BUDYNEK W EKSTREMALNYCH STREFACH KLIMATYCZNYCH

Jak wynika z uzyskanych danych, aktualnie zamieszkiwane przez człowieka strefy klimatyczne będą cechowały coraz bardziej skrajne warunki pogodowe, do życia w których ludzie będą musieli się zaadaptować. Uwaga naukowców skupia się więc na środowiskach ekstremalnych, które zwykle nie zapewniają ludziom odpowiednich do funkcjonowania warunków, ale mogą stanowić inspirację i wyznaczać kierunki przyszłych poszukiwań w budownictwie.

Środowisko stanowi nieodłączny element rzeczywistości. W ogólnym pojmowaniu obejmuje ono zbiór elementów ożywionych oraz nieożywionych, powstałych zarówno naturalnie, jak i w wyniku przekształceń będących efektem działalności człowieka. Naukowcy zajmujący się tym zagadnieniem opisują wzajemne powiązania, oddziaływania i zależności zachodzące pomiędzy jego komponentami występującymi na określonym obszarze [9]. W skład danego ekosystemu wchodzą między innymi: rzeźba terenu, klimat, stosunki wodne czy też gleba bądź organizmy żywe. Podstawową właściwością środowiska naturalnego jest zachowanie równowagi zachodzącej pomiędzy jego elementami, opierającej się na zrównoważonych przepływach energii, materii oraz informacji [10]. Dotychczas udowodniono [6], że aktywność człowieka powiązana jest z globalnym ociepleniem powodującym topnienie lodowców, zmniejszanie się pokrywy lodowej, wzrost średniego poziomu wód oraz występowanie ekstremalnych temperatur. W wielu miejscach na świecie dostrzeżono także zwiększoną tendencję do występowania takich zjawisk, jak: powodzie, susze, pożary, a także inne klęski żywiołowe, z którymi człowiek musi zmagać się w życiu codziennym [7]. Ludzie, którzy zwykle nie zamieszkują środowisk ekstremalnych, będą wkrótce zmuszeni do zaadaptowania swoich siedlisk (budynków) do nieustannie zmieniających się warunków [5]. Z uwagi na dostrzegalne zmiany klimatyczne rozwiązanie problemu związanego z tą adaptacją staje się coraz bardziej naglące. W przyspieszeniu tego procesu pomocna może okazać się obserwacja organizmów żywych i badanie sposobu, w jaki przystosowały się one do bytowania w ekstremalnych środowiskach. Zdolność do ewoluowania i przystosowywania się do nowych warunków umożliwiła im przeżycie w nieustanne zmieniającym się środowisku [10]. Adaptacja do warunków określonego ekosystemu była powolnym procesem, trwającym miliony lat, ale jej efekty są możliwe do bieżącej obserwacji i badania.

Komfort cieplny człowieka

Ziemia stawia ludziom liczne wyzwania. Człowiek zasadniczo należy do organizmów tropikalnych, słabo przystosowanych do funkcjonowania nawet w najbardziej łagodnym środowisku chłodnym. Jedynie adaptacje behawioralne, wynikające ze zmiany sposobu zachowania, dały mu możliwość przetrwania w warunkach ekstremalnych. Przejawiają się one chociażby poprzez noszenie odpowiedniego dla danej strefy ubioru i umiejętności budowania adekwatnych schronień. Człowiek jest organizmem stałocieplnym, który trudno znosi jakiekolwiek wahania temperatury ciała. Za prawidłową jej wartość uznaje się 36,6°C. Wiele okoliczności przyczynia się do tego, że dochodzi do zakłócenia homeostazy organizmu. W takich sytuacjach ośrodek termoregulacji reaguje gorączką bądź anapireksją (stan odwróconej gorączki). Oba objawy to oznaki działania dobroczynnego mechanizmu polegającego na regulacji temperatury w odpowiedzi na atak choroby. Natomiast pod wpływem czynników zewnętrznych, takich jak zimne, wilgotne powietrze lub mocne słońce, dochodzi do zaburzenia równowagi termicznej organizmu. Skutkuje to dwoma skrajnymi stanami, hipo- bądź hipertermią, świadczącymi o wychłodzeniu lub całkowitym przegrzaniu organizmu [4] – patrz tab. 1. Istotnym składnikiem wpływającym zarówno na przebieg reakcji metabolicznych, jak i na regulację temperatury w organizmie jest woda. Średnio stanowi ona niemal 70% masy dorosłego człowieka. Już utrata 2% jej zawartości wyraźnie wpływa na funkcjonowanie oraz wydolność organizmu ludzkiego, a przy większym jej niedoborze może doprowadzić do śmierci [4] – patrz: tab. 2. Człowiek zdołał zapewnić sobie komfort życia w warunkach ekstremalnych stref klimatycznych przez umiejętność budowania schronień dopasowanych do swoich potrzeb. W zależności od strefy klimatycznej na przestrzeni wieków wykształcił wiele rozwiązań budowlanych pozwalających na stworzenie dogodnych warunków bytowania. Na przykład w przypadku pomieszczeń przeznaczonych do pracy udowodniono, że optymalne warunki na stanowisku pracy osiąga się przy wysokościach temperatury operatywnej 20–24°C oraz wilgotności powietrza 40–60% [3].

Budynki w strefach ekstremalnych

Analizę zagadnienia w ekstremalnych strefach klimatycznych oparto o szczegółowe studia 10 reprezentatywnych lokalizacji – zamieszkiwanych lub nie przez człowieka. Ważnym czynnikiem wpływającym na tworzenie się mikroklimatu danego regionu jest sąsiedztwo stosunkowo wysokich gór. Największa amplituda pomiędzy najwyższą (+70,7°C, pustynia Lut, Iran, 2005) a najniższą (-93,2°C, Plateau Station, Antarktyda 2010) zanotowaną temperaturą na Ziemi wynosi aż 163,9°C. Interesująca – choć nieintuicyjna – jest informacja, że na Antarktydzie znajduje się także najbardziej sucha dolina na świecie, McMurdo Valleys, gdzie z powodu silnych wiatrów (>300 km/h) od 2 mln lat nie zanotowano żadnych opadów. Miasto Lloro w Kolumbii jest natomiast najbardziej wilgotnym miejscem, w którym roczna średnia opadów na miesiąc wynosi 13299 mm. Dla porównania średnia roczna suma opadów w Polsce wynosi zaledwie ok. 600 mm. Zebrane dane pokazują ekstremalne wartości temperatury i wilgotności
powietrza, które trzeba zrównoważyć, tworząc miejsca o odpowiednim dla człowieka komforcie klimatycznym.

Strefa ekstremalnie zimna

W przypadku środowisk ekstremalnie zimnych największym wyzwaniem dla budownictwa nie są niskie temperatury powietrza, a raczej duża ich amplituda, przekraczająca nawet 100°C. Charakterystyczne dla tych stref jest występowanie taryn – zwałów lodowych sięgających kilku metrów, powstałych w wyniku procesów topnienia i zamarzania. W wielu miejscach przez ponad pół roku utrzymuje się wieczna zmarzlina, składająca się nawet w 70% z wody. W okresie chłodów zapewnia ona stabilne podłoże, natomiast w okresie roztopów może stanowić poważny problem techniczny dla trwałości posadowienia budynków. Jednym z najbardziej efektywnych rozwiązań stosowanych w rejonach arktycznych jest posadowienie budynków na słupach, które – w wyniku wielokrotnych procesów zamarzania i rozmarzania – stopniowo kotwione są w zmarzlinie. Inny przykład typowej architektury tych regionów stanowi igloo – budowane z ciętych bloków śnieżnych lub jako konstrukcja z kości wielorybów i skór, od zewnątrz izolowana śniegiem. Igloo mieszkalne składało się z kilku komór sypialnych (do 5) połączonych tunelami, w których mogło przebywać do 20 osób. Obła bryła pozwalała na ograniczoną wymianę ciepła z otoczeniem i zmniejszenie naporu wiatru. Zadaniem krótkiego niskiego wejścia była minimalizacja strat energii cieplnej, gdy składające się ze zwierzęcych skór drzwi były otwarte. Wewnątrz, w celu zapewnienia światła, niektóre bloki śnieżne zastępowano czystym lodem. Półka, na której spali mieszkańcy, znajdowała się zawsze powyżej poziomu wejścia. Budowano ją z lodu, a następnie przykrywano skórami karibu. W tradycyjnym igloo ciepło  pochodzące z kamiennej lampy opalanej tłuszczem zwierzęcym (kudlika) powodowało nadtapianie cienkiej warstwy śniegu, która pod  wpływem niskiej temperatury tworzyła lodową powłokę wzmacniającą konstrukcję od wewnątrz.

Strefa ekstremalnie sucha

Wśród obszarów pustynnych, ze względu na sposób powstawania,  wyróżnić możemy 4 rodzaje pustyń: zwrotnikową (Sahara), nadbrzeżną – będącą wynikiem działania prądów morskich (Atakama), w strefie  umiarkowanej – powstałą w cieniu opadowym gór (Gobi) oraz polarną (dolina McMurdo). Istotnym czynnikiem kształtującym klimat na terenach pustynnych są silne osuszające powietrze wiatry. W przypadku  miejsc znajdujących się w pewnej odległości od akwenów jedyne źródło wody na tych obszarach stanowią pojawiające się z pewną częstotliwością mgły. Powstają one w efekcie mieszania dwóch mas powietrza: chłodzonych przez zimne prądy morskie z ogrzanymi nad lądem.  W przypadku wielu obszarów pustynnych na znacznej głębokości poniżej poziomu gruntu występują zbiorniki wodne, czasem o objętości  większej niż te naziemne. Rdzennymi mieszkańcami tych rejonów są  nomadowie, prowadzący koczowniczy lub półkoczowniczy tryb życia.  Przed połową XX wieku wśród Beduinów tradycyjną formą zamieszkania było obozowanie w oazach. W niektórych rejonach domostwa  wznoszone były ze słomy lub gliny, dach przykrywały wiechy, a wszelkie otwory przesłaniały tkaniny. Rozbijano tam namioty zwane Bait Al  Sha’er (domy z włosia), tkane z koziej, owczej bądź wielbłądziej wełny  (patrz fot. 1.). Powłoka ta zapewniała jednocześnie wodoodporną barierę, jak i ochronę przed wiatrem. W zależności od jego kierunku namioty mogły być otwierane z dowolnej strony.

Strefa ekstremalnie gorąca

Większość obszarów strefy gorącej położona jest w depresji. Panujące w nich warunki klimatyczne zdeterminowane są przez amplitudę temperatur. Różni się ona znacznie w zależności od lokalizacji (jedynie 24°C w Kotlinie Danakilskiej w Etiopii, aż do 95,7°C pomiędzy  chińskimi pasmami górskimi Kotliny Turfańskiej). Architektura strefy  gorącej musi zatem zapewnić nie tylko ochronę przed ekstremalnie
wysokimi temperaturami, ale także powinna zabezpieczyć mieszkańców przed możliwymi mrozami, występującymi głównie nocą. Berberowie od wieków mieszkają pod ziemią w domostwach wydrążonych w miękkich, piaszczystogliniastych skałach osadowych. Centrum siedliska stanowi obszerne okrągłe otwarte podwórze/atrium  o średnicy 10–15 m i głębokości 6–7 m. Z niego dostać się można do  izb, spiżarni bądź pomieszczeń gospodarczych znajdujących się na  różnych poziomach (patrz fot. 2.). Istotną zaletą budowania domów  pod ziemią są właściwości izotermiczne gruntu, dzięki którym w czasie upałów wewnątrz utrzymywał się chłód, zimą zaś ciepło. Zespoły mieszkalne łączono ze sobą tunelami w grupy. Tradycją tutejszych  rolników jest usypywanie w wąskich dolinach zapory z ziemi oraz kamieni i tworzenie w ten sposób tarasów zatrzymujących wodę deszczową i muł. Dzięki temu stwarzają oni możliwość uprawy palm daktylowych, drzewek oliwnych i figowców.
Strefa ekstremalnie wilgotna Ekosystemy wilgotne nie są oficjalnie wymieniane wśród środowisk  ekstremalnych. Dzieje się tak dlatego, że to głównie ukształtowanie  terenu i lokalizacja są czynnikami wpływającymi na powstawanie dużej ilości opadów, niezależnie od panujących w danej strefie temperatur. Wilgotne masy powietrza znad mórz i oceanów nacierają na zbocza gór zarówno na izolowanych wyspach, jak i na kontynentach. Na  zboczach dochodzi do tworzenia się chmur, z których powstaje bardzo obfity opad atmosferyczny po nawietrznej stronie. Na podobnej  zasadzie powstają sezonowe wiatry monsunowe, które niosą wilgoć  w głąb lądu. W analizach stref wilgotnych szczególnie interesujący  jest ciepły monsun letni, który, wiejąc w stronę lądu, powoduje obfite opady. Wiatry te występują głównie u wschodnich i południowych  wybrzeży Azji, w Ameryce Środkowej oraz Zatoce Gwinejskiej. Opady  wywołują powodzie i zalania znacznych obszarów terenu. W tradycyjnej architekturze tych terenów występują palafity – budynki lub osady wznoszone na platformach opartych na wbijanych w dno palach.  Na wypadek podniesienia poziomu wody platformy te znajdują się  na wysokości 3,5–4 m ponad poziomem gruntu. Tworzoną z bambusa lub innego wodoodpornego drewna konstrukcję wzmacnia się  deskami. Platformy nie mogą być wznoszone na podłożu zawierającym luźne kamienie lub gruz. W takim wypadku w pierwszej kolejności wykonywane są betonowe fundamenty pod słupy konstrukcyjne. Konstrukcja usztywniana i stężana jest poprzecznymi belkami i zastrzałami. Zaletami takiego budownictwa są: (i) sprawniejszy przepływ powietrza w budynku w klimacie gorącym, (ii) sucha przestrzeń pod platformą, (iii) możliwość wznoszenia na dowolnie ukształtowanym terenie.

Inspiracja mechanizmami naturalnymi – bionika

Współcześnie postępująca globalizacja powoduje zmniejszające się zróżnicowanie siedlisk ludzkich, w szczególności miast. W zapomnienie odeszły tradycje budowlane regionów, korzystające przez wieki z mechanizmów naturalnych, które zapewniały komfort termiczny mieszkańcom danej strefy klimatycznej. Obecnie wyraźnie powraca się do tych rozwiązań jako bardziej efektywnych energetycznie i jednocześnie przyjaźniejszych środowisku. Są one szczególnie istotne wobec niezaprzeczalnych i powszechnie obserwowanych zmian klimatu. Jednym ze sposobów poszukiwania nowych rozwiązań jest analiza fauny i flory ekstremalnych stref klimatycznych. Dostarcza ona wielu inspiracji dla nowoczesnych oraz zrównoważonych środowiskowo systemów regulacji mikroklimatu. Wśród środowisk ekstremalnych możemy wyróżnić środowiska zasadowe, kwasowe, ekstremalnie zimne i gorące czy też pozbawione wody bądź tlenu. Panujące w nich warunki tworzą ekosystemy, w których do bytowania przystosowane są wyłącznie nieliczne formy życia. Na świecie występują jednak organizmy zwane ekstremofilami zaadaptowane do funkcjonowania i rozmnażania się w takich miejscach. Większość z nich to przedstawiciele bakterii, m.in. Helicobacter pylori (bytująca w warunkach ph<3), Pyrolobus fumarii (rozmnażająca się dopiero przy temperaturze 106°C) lub Deinococcus radioduran (wytrzymująca ogromne dawki promieniowania do 15 000 Gy oraz odporna na stężone kwasy, a ponadto wysokie i jednocześnie ekstremalnie niskie temperatury) [8]. Wiele naturalnych mechanizmów termoregulacyjnych wyewoluowało w wyniku dostosowywania się organizmów do funkcjonowania w nieustannie zmieniającym się środowisku. Na wcześniej wymienionych obszarach stref klimatów ekstremalnych pojawiają się gatunki fauny i flory, które na przestrzeni milionów lat w wyniku procesu naturalnej selekcji dostosowały się do życia w niesprzyjających warunkach. Zmiany te zachodziły poprzez stopniową modyfikację istniejących struktur lub funkcji. Wśród organizmów zamieszkujących podobne siedliska często zauważyć można wykształcanie zbliżonych mechanizmów przystosowawczych. W zależności od stopnia pokrewieństwa gatunków określa się to mianem zjawiska konwergencji lub ewolucji równoległej [10]. Warto podkreślić, że istnienie obecnie występujących gatunków, których różnorodność jest efektem nieprzerwanych serii specjalizacji i wymierania, stanowi wyłącznie etap przejściowy trwających procesów ewolucji. Przez miliony lat ewolucji przyroda zdołała wytworzyć wiele rozwiązań adaptacyjnych. Właściwa analiza oraz zrozumienie tych zjawisk mogą stać się bezpośrednią inspiracją dla badań naukowych z różnych dziedzin i opracowania przyszłych technologii. Działania te są przedmiotem bioniki. Ta relatywnie młoda nauka z pogranicza techniki oraz biologii zajmuje się badaniem budowy i zasad funkcjonowania organizmów żywych w celu wykorzystania uzyskanych wyników do budowy urządzeń technicznych. Przełomowym momentem dla tej wciąż słabo rozpropagowanej dziedziny wiedzy był początek lat 60. XX wieku, kiedy to nastąpił jej dynamiczny rozwój [1]. Obecne osiągnięcia bioniki znajdują coraz szersze zastosowanie, także w architekturze i budownictwie. W celu przekraczania kolejnych granic projektanci dążą do tworzenia zespołów interdyscyplinarnych poprzez nawiązywanie współpracy z przedstawicielami innych dziedzin. Przykładami takich poszukiwań mogą być: stosowana na elewacjach przepuszczalna membrana inspirowana budową błony komórkowej [1], elewacja wykorzystująca żywe algi do produkcji biomasy [2] – patrz fot. 3, czy też elewacja inspirowana budową morfologiczną zewnętrznej powłoki jaj stawonogów [1]. Wydaje się, że wskazane jest sformułowanie nowego interdyscyplinarnego paradygmatu projektowania, który pozwoli na równoczesne analizowanie wielu czynników wpływających na funkcję i formę budynków, a także na szybsze wyciąganie wniosków oraz większą dokładność wyników badań. Technologie inspirowane naturą mogą być pomocne w walce z negatywnymi efektami globalnego ocieplenia i zanieczyszczeniem środowiska, przyczyniając się również do zrównoważonego rozwoju zarówno miast, jak i obszarów wiejskich. Będzie to przedmiotem planowanych intensywnych badań naukowych.

mgr inż. arch. Justyna Romanowska, dr hab. inż. arch. Marcin Brzezicki Wydział Architektury Politechniki Wrocławskiej