Czym jest miejska wyspa ciepła?

Miejskie wyspy ciepła powstają tam, gdzie asfalt, beton i zwarta zabudowa pochłaniają słońce, a brak zieleni i wody odcina naturalne chłodzenie. Miasto jest wtedy cieplejsze od okolicy, najbardziej nocą, gdy mury oddają ciepło zgromadzone za dnia. Właśnie te ciepłe noce są groźne. Organizm nie regeneruje się, gdy temperatura nie spada poniżej 20°C.

Miejska wyspa ciepła

Miejska wyspa ciepła (MWC, ang. Urban Heat Island, UHI) to różnica temperatury między miastem a otaczającym je terenem pozamiejskim, mierzona w danym momencie. Intensywność MWC zmienia się w ciągu doby i roku.

Słowo „wyspa” pochodzi od rozkładu izoterm: obszary o wyższej temperaturze są otoczone chłodniejszymi terenami jak ląd morzem. W praktyce rzadko powstaje jedna jednolita wyspa. Cieplejsze plamy bywają oddzielone chłodniejszymi terenami, dlatego mówi się też o archipelagu wysp ciepła.

• Niskie albedo – albedo to zdolność powierzchni do odbijania promieniowania; asfalt i beton pochłaniają większość promieniowania słonecznego i przekształcają je w ciepło.
• Duża pojemność cieplna – materiały budowlane tworzące miejskie powierzchnie gromadzą ciepło.
• Brak parowania – powierzchnie nieprzepuszczalne odcinają dostęp do gruntu, deszczówka szybko spływa i naturalne chłodzenie zanika.
• Utrudnione przewietrzanie – wysokie budynki tworzą kaniony uliczne, które blokują lub spowalniają ruch powietrza.
• Ciepło antropogeniczne – ciepło odpadowe z pojazdów i klimatyzacji.

Czy wyspa jest zatem przypadłością wyłącznie dużych miast? Zaznacza się nawet w większych wsiach – wszędzie tam, gdzie duży jest udział powierzchni nieprzepuszczalnych. Decyduje więc sposób zabudowy, a nie wielkość miejscowości.

Kiedy wyspa ciepła jest najsilniejsza?

Intensywność MWC w powietrzu to różnica jego temperatury między miastem a terenem pozamiejskim. Jej typowa wartość jest niższa, niż sugerują nagłówki. Średnia roczna intensywność wyspy ciepła w Warszawie wynosi w centrum 2,5°C, choć w pojedyncze noce różnica sięga nawet 10°C. Liczby tego rzędu to maksima.

Skąd zatem wartości powyżej 15°C? Pochodzą z teledetekcji, czyli z pomiaru temperatury powierzchni przez satelity takie jak Landsat 8-9. Powierzchniowa wyspa ma szczyt wczesnym popołudniem i przekracza wtedy 15°C. Nad wodą, lasem i zadrzewionym parkiem przyjmuje w tej porze wartości ujemne. Rekordy z map satelitarnych opisują więc rozgrzane dachy i asfalt, a nie powietrze.

Wyspa w powietrzu ma odwrotny rytm. Pomiary IGiPZ PAN w aglomeracji warszawskiej wskazują, że jest najintensywniejsza wieczorem, nocą i rano. Za dnia słabnie lub nawet zanika. Za dnia nasłonecznione pola i łąki wokół miasta bywają cieplejsze niż ocienione kaniony uliczne. Po zmroku zabudowa oddaje ciepło zgromadzone za dnia, gdy okolica już stygnie.

Pogoda wzmacnia albo kasuje ten efekt. Wyspa jest najsilniejsza w bezwietrzne, bezchmurne noce. Wiatr szybszy niż 7–8 m/s powoduje jej zanik, bo miesza powietrze. Uwarunkowania Warszawskiej miejskiej wyspy ciepła są najsilniejsze jesienią (wskaźnik UHI powyżej 2,5°C). Najsłabsze – zimą (poniżej 1,5°C).

Jak wyspa ciepła szkodzi zdrowiu?

Organizm mieszkańca strefy umiarkowanej regeneruje się, gdy temperatura w nocy spada poniżej 20°C. Noc, w której minimalna temperatura nie schodzi poniżej tego progu, nazywa się tropikalną. Wyspa ciepła podnosi właśnie temperatury nocne. W Krakowie noce tropikalne zdarzają się najczęściej w zwartej zabudowie śródmiejskiej do 5 kondygnacji. Gdy upał trzyma się kilka dni z rzędu, deficyt nocnej regeneracji narasta.

Kto płaci za ciepłe noce najwyższą cenę? Szczególnie narażone są cztery grupy:

• Osoby starsze
• Dzieci
• Gospodarstwa o niskich dochodach
• Chorzy oraz osoby z niepełnosprawnościami

Ekspozycja na upał jest tym większa, im niższe są dochody. Skalę zjawiska najlepiej widać u seniorów. Według europejskiego obserwatorium klimatu i zdrowia ich śmiertelność w upałach niemal się podwoiła. Wzrost nastąpił w ciągu dwóch dekad poprzedzających 2018 rok. W 2018 r. zgonów związanych z upałem wśród osób powyżej 65 lat było na świecie około 300 tys. W europejskim regionie WHO śmiertelność ta wzrosła o ponad 30%.

Według szacunków projektu EXHAUSTION w okresach fal upałów ryzyko chorób układów oddechowego i krążenia jest podwyższone o 60%, zarówno w zakresie zgonów, jak i zachorowań.

Schładzanie miasta

Pierwszym kierunkiem są drzewa, które dają cień i odparowują wodę przez liście w procesie transpiracji. Według globalnego modelu redukują one efekt wyspy ciepła średnio niemal o połowę i w wielu miastach obniżają temperaturę powietrza o około 0,5–1,5°C. Lokalnie przy porównywalnej gęstości zabudowy dzielnice z odpowiednim pokryciem koronami drzew były wyraźnie chłodniejsze. Warunkiem jest, by korony pokrywały co najmniej 30% otoczenia budynku. Przy wielu budynkach drzew jest za mało.

To chłodzenie działa przede wszystkim za dnia – przez cień, parowanie i przepływ powietrza. Nocą, gdy wyspa w powietrzu jest najsilniejsza, korony mogą zatrzymywać promieniowanie długofalowe z powierzchni ziemi. Wynik zależy od gatunku, układu zabudowy i klimatu.

Jasne dachy i nawierzchnie odwracają skutek niskiego albedo, choć mocniej schładzają powierzchnię niż powietrze. Czarna powierzchnia o współczynniku odbicia 0,05 nagrzewa się o ok. 50°C ponad temperaturę powietrza, biała o współczynniku 0,8 – o ok. 10°C. Każde zwiększenie współczynnika odbicia dachów o 0,1 obniża średnią temperaturę powietrza w mieście o 0,2 K. Zimą wysoki współczynnik odbicia bywa jednak niekorzystny.

Trzeci kierunek przywraca parowanie: retencja wody opadowej, odbetonowanie placów i zielone dachy zatrzymują deszczówkę tam, gdzie spadła.

Klimatyzacja chłodzi wnętrza kosztem ulicy, na którą jednostki zewnętrzne wypychają ciepło. Ochłodzenie mieszkania w upały klimatyzatorem poprawia więc warunki w środku. Wyspy ciepła nie osłabia. Ubocznym skutkiem wyspy jest też wyższe szczytowe zapotrzebowanie na moc. Chłodne dachy zmniejszają obciążenie klimatyzacji, a z nim ilość ciepła odpadowego. Skuteczne schładzanie miasta polega na sadzeniu drzew oraz zmianie materiałów i powierzchni.