Miejskie wyspy ciepła – skąd się biorą i komu szkodzą?

W zależności od źródła szacuje się, że w obszarach miejskich żyje dzisiaj ok. 55 – 85% spośród wszystkich ludzi na Ziemi. Zarówno liczba ludności jak i migracja do miast rosną niemal wykładniczo. Nic dziwnego – życie w mieście jest zwyczajnie wygodne. Jednak im więcej z nas korzysta z wygód miasta, tym trudniej jest zrównoważyć jego funkcjonowanie. Jednym z efektów stale rosnącej urbanizacji, obok zanieczyszczenia światłem i nadmiernym hałasem, jest znaczący wzrost temperatury na obszarach zabudowanych. Miejskie wyspy ciepła, bo tak określa się nienaturalną różnicę temperatury między aglomeracją a pobliskimi obszarami wiejskimi, powodują szereg zagrożeń nie tylko dla okolicznych ekosystemów ale i – a może przede wszystkim – nas samych.

Jak powstają miejskie wyspy ciepła?

Nie jest jednostkowym przypadkiem sytuacja, w której miasto jest kilka, a czasem nawet kilkanaście stopni cieplejsze niż obszary wiejskie z nim sąsiadujące. Na wysokie różnice w temperaturze między obszarami miejskimi a niezabudowanymi, wpływa kilka czynników.

Pierwszym z nich jest sama konstrukcja miasta, czyli po prostu pokrycie dużych przestrzeni betonem i asfaltem. Niektóre badania wskazują, że nawet 40% powierzchni miasta mogą zajmować chodniki (nie wliczając ulic!) [2]. Są to materiały o niskim albedo – czyli, mówiąc w skrócie, zamiast odbijać promieniowanie słoneczne, pochłaniają zdecydowaną jego większość. Ciepło zatem zostaje zatrzymane i zgromadzone (a uwalniane bardzo powoli) w miejskiej infrastrukturze. Logicznym następstwem, im gęstsza zabudowa w mieście, tym większa akumulacja cieplna budynków.

Drugim, równoważnym albedo, powodem ocieplania się przestrzeni miejskiej, są antropogeniczne strumienie ciepła (ang. anthropogenic heat fluxes). Są one ściśle związane z konsumpcją energii i emitowanym w związku z tym ciepłem. W miastach są to przede wszystkim urządzenia elektroniczne (RTV i AGD), ogrzewanie i oświetlenie budynków, silniki spalinowe i transport, a także sami ludzie. Intensywność efektu miejskiej wyspy ciepła jest zatem także związana z samą gęstością zaludnienia danej aglomeracji.

W literaturze pojawia się także hipoteza, że do ocieplania się miast względem obszarów poza nimi w okresie nocnym, przyczyniać się może światło przez nie emitowane [3]. Być może jest ono jednak głównie wyznacznikiem identyfikującym miejskie wyspy ciepła.

Miasto jest gorące zarówno w dzień, jak i w nocy

Miejskie wyspy ciepła dotyczą zarówno temperatury różnorodnych powierzchni (ulic, dachów itd.), jak i atmosfery. Różnica w nagrzaniu powierzchni w mieście i poza nim jest zazwyczaj dużo większa niż różnica w nagrzaniu atmosfery. Betonowe powierzchnie nagrzewają się po prostu dużo szybciej, jeśli bezpośrednio padają na nie promienie słoneczne. Mimo to, nagrzanie powierzchni i powietrza są ściśle ze sobą powiązane – im bardziej rozgrzane powierzchnie, tym więcej ciepła stopniowo uwalnia się do atmosfery w ich okolicach.

Co ciekawe, w przeciwieństwie do różnicy w temperaturze powierzchni, różnica w temperaturze powietrza między miastem a obszarami sąsiednimi, jest zazwyczaj największa w nocy. W dzień różnica ta może wynosić 1-3C, a w nocy nawet 12C. Dzieje się tak dlatego, że ciepło pochłonięte w ciągu dnia przez infrastrukturę miejską oddawane jest powoli, a więc także w godzinach nocnych. Większym różnicom temperaturowym po zmroku sprzyja również fakt spowolnienia procesów oddychania roślin (a więc też ewaporacji), które pomagają nieco schłodzić nagrzane w ciągu dnia miasto.

Temperatura rośnie, włączamy klimatyzację

Taka całodobowa, antropogeniczna machineria kreująca miejskie wyspy ciepła, ma szereg konsekwencji ekonomicznych, środowiskowych i zdrowotnych.

Coraz cieplejsze miasta zwiększają zapotrzebowanie na używanie klimatyzacji (w domach, biurach, centrach handlowych i samochodach). Same klimatyzatory nie mogą działać bez tzw. czynnika chłodniczego (czyli substancji transportującej ciepło), którym są zazwyczaj tzw. F-gazy lub dwutlenek węgla. Są to gazy cieplarniane, które w przypadku nieszczelności układu przedostają się do środowiska.

Nieznośna temperatura i stale włączona klimatyzacja wiąże się też ze znacznie zwiększoną konsumpcją energii i dalszym emitowaniem ciepła z urządzeń chłodzących. Większe zapotrzebowanie na energię elektryczną powoduje intensywniejsze spalanie w elektrowniach (i silnikach spalinowych), a więc zwiększenie zanieczyszczenia powietrza i prawdopodobieństwo pojawienia się smogu. Do atmosfery uwalniane są też większe ilości gazów cieplarnianych. Przyczyniają się one, jak wiadomo, do ocieplania klimatu, które ma spore konsekwencje środowiskowe (zakwaszenie oceanów, utrata bioróżnorodności poprzez wymieranie gatunków itd). Oczywiście klimatyzacja nie jest najważniejszym winowajcą ocieplania globalnego klimatu, ale bez wątpienia się do niego przyczynia.

Badania [5] wyraźnie pokazują, że wraz ze wzrostem temperatury w miastach, elektrownie emitują coraz więcej dwutlenku siarki i tlenków azotu. Gazy te są szczególnie groźne dla astmatyków, dzieci i osób starszych.

Stres cieplny dotyka najbiedniejszych

Na wzroście intensywności użycia klimatyzatorów ucierpią najbardziej ci, którzy na tego typu luksus pozwolić sobie nie mogą. Nie tylko są oni bardziej narażeni na ekspozycję na trujące gazy, ale też najbardziej odczują wtórnie napędzany przez nie efekt miejskich wysp ciepła.

Stres cieplny (ang. urban heat stress), jest bowiem bezpośrednim zagrożeniem, jakie stwarzają dla ludzi miejskie wyspy ciepła. Fale upałów odpowiadają za wiele poważnych zaburzeń zdrowotnych, a w ekstremalnych przypadkach także śmierć osób szczególnie wrażliwych na wysokie temperatury (np. osób starszych i z osłabioną odpornością). Zwiększona ekspozycja na wysokie temperatury, w połączeniu z brakiem możliwości regeneracji organizmu w nocy (w końcu noce w miastach też są gorące) może skutkować przedwczesną śmiertelnością.

Od przegrzania umierają zazwyczaj osoby, które nie mają możliwości efektywnie się przed nim uchronić (np. włączając klimatyzację). Okazuje się też, że w większości miast dużym problemem jest rozlokowanie dzielnic ubogich w odniesieniu do zieleni miejskiej, która niweluje nieco skutki upałów [6]. Najbardziej zmarginalizowane pod względem ekonomiczno-socjalnym społeczności mieszkają zazwyczaj w najmniej zielonych, a więc najgorętszych obszarach miasta. Upały skutkują także zwiększonym zużyciem wody, a w konsekwencji wzrostem jej ceny i pogłębianiem ubóstwa lub obniżeniem komfortu życia najuboższych grup społecznych (nie wspominając o konsekwencjach ekologicznych lokalnego braku wody).

Miejskie wyspy ciepła największy problem sprawiają w tropikach

Chociaż problem podwyższonej temperatury w miastach dotyczy całego świata, to Chiny i Stany Zjednoczone najwięcej uwagi poświęcają temu właśnie zagadnieniu. To stamtąd pochodzi najwięcej doniesień o problemie ale i najwięcej badań dotyczących sposobów niwelowania negatywnych jego efektów.

Mimo to, miejskie wyspy ciepła mogą w niedalekiej przyszłości okazać się największym problemem nie dla obywateli USA czy Chin, które już szukają rozwiązań i mają (mniejsze lub większe, ale jednak) zasoby na ich implementację, a dla bardzo szybko zabudowywanych miast w krajach rozwijających się w strefie klimatu tropikalnego [8]. Intensywnie zaludniające się ośrodki miejskie w Afryce czy południowej Azji, których zabudowa staje się coraz gęstsza, mają coraz większy problem z niwelowaniem różnic w temperaturze między obszarami wiejskimi a zurbanizowanymi. Panujący w nich tropikalny klimat sprawia, że ewapotranspiracja (parowanie z wód, gleby i roślin), odgrywająca kluczową rolę w ochładzaniu atmosfery, jest trudna do opanowania. O ile poza miastem proces ten skutecznie łagodzi temperatury, tak wśród betonowej zabudowy zachodzi w stopniu minimalnym. Aby takie wilgotne, tropikalne miasta nieco ochłodzić, należałoby “zazielenić” je dużo bardziej (a być może nawet całe zasiać bujną roślinnością), niż to byłoby konieczne w przypadku miast z niższą dostępnością wody [8].

Jak ochłodzić miejskie wyspy ciepła?

Niestety zatem, miejskie wyspy ciepła w tropikach dużo trudniej będzie ochłodzić, niż te ze strefy umiarkowanej. Zwiększenie ilości zieleni w miastach jest bowiem jednym z najważniejszych aspektów planowania przestrzennego mającego na celu zmniejszyć nadmierne zatrzymywanie ciepła w betonowej dżungli. W tym celu tworzy się nie tylko parki, ale także ogrody wertykalne i na dachach budynków. Zieleń, która pokrywa obszerne, płaskie przestrzenie (np. właśnie dachy), nie tylko bezpośrednio schładza powietrze, ale też uniemożliwia ich nagrzewanie się.

Kolejnym elementem jest projektowanie tzw. chłodnych nawierzchni. Chodzi o zastępowanie betonowych chodników i asfaltowych dróg materiałami o znacznie większym albedo (odbijającymi więcej światła) i słabszym przewodnictwie cieplnym. Tym lepiej, im jaśniejszy mają kolor oraz im bardziej są “odblaskowe” i gładkie. Takie chłodne chodniki mogą być też porowate i przepuszczalne, aby zatrzymywać wilgoć, która może zostać odparowana jednocześnie schładzając powierzchnię.

Przy rozbudowie aglomeracji i planowaniu dalszej ekspansji zabudowań miejskich ważne jest, żeby unikać tworzenia tzw. miejskich kanionów. Sytuacja, w której ulica z obu stron obstawiona jest wysokimi budynkami (naśladując naturalny kanion) dodatkowo nasila miejskie wyspy ciepła. Energia słoneczna zostaje po prostu uwięziona między budynkami z niewielką możliwością opuszczenia takiego ulicznego kanionu. Przy planowaniu nowej zabudowy ważne jest, żeby takich sytuacji możliwie unikać.

Redukowanie ryzyka powstawania miejskich wysp ciepła jest zatem stosunkowo łatwe, jeśli odpowiednio wcześnie wzięte pod uwagę. Planowanie przestrzenne powinno – i w wielu przypadkach na szczęście tak jest – uwzględniać ryzyko, jakie uwięzione ciepło stwarza dla ekosystemu miejskiego (którego ludzie są niekwestionowaną częścią). Pamiętajmy jednak, aby w obliczeniach nie pomijać tych, których konsekwencje mogą dotknąć najbardziej.

źródło informacji: ecoreactor.org

Obraz Rudy and Peter Skitterians z Pixabay 

Obraz Mustafa shehadeh z Pixabay

Obraz jozuadouglas z Pixabay