более 0,5 мг/м3. Интенсивность переноса песка и пыли, так же как и снега, зависит от скорости ветра, местных особенностей рельефа, наличия незадернованных участков рельефа с наветренной стороны, гранулометрического состава почвы, ее увлажненности и других условий. Закономерности отложения песка и пыли вокруг зданий и на территории застройки примерно те же, что и у снега. Максимальные отложения образуются с подветренной и наветренной сторон здания или их кровлях.

Методы борьбы с этим явлением те же, что и для снегопереноса. В районах с большой запыленностью воздуха (Калмыкия, Астраханская область, Прикаспийская часть Казахстана и др.) рекомендуются: особая планировка жилищ с ориентацией главных помещений на защищенную сторону или с пылезащитным остекленным коридором; соответствующая планировка кварталов; оптимальное направление улиц, лесозащитные полосы и т.п.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >