تحقیق مقاله اقلیم و معماری

آفتاب اشعه‌ای الکترومغناطیسی است که از خورشید ساطع می‌شود. این اشعه دارای طول موج های مختلفی بین 28/0 تا 3 میکرون می‌باشد. طیف نور خورشید بطور وسیعی به سه قسمت ماوراءبنفش، قابل رویت و مادون قرمز تقسیم شده است. طول موج قسمت ماوراء بنفش 28/0 تا 4/0 میکرون، قسمت قابل رویت 4/0 تا 7/0 میکرون و طول موج اشعه مادون قرمز بلندتر از 76/0 میکرون می‌باشد.

وقتی اشعه خورشید وارد آتمسفر می‌شود از شدت آن کاسته شده و طیفهای آن به نسبت طول موجی که دارند در آتمسفر جذب، منعکس یا پراکنده می‌گردند. بیشتر اشعه ماوراءبنفش و تمام اشعه‌هائی که دارای طول موجی کمتر از 28/0 میکرون هستند بوسیله اوزون و قسمت قابل ملاحظه‌ای از اشعه مادون قرمز بوسیله بخار آب و اکسید کربن جذب می‌گردند.

ذرات موجود در هوا باعث انعکاس نور خورشید می‌شوند، ولی چون این انعکاس تغییری در نور نمی‌دهد نور خورشید همچنان سفید به زمین می‌رسد. وقتی آفتاب به مولکولها و ذراتی که اندازه آنها مساوی یا کوچکتر از طول موج اشعه هستند می‌تابد، منعکس شده و به اطراف پراکنده می‌شود. این اشعه پراکنده شده باعث بوجود آمدن روشنائی در نقاطی که تابش مستقیم آفتاب وجود ندارد، می‌گردد.

وقتی ذرات و ملکولهای موجود در هوا اشعه‌های با طول موج کوتاهتر را که مربوط به نور آبی و بنفش هستند به اطراف پراکنده نمایند آسمان آبی بنظر می‌رسد. ااما وقتی در آتمسفر ذرات بزرگتری از گرد و غبار وجود داشته باشد، بیشتر اشعه‌هائی با طول موج بلندتر که مربوط به نورهای زرد و قرمز هستند در هوا پراکنده شده و در نتیجه آسمان رنگ سفیدتری بخود می‌گیرد.

مقدار انرژی خورشیدی که در طول سال به هر نقطه از سطح زمین می‌رسد به شدت و دوام تابش آفتاب در آن نقطه بستگی دارد و میزان گرما و سرمای سطح زمین عامل اصلی تعیین‌کننده درجه حرارت هوای بالای آنست.

هوا عبور دهنده کلیه طیف‌های نور خورشید بوده و در اثر دریافت اشعه خورشید دمای آن بطور مستقیم افزوده نمی‌گردد. اما لایه‌های هوا بوسیله تماس با سطح زمین که در اثر دریافت اشعه خورشید گرم شده‌اند گرم می‌شوند، و سپس لایه‌های گرم شده هوا، گرمای خود را بوسیله جابجائی به لایه‌های دیگر منتقل می‌نمایند. جریان هوا و باد نیز باعث تماس بیشتر توده‌های عظیم هوا با سطح زمین شده و بدین طریق باعث گرمی هوا می‌شوند. در شب و زمستان که سطح زمین سردتر از هوای بالای آنست عکس این عمل صورت می‌گیرد و هوا در اثر تماس با سطح زمین گرمای خود را از دست داده و سرد می‌شود. بنابراین میزان تغییرات روزانه و سالانه درجه حرارت هوا به تغییرات درجه و حرارت سطح مورد تماس آن بستگی دارد.

ارتفاع از سطح دریا نیز تعیین‌کننده درجه حرارت هوا می‌باشد و در یک عرض جغرافیائی مشخص مناطقی که در ارتفاع بیشتری قرار دارند سردتر از مناطق پائین‌تر هستند.

1- رطوبت مطلق (Absolote Humidity)  

رطوبت مطلق بیان‌کننده وزن بخار آب موجود در هر متر مکعب از هوا بوده و واحد آن گرم در مترمکعب است.

2- رطوبت مخصوص (Specific Humidity)

رطوبت مخصوص عبارتست از وزن بخار آب موجود در هر کیلوگرم از هوا و بشکل گرم در کیلوگرم نشان داده می‌شود.

3- فشار بخار (Vapour Pressure)

فشار بخار عبارتست از فشاری که در اثر بخار آب در هوا بوجود می‌آید و برحسب میلیمتر جیوه اندازه‌گیری می‌شود.

4- رطوبت نسبی (Relative Humidity)

رطوبت نسبی عبارتست از نسبت وزن بخار آب موجود در یک حجم مشخص از هوا در یک درجه حرارت به حداکثر مقدار بخار آبی که آن حجم از هوا در همان درجه حرارت می‌تواند در خود نگه دارد.

بر روی هر نیمکره زمین کمربندها و نقاط مختلفی با فشارهای جوی متفاوت (کم و زیاد) هستند که بعضی از آنها در تمام طول سال و بعضی دیگر فقط در مدتی از سال وجود دارند. در مناطق نیمه استوائی هر نیمکره یعنی بین عرضهای جغرافیائی 20 تا  یک کمربند با فشار زیاد وجود دارد.

بطور کلی در هر نیمکره زمین سه سیستم کلی باد وجود دارد: بادهای تجارتی، بادهای غربی و قطبی، و بادهای موسمی. علاوه بر این سه سیستم بادهای دیگری از قبیل بادهای محلی که در مناطق کوهستانی و دره‌ها جریان دارند و نسیم شب و روز که در سواحل دریا می‌وزد نیز وجود دارند.

بادهای تجارتی

مرکزیت این بادها در مناطق نیمه استوائی دو نیمکره که دارای فشار هوای زیاد هستند می‌باشد. این دو مرکز در منطقه استوا بهم نزدیک شده و در آنجا کمربند فشار کم را تشکیل می‌دهند در روی اقیانوسها جهت حرکت این دو جریان هوا در نیمکره شمالی بطرف جنوب غربی و در نیمکره جنوبی بطرف شمال غربی است. جهت حرکت این دو باد معمولاً ثابت بوده و دما و رطوبت آنها بستگی به مناطقی که از روی آن عبور می‌کنند دارد.

بادهای غربی

مرکز این بادها نیز در مناطق نیمه استوائی است اما حرکت آنها در جهت مناطق فشار کم اقیانوس منجمد شمالی می‌باشد. در طول منطقه قطبی این بادها و بادهای قطبی بهم نزدیک شده و بدلیل اختلاف زیادی که در درجه حرارت این دو توده هوا وجود دارد جبهه‌های جلوئی این دو سیستم همیشه طوفانی است.

باد های قطبی

این بادها در اثر پراکنده شدن توده‌ های هوای سرد از مناطق فشار زیاد قطبی و اقیانوس منجمد شمالی بوجود می‌آیند. جهت اصلی این بادها در نیکره شمالی بطرف جنوب‌غربی و در نیمکره جنوبی بطرف شمال غربی است.

بادهای موسمی

اختلاف میانگین درجه حرارت سالانه هوای روی سطح زمین و دریا باعث بوجود آمدن بادهای زمستانی در روی خشکی و بادهای تابستانی در روی دریا می‌شود که بنام بادهای موسمی معروف‌اند.

نسیم‌های دریا و خشکی

در مناطق ساحلی در روز هوای روی خشکی گرمتر از هوای روی دریا می‌شود. این اختلاف دما باعث می‌گردد که هوای روی خشکی که گرمتر است بالا رفته و هوای روی دریا بطرف خشکی آمده و جای آن را بگیرد. این عمل باعث بوجود آمدن نسیم در سواحل می‌شود.

جریان هوا در شب که هوای روی دریا گرمتر از هوای روی خشکی است بطور عکس انجام گرفته و هوا از روی خشکی بطرف دریا جریان پیدا می‌کند.

باد های محلی

در مناطق کوهستانی اختلاف درجه حرارت باعث بوجود آمدن بادهای محلی می‌شود. در روز هوائی که در مجاورت سطح کوه‌ها قرار دارد گرمتر از هوائی که در جو آزاد است شده و به طرف بالا حرکت می‌نماید. در شب عکس این عمل اتفاق می‌افتد.

بدین ترتیب در مناطق کوهستانی بزرگ و دره‌ها بادهای شدیدی بوجود می‌آیند. جهت این بادها در روز از پائین به بالا و در شب از بالا به پائین است.

هرچه هوا گرمتر باشد مقدار رطوبتی که می‌تواند در خود نگاه دارد بیشتر می‌شود. بنابراین اگر مقدار مشخصی از هوا با درصد مشخصی از رطوبت‌نسبی بمرور سرد شود رطوبت نسبی آن افزایش یافته و در یک درجه حرارت که به آن نقطه شبنم می‌گویند رطوبت نسبی هوا به 100% می‌رسد. اگر این هوا باز هم سردتر شده و دمای آن به پائین نقطه شبنم برسد دیگر قادر به نگهداری تمام رطوبت موجود در خود نبوده و مقدار بخار آب اضافی بشکل قطرات آب بر روی سطوحی که دمای آنها از نقطه شبنم کمتر است تشکیل می‌گردد. در زمستانها در صورتیکه بدلیل سردی هوای خارج، دمای سطح داخلی شیشه پنجره اطاقها پائین‌تر از نقطه شبنم هوای داخل باشد، تشکیل قطرات آب بر روی سطوح پنجره‌ها قابل مشاهده است.

این پدیده دلیل عمده بوجود آمدن بارندگی است.

در حالت طبیعی دمای درونی بدن 37 و دمای پوست 32 درجه سانتیگراد است. چنانچه بدن در محیطی که گرمتر از پوست است قرار گیرد شروع به جذب گرما می‌نماید و بعکس اگر در محیطی سردتر از پوست بدن واقع شود گرمای خود را به تدریج از دست خواهد داد.

رطوبت نسبی به تنهائی مشخص‌کننده وضعیت هوا از نظر ظرفیت تبخیر نبوده و همواره باید درجه حرارت هوا را در رابطه با آن مورد توجه قرار داد.

در دمای 20 تا 25 درجه سانتیگراد میزان رطوبت هوا تقریباً تأثیری بر انسان نداشته و رطوبت نسبی بین 30 تا 85 درصد عملاً غیرقابل احساس است. در چنین وضعیت گرمائی تنها وقتی هوا تقریباً اشباع شده است رطوبت زیاد و تر بودن آن احساس می‌شود. در دمای بیش از 25 درجه سانتیگراد تأثیر رطوبت هوا بر انسان بمرور قابل توجه می‌شود، بخصوص تأثیر آن بر رطوبت و دمای پوست و در درجه حرارت‌های بالاتر بر میزان عرق و تبخیر آن.

هوای گرم و مرطوب (شرجی) بدلیل جلوگیری از ایجاد تعرق و تبخیر در روی پوست باعث ناراحتی شده و هوای گرم و خشک نیز باعث خشکی لبها و مخاط تنفسی گردیده و بدین طریق ناراحتی‌ ایجاد می‌نماید.

عامل دیگری که در میزان تأثیر رطوبت هوا بر بدن اثر می‌گذارد جریان هوا یا باد است. در یک درجه حرارت ثابت افزایش سرعت باد، میزان مجاز و قابل قبول رطوبت نسبی هوا را افزایش می‌دهد.

نمی‌توان احساس انسان نسبت به محیط اطرافش را از طریق بررسی تنها یکی از عوامل اقلیمی چون درجه حرارت، رطوبت نسبی یا جریان هوا بیان نمود، چون ترکیب این عوامل است که بر انسان تأثیر گذاشته و با آسایش فیزیکی او رابطه برقرار می‌سازد.

اگر حدود تغییرات این ارقام را در جدولی که رطوبت نسبی بر محور افقی و درجه حرارت بر محور عمودی آن مشخص گردیده ترسیم نمائیم محدوده‌ای بدست می‌آید که به آن اصطلاحاً «منطقه آسایش» می‌گویند. این منطقه مشخص‌کننده وضعیت‌هائی است که فرد در آن احساس آسایش می‌نماید. البته بدلیل تفاوتی که میان دمای مطلوب هوا در مناطق مختلف وجود دارد، نمی‌توان یک محدوده دقیق برای منطقه آسایش بدست آورد، زیرا دمای مطلوب هوا در یک منطقه مشخص برای افرادی با سنین و جنس‌های مختلف متفاوت بوده و به نوع و میزان فعالیت و نوع و مقدار لباس فرد نیز بستگی دارد.[1]همچنین دمای مطلوب هوا برای یک فرد در تابستان و زمستان نیز متفاوت است.

در تابستان دمای 24 درجه سانتیگراد و رطوبت نسبی 50% برای 98% افراد مطلوب است. در حالیکه در زمستان برای آنکه 97% افراد در آسایش باشند، می‌بایست با حفظ رطوبت نسبی در حد 50% دما را به 21 درجه سانتیگراد کاهش داد.

در منطقه آسایش، تغییرات رطوبت هوا بیشتر برای انسان قابل تحمل است تا تغییرات دمای آن و به همین دلیل لازم است که دمای هوای داخلی یک ساختمان با دقت بیشتری کنترل شود.

منطقه آسایش پیشنهادی پیشنهادی در شرایط ثابت بودن جریان هوا و در سایه صادق است. حال اگر دو عامل تابش آفتاب و باد نیز دخالت داده شوند هر کدام بنوعی در محدوده‌های منطقه آسایش تأثیر می‌گذارند.

تابش آفتاب دو اثر بیولوژیکی و حرارتی بر انسان می‌گذارد که اثر بیولوژیکی آن نتیجه تابش اشعه ماوراءبنفش و اثر حرارتی آن نتیجه تابش اشعه مرئی و مادون قرمز بر بدن انسان است.

اشعه ماوراءبنفش بر پوست اثر گذاشته و باعث آفتاب‌سوختگی پوست سفید می‌شود.

در شرایطی که دمای هوا کمتر از 21 درجه سانتی‌گراد است (محدوده پائین خط سایه) تابش آفتاب که می‌تواند باعث گسترش منطقه آسایش گردد. بدین ترتیب که در دماهای پائین که بدن گرمای خود را از دست می‌دهد، اگر گرمای تلف شده با اثر حرارتی تابش آفتاب جبران شود، راحتی انسان تأمین گردیده و شرایط فوق نیز در محدوده منطقه آسایش قرار خواهد گرفت.

رطوبت باعث کاهش دمای هوای خشک می‌شود. این کاهش دمای هوا که در اثر تبخیر رطوبت اضافه شده به آن ایجاد می‌شود باعث می‌گردد که محدوده‌های بالای منطقه آسایش نیز قابل تحمل گردیده و بدین ترتیب منطقه آسایش گسترش یابد.

خنک نمودن هوا بوسیله افزایش رطوبت به آن می‌تواند با وسائل مکانیکی یا بطور طبیعی با گیاهکاری یا ایجاد آب‌نما و فواره‌ها صورت گیرد.

تأثیر باد بر منطقه آسایش

سرعت جریان هوا بدو طریق بدن انسان را تحت تأثیر قرار می‌دهد. جریان هوا از یکطرف مشخص‌کننده مقدار تبادل حرارتی از طریق کنوکسیون (جابجائی هوا در اثر اختلاف دما) بوده و از طرف دیگر تعیین‌کننده ظرفیت تبخیر شدن در هوا و در نتیجه میزان خنک شدن بدن از طریق تعرق می‌باشد.

در دماهای بالا، یک حداکثر مطلوب سرعت باد وجود دارد که در آن حالت حداکثر میزان خنک شدن بدن صورت می‌گیرد. کم شدن سرعت هوا از این حد باعث افزایش دمای پوست و زیاد شدن آن باعث گرمتر شدن بدن از طریق جابجائی خواهد شد. این حد مطلوب سرعت باد یک مقدار ثابت نداشته و به عواملی چون دما و رطوبت هوا، قدرت بیولوژیکی بدن و پوشش لباس بستگی دارد.

وقتی رطوبت نسبی هوا 75/0 یا بیشتر باشد شرایط گرمائی هوای مورد نظر از محدوده منطقه آسایش خارج خواهد گردید. اما اگر در چنین وضعیتی هوا جریان داشته باشد این شرایط می‌تواند در منطقه آسایش قرار گیرد.

بنابراین وزش باد نیز می‌تواند باعث گسترش منطقه آسایش گردد.

بنابراین شدت تابش آفتاب و حرارت حاصل از آن در یک نقطه از سطح زمین به فاصله‌ای که اشعه خورشید باید طی نماید، ضخامت ابر و وضعیت‌ هوا از نظر آلودگی بستگی داد. به همین دلیل شدت تابش آفتاب در یک محل با ارتفاع آن محل از سطح دریا متناسب بوده و در نقاط مرتفع، چون اشعه خورشید فاصله کمتری از آتمسفر را طی می‌نماید حرارت بیشتری تولید می‌کند. همچنین در ظهر محلی هر منطقه، که خورشید در عمودی‌ترین حالت نسبت به زمین محل قرار داشته و فاصله آن کمتر است، شدت تابش آفتاب بیشتر از صبح و عصر، که خورشید در مایل‌ترین حالت نسبت به زمین محل موردنظر قرار دارد، می‌باشد.

شدت تابش آفتاب در هر نقطه از زمین به موقعیت خورشید نسبت به آن نقطه بستگی دارد.

موقعیت خورشید

نسبت به هر نقطه از زمین، مسیر حرکت خورشید در آسمان در روزهای مختلف سال متفاوت است. بطور مثال حرکت خورشید نسبت به ساختمانی که در نیمکره شمالی و در جهت شمال جنوب قرار گرفته بدین طریق است که در تابستان خورشید از شمال شرقی محوطه این ساختمان طلوع و در شمال غربی آن غروب می‌نماید. در زمستان طلوع خورشید از جنوب شرقی و غروب آن در جنوب غربی محوطه ساختمان فوق صورت می‌گیرد و تنها در اول فروردین و اول مهرماه خورشید کاملاً از شرق طلوع کرده و در غرب غروب می‌نماید.

موقعیت خورشید را در هر منطقه و در هر زمان می‌توان بوسیله دو زاویه یکی «زاویه تابش» و دیگری «جهت تابش» مشخص نمود. «زاویه تابش» زاویه‌ای است که بین امتداد اشعه خورشید و سطح افق تشکیل می‌شود و «جهت تابش» زاویه‌ای می‌باشد که بین تصویر امتداد اشعه خورشید بر صفحه افق و شمال واقعی پدید می‌آید. تغییرات روزانه و سالانه این زوایا به عرض جغرافیائی محل بستگی دارد.

اولین عاملی که در محاسبه زوایای موقعیت خورشید تاثیر دارد زاویه چرخش زمین، زاویه بین صفحه‌ای که از خط استوا می‌گذرد و خطی که مرکز زمین و خورشید را بهم وصل می‌کند، بوده و این زاویه در طول سال از 5/23 درجه بطرف بالای صفحه استوا تا 5/23 درجه بطرف پائین صفحه استوا یعنی 47 درجه تغییر می‌نماید. عوامل دیگری که در تعیین زاویه تابش و جهت تابش تاثیر دارند عرض جغرافیائی و زمان موردنظر می‌باشند.

1- دمای موثر (Fffective Tempareture) مطلوب برای افراد سنین بالای چهل سال معمولاً یک درجه بیشتر از دمای موثر مطلوب برای افراد پائین این سن می‌باشد و بطور کلی دمای موثر  مطلوب برای زنان یک درجه بیشتر از مردان است. دمای موثر مقیاسی است که تأثیر ترکیب دما، رطوبت و جریان هوا را بر انسان نشان می‌دهد.