ภูมิอากาศจุลภาค

ศัพท์ "micro-climate" ปรากฏครั้งแรกในช่วงคริสต์ทศศวรรษ 1950 ในสิ่งพิมพ์ได้แก่ ภูมิอากาศแบบย่อส่วน: การศึกษาสภาพแวดล้อมในภูมิอากาศจุลภาค (Climates in Miniature: A Study of Micro-Climate Environment) โดยทอมัส เบดฟอร์ด แฟรงคลิน (Thomas Bedford Franklin) ปี 1955^[2]

ปัจจัยหลักที่เป็นตัวกำหนดสภาพภูมิอากาศจุลภาคภายในพื้นที่หนึ่ง คือ อุณหภูมิและความชื้น ซึ่งสามารถชี้วัดได้จากอุณหภูมิของอากาศ ความชื้นสัมพัทธ์อากาศ ความเร็วลมปะทะ และอุณหภูมิเฉลี่ยของพื้นผิวโดยรอบ^[3][1]

แหล่งที่มาของการลดลงของอุณหภูมิและหรือความชื้น อาจเกิดจากแหล่งหรือปัจจัยอิทธิพลที่แตกต่าง บ่อยครั้งที่สภาพภูมิอากาศจุลภาคก่อตัวจากการผสมรวมกันของปัจจัยอิทธิพลหลายอย่าง ทั้งที่เกื้อหนุนกันและหักล้างกัน ซึ่งเป็นเรื่องของอุตุนิยมวิทยาระดับจุลภาค

พื้นผิวลาดชันของภูเขา

ปัจจัยหลักที่มีผลต่อภูมิอากาศจุลภาค คือภูมิประเทศ (topography) ตั้งแต่รูปลักษณะของพื้นผิวดิน ความลาดชัน (slope) และทิศทางของความลาดชัน (aspect) ที่เป็นตัวกำหนดปริมาณในการรับแสงแดด ซึ่งส่งผลกระทบต่อแสงและเงาที่เกิดขึ้นในพื้นที่ และส่งผลต่ออุณหภูมิผิวดิน^[4][1] เช่น พื้นที่ลาดชันที่หันเข้าสู่ทิศใต้ของซีกโลกเหนือและพื้นที่ลาดชันที่หันเข้าสู่ทิศเหนือของซีกโลกใต้จะได้รับแสงแดดโดยตรงมากกว่าพื้นที่ลาดชันที่อยู่ตรงข้ามกัน การได้รับแสงมากกว่าจึงมีความอุ่นขึ้นเป็นระยะเวลานาน (ความร้อนสะสมนานกว่า) ซึ่งทำให้ทางลาดมีสภาพอากาศที่อุ่นกว่าพื้นที่โดยรอบอื่น พื้นที่ต่ำสุดของหุบเขาบางครั้งอาจแข็งตัวเร็วหรือแข็งกว่าจุดที่ขึ้นเขาในบริเวณใกล้เคียง เนื่องจากอากาศเย็นจะจมลง ลมที่พัดพาให้แห้งอาจไม่ถึงด้านล่างต่ำสุด และความชื้นยังคงอยู่และตกตะกอน จากนั้นจึงกลายเป็นน้ำแข็ง

ดิน

ประเภทของดินในพื้นที่สามารถส่งผลกระทบต่อภูมิอากาศจุลภาค จากคุณสมบัติของดินในการกักเก็บน้ำไว้ในพื้นที่ และปลดปล่อยน้ำออกสู่ชั้นบรรยากาศผ่านการระเหย ส่งผลต่อปริมาณความชื้นในอากาศ^[4] และการสะสมความร้อนในโพรงอากาศระหว่างเม็ดดิน ดินที่มีสัดส่วนของดินเหนียวมากกว่าจะสามารถกักเก็บน้ำและสร้างความชื้นให้กับพื้นที่ได้มากกว่าดินที่สัดส่วนของดินทรายสูง กล่าวคือดินทรายมีอุณหภูมิสูงกว่าดินร่วนและดินเหนียว ตามลำดับ

นอกจากสัดส่วนขององค์ประกอบภายในดินแล้ว ปริมาณสิ่งปกคลุมบนผิวดินก็มีผลต่ออุณหภูมิและปริมาณความชื้นสัมพัทธ์ภายในพื้นที่ ดินที่ไม่มีสิ่งปกคลุมจะได้รับแสงและความร้อนมากกว่าพื้นที่ที่ถูกปกคลุมด้วยพืชพรรณหรือหญ้า^[1]

แอ่งอากาศเย็น

ตัวอย่างที่ดีของแอ่งอากาศเย็น (cold air pool, CAP) ได้แก่ หลุมยุบคชเต็ทเนอร์อัล์ม (Gstettneralm) ในออสเตรีย (อุณหภูมิต่ำสุดที่บันทึกไว้ −53 °ซ. (−63 °ฟ.))^[5] และหลุมยุบปีเตอร์ (Peter Sinks) ในสหรัฐอเมริกา

ซึ่งเกิดจากปัจจัยอิทธิพลที่สัมพันธ์กันคือ ความเร็วลม ความลึกของแอ่ง และความถี่ในการลอยตัวของมวลอากาศในแอ่ง กล่าวคือ ขึ้นกับปัจจัยอิทธิพลจากลมอุ่นภายนอกที่พัดลงในแอ่งในการเปลี่ยนสภาพภูมิอากาศ (อุณหภูมิของอากาศในแอ่ง)^[6]

ปล่องภูเขาไฟ

ที่ภูเขาไฟเมานาเคอา ในฮาวาย พบการก่อตัวของชั้น​ดินเยือกแข็งใต้ผิวของปล่องภูเขาไฟ แม้ว่ายอดภูเขาไฟนี้จะเป็นพื้นที่ปราศจากน้ำแข็งและแห้งแล้งเป็นพิเศษ แต่ดินเยือกแข็งกระจายตัวในส่วนที่เป็นชั้นสะสมของเถ้าลาวา (กรวยขี้เถ้ายอดยอดภูเขาไฟ) ทำให้เกิดสภาพภูมิอากาศจุลภาคที่เป็นเอกลักษณ์^[7] และยังอาจนำไปอธิบายสภาพภูมิอากาศจุลภาคของดาวอังคารได้ ซึ่งพบแผ่นน้ำแข็งประปรายในบริเวณที่ค่อนข้างอบอุ่น^[7]

ภูมิอากาศจุลภาคพืช

ตามที่รูด็อล์ฟ ไกเกอร์ (Rudolf Geiger) ชี้ให้เห็นในหนังสือของเขา^[8] ไม่เพียงแต่สภาพอากาศเท่านั้นที่มีอิทธิพลต่อพืชที่มีชีวิต แต่ผลกระทบที่ตรงกันข้ามกับปฏิสัมพันธ์ของพืชที่มีต่อสิ่งแวดล้อมสามารถเกิดขึ้นได้เช่นกัน และเป็นที่รู้จักกันในนามสภาพภูมิอากาศของพืช ผลกระทบนี้มีผลสำคัญต่อผืนป่าในใจกลางทวีป ซึ่งหากป่าไม้ไม่สร้างเมฆและวัฏจักรของน้ำจากกิจกรรมการคายระเหยอย่างมีประสิทธิภาพ จะไม่สามารถมีป่าไม้ได้ในที่ห่างไกลจากชายฝั่ง^[9] เนื่องจากตามสถิติแล้วหากไม่มีปัจจัยอิทธิพลอื่น ๆ น้ำฝนที่ตกจะมีปริมาณค่อย ๆ ลดลงนับจากชายฝั่งไล่ไปสู่ใจกลางพื้นทวีป การปลูกต้นไม้เพื่อต่อสู้กับภัยแล้งในพื่นที่ที่ไม่เคยเป็นป่ามาก่อนได้รับการเสนอเป็นส่วนหนึ่งบริบทของการปลูกป่า^[10]

แอ่งน้ำ

แอ่งน้ำธรรมชาติ อ่างเก็บน้ำ และเขื่อน ล้วนสร้างภูมิอากาศจุลภาค และมักมีอิทธิพลต่อสภาพอากาศมหภาคเช่นกัน

ในเขตเมืองที่หนาแน่นรวมทั้งวัสดุเช่นอิฐ คอนกรีต หรือแอสฟัลต์ ต่างดูดซับพลังงานของดวงอาทิตย์ ทำให้ร้อนขึ้น^[11] และแผ่ความร้อนนั้นกลับคืนสู่อากาศแวดล้อมในสภาพกึ่งปิดโดยเฉพาะพื้นที่อาคารสูงทำได้ยาก และมีระบบถนนที่แคบและปิดทางลม สร้างสภาวะที่เรียกว่าเกาะความร้อนในเมือง ซึ่งเป็นภูมิอากาศจุลภาคชนิดหนึ่ง

ความคิดเรื่องภูมิอากาศและการจัดการภูมิอากาศจุลภาคในการเกษตร (agronomy) ยังนำมาประยุกต์ใช้สำหรับภูมิสถาปัตยกรรมศาสตร์ เช่น การจัดการพืชสวนแบบต่าง ๆ

สภาวะน่าสบาย

การสร้างสภาวะน่าสบาย (comfort zone) ด้วยการควบคุมปัจจัยอิทธิพลที่ก่อเกิดสภาพภูมิอากาศจุลภาค เช่น แสงแดด กระแสลม โดยการใช้องค์ประกอบเชิงภูมิสถาปัตยกรรมได้แก่

น้ำ ใช้ในการช่วยปรับอุณภูมิของพื้นที่ ช่วยเพิ่มความชื้นสัมพัทธ์ในอากาศผ่านการระเหย และลดการกักเก็บความร้อนของพื้นที่ เนื่องจากมวลน้ำมีศักยภาพในการกักเก็บความร้อนได้แย่กว่าพื้นดิน นอกจากนี้อุณหภูมิที่ต่างกันของผิวน้ำและผิวดินจะทำให้เกิดการหมุนเวียนของกระแสลมขึ้นในพื้นที่^[4] รวมทั้งโครงข่ายการเชื่อมกันของแหล่งน้ำ (network of water bodies)^[3]

พืชพรรณ (vegetation) ช่วยดูดซับความร้อนภายในพื้นที่ เนื่องจากพืชจะกักเก็บพลังงานจากแสงอาทิตย์ไปใช้ในกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง และในกระบวนการดำรงชีวิตของพืชจะมีการคายน้ำออกมาซึ่งช่วยเพิ่มปริมาณความชื้นในอากาศ นอกจากนี้พืชยังช่วยสร้างสร้างร่มเงาให้แก่พื้นที่และลดการสะท้อนความร้อน การปลูกพืชพรรณจึงช่วยลดอุณหภูมิภายในพื้นที่ พื้นที่บริเวณที่มีพืชพรรณมีอุณหภูมิต่ำกว่าพื้นที่โดยรอบ 2-2.5 องศาเซลเซียส^[1]

กลุ่มของไม้ยืนต้นและไม้พุ่มจะช่วยกำหนดทิศทางของกระแสลม ปรับอุณหภูมิของลมที่พัดเข้ามาภายในพื้นที่ และทำหน้าที่เป็นทั้งกำบังให้แก่พื้นที่ที่มีลมพัดแรงเกินไป และสร้างช่องลมเพื่อออกแบบทิศทางของกระแสลมที่จะพัดเข้าสู่พื้นที่ให้เหมาะสมต่อการใช้งาน^[1]

พื้นที่เปิด (open space) จากหลักการอากาศที่ร้อนจะลอยตัวสูงขึ้นแล้วอาการที่เย็นกว่าจะไหลเข้ามาแทนที่ การสร้างพื้นที่เปิดโล่งจะทำให้อากาศร้อนสามารถระบายออกจากพื้นที่ได้อย่างสะดวกและอากาศเย็นจะเป็นลมพัดพาเข้ามาในพื้นที่แทน จึงช่วยทำให้อุณหภูมิภายในพื้นที่ลดลง^[1] ยังครอบคลุมถึงการวางผังช่องลม (wind channels) แผนผังของการจราจร (street pattern) และการเรียงตัวของอาคาร (building line)^[12][3]

วัสดุ การเลือกใช้วัสดุที่สามารถกักเก็บความชื้นได้ เช่น แนวรั้วไม้ พื้นกรวด พื้นหญ้า เพื่อลดความร้อนที่จะเกิดขึ้นจากการสะสมความร้อนไว้ในวัสดุ และลดการสะท้อนความร้อนออกไปยังพื้นที่ข้างเคียง^[1]