Städtischer Wärmeinseleffekt: Ursachen, Auswirkungen und Gegenmaßnahmen

Einführung

Der Urban Heat Island (UHI)-Effekt ist ein Phänomen, bei dem in städtischen Gebieten höhere Temperaturen herrschen als in den umliegenden ländlichen Gebieten.[1][2] Dieser Effekt ist in erster Linie auf die Absorption und Wiederabgabe von Wärme durch städtische Strukturen wie Gebäude und Straßen zurückzuführen. Darüber hinaus wird er durch die Energieverschwendung/Wärmeabgabe von Industrieanlagen, Fahrzeugen, Klimaanlagen und Heizungen verschärft. Der UHI-Effekt macht sich besonders im Sommer und Winter bemerkbar, wobei die Temperaturunterschiede nachts oft größer sind als tagsüber. [1]

Ursachen von UHI

Der UHI-Effekt kann auf mehrere Faktoren zurückgeführt werden:[1][2][3]

Materialien mit geringer Albedo: Oberflächen mit geringer Albedo (Reflexionsvermögen) absorbieren mehr Sonnenwärme und strahlen sie als Wärme in die Atmosphäre zurück, was zu einem Temperaturanstieg führt.[1]

• Dunkle Asphaltschindeln: Diese werden üblicherweise für Dächer von Wohnhäusern verwendet. Sie haben eine niedrige Albedo, d.h. sie absorbieren viel Sonnenstrahlung. [3]
  
  
• Schwarze Teerdächer: Diese sind oft auf älteren Gebäuden zu finden. Der schwarze Teer absorbiert eine große Menge an Sonnenenergie und trägt damit zum Wärmeinseleffekt bei. [3]
  
  
• Dunkle Metalldächer: Während Metalldächer stark reflektierend sein können, haben dunkle Metalle eine geringere Albedo und absorbieren mehr Wärme.[3]
  
  
• Dunkle Schiefer- oder Ziegeldächer: Diese Materialien können ebenfalls eine niedrige Albedo haben, insbesondere wenn sie eine dunklere Farbe haben.[3]

Es ist wichtig zu wissen, dass diese Materialien zwar zum städtischen Wärmeinseleffekt beitragen können, es aber auch Strategien gibt, um diesen Effekt abzuschwächen. Zum Beispiel kann eine reflektierende Beschichtung auf einem dunklen Dach dessen Albedo deutlich erhöhen und die Wärmeabsorption verringern. [4]

Gepflasterte und undurchlässige Flächen: Diese Flächen absorbieren die Sonneneinstrahlung in Form von Wärme und sind in der Regel undurchlässig, so dass das abfließende Wasser in die Regenwassersysteme geleitet wird, anstatt von Pflanzen oder Gewässern aufgenommen zu werden, die zur Kühlung des Gebiets beitragen.

• Straßen: Straßen bestehen oft aus Asphalt oder Beton, die beide undurchlässig sind und viel Wärme absorbieren.[5]
  
  
• Bürgersteige: Wie Straßen werden auch Gehwege in der Regel aus Beton oder anderen undurchlässigen Materialien hergestellt.[5]
  
  
• Einfahrten: Einfahrten können aus einer Vielzahl von Materialien bestehen, darunter Asphalt, Beton und Pflastersteine. Alle diese Materialien sind in der Regel undurchlässig. [5]
  
  
• Parkplätze: Große Parkplätze bestehen oft aus Asphalt oder Beton, was sie undurchlässig und hitzeabsorbierend macht.[5]
  
  
• Industriegebiete: Gebiete wie Flughäfen, Häfen, Logistik- und Vertriebszentren verfügen oft über große, gepflasterte Flächen.[5]
  
  

Diese Oberflächen können zu Umweltproblemen wie der Verschmutzung von Oberflächenwasser, Überschwemmungen und dem Wärmeinseleffekt beitragen. Die Verwendung von durchlässigen Pflastersystemen oder die Umsetzung von grüner Infrastruktur wird diese Auswirkungen jedoch verringern. [3]

Die oben erwähnten Flächen könnten auch mit Photovoltaik (PV)-Anlagen zur Stromerzeugung belegt werden (siehe Solarenergie) oder Solarkollektoren, die für die Erwärmung von Wasser optimiert sind. Es gibt bereits erste Beispiele, bei denen Straßen mit PV-Zellen ausgestattet wurden.

Der Effekt der städtischen Wärmeinsel (Urban Heat Island, UHI) wird nicht nur durch die physischen Eigenschaften der Städte, wie z.B. Beton- und Asphaltflächen, oder die Geometrie der Städte verursacht, wo die engen Räume zwischen hohen Gebäuden, die als Stadtschluchten bekannt sind, den Wind blockieren und die Wärme einschließen können. Auch die in der Stadt verbrauchte Energie, einschließlich der Heizung in Gebäuden, Klimaanlagen und der Nutzung von Fahrzeugen, trägt zum UHI-Effekt bei. [2]

• Heizung in Gebäuden: Gebäude, insbesondere Hochhäuser, geben Wärme aus verschiedenen Quellen wie Heizungsanlagen, elektronischen Geräten und menschlichen Aktivitäten ab. Diese Wärme wird an die Umgebung abgegeben und trägt so zum UHI-Effekt bei.
  
  
• Klimatisierung: Klimaanlagen kühlen das Innere von Gebäuden, indem sie die Wärme nach außen leiten. Diese ausgestoßene Wärme erhöht die Umgebungstemperatur und verschlimmert den UHI-Effekt. Tatsächlich wurde 1998 berichtet, dass „der Bedarf an Klimaanlagen in den letzten 40 Jahren in den USA um 10% gestiegen ist“ und 15% der Energie für die Klimatisierung von Gebäuden in diesen städtischen Wärmeinseln aufgewendet wird. [2]
  
  
• Energienutzung: Andere Formen der Energienutzung, wie Transport und industrielle Prozesse, tragen ebenfalls zum UHI-Effekt bei. Diese Aktivitäten erzeugen Abwärme, die an die Umwelt abgegeben wird.
  
  
• Nutzung von Fahrzeugen:
  
  
  • Verbrennungsmotoren (ICEs): Nur etwa 20% der Brennstoffenergie wird in Bewegung umgewandelt, die restlichen 80% gehen als Abwärme und Reibung verloren. Diese Abwärme wird in die Umwelt abgeleitet und trägt zum städtischen Wärmeinseleffekt bei. [6]
    
    
  • Elektrofahrzeuge (EVs): Elektrofahrzeuge wandeln etwa 90% der elektrischen Energie aus dem Stromnetz um, um die Räder anzutreiben. Etwa 32% der ursprünglichen Energie in einem EV gehen verloren, aber 22% können von den Bremsen zurückgewonnen und in die Batterie eingespeist werden.[6]
    
    
• Zusammenfassend lässt sich sagen, dass E-Fahrzeuge viel energieeffizienter sind und weniger Abwärme abgeben als ICEs. Das macht E-Fahrzeuge umweltfreundlicher und trägt weniger zum städtischen Wärmeinseleffekt bei.

UHI-Auswirkungen

Der urbane Wärmeinseleffekt erhöht die Energiekosten, zum Beispiel für Klimaanlagen, da die Gebäude aufgrund der höheren Umgebungstemperaturen gekühlt werden müssen. Dieser erhöhte Bedarf an Kühlung kann das Stromnetz belasten, insbesondere an heißen Sommernachmittagen, und macht es anfälliger für Stromausfälle und Blackouts. [3][7]

Darüber hinaus kann der UHI-Effekt zu höherer Luftverschmutzung und hitzebedingten Krankheiten führen.[2][3] Daher ist es ein dringendes Anliegen, Wege zu finden, um urbane Hitzeinseln zu verringern, insbesondere wenn man bedenkt, dass bis 2050 fast 70% der Menschheit in Städten leben werden.[2]

Auswirkungen auf die Gesundheit und Todesfälle

Der UHI-Effekt hat erhebliche Auswirkungen auf die Gesundheit wie die Zunahme von Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Sonnenstich, Hitzschlag und Dehydrierung und trifft besonders gefährdete Menschen wie chronisch Kranke, ältere Menschen oder Babys. Er wird mit einer erhöhten Sterblichkeit und Morbidität in Verbindung gebracht, insbesondere während extremer Hitzeperioden.[8][9] Beachten Sie, dass die globale Erwärmung und extreme Hitzewellen den UHI-Effekt nicht verursachen. Sie verschlimmern ihn jedoch, da die Gesamttemperatur bereits auf einem höheren Niveau liegt und der UHI-Temperaturanstieg noch hinzukommt.

• Eine von ISGlobal geleitete Studie schätzt, dass über 4% der Todesfälle in Städten während der Sommermonate auf städtische Hitzeinseln zurückzuführen sind. Die Studie verwendete Daten aus 93 europäischen Städten mit 57 Millionen Einwohnern und fand heraus, dass ein Drittel dieser Todesfälle verhindert werden könnte, wenn ein Baumbestand von 30% erreicht würde. Hätten die Städte eine solche Abdeckung, könnten 2.664 vorzeitige Todesfälle in Europa vermieden werden. [10]
  
  
• In einer anderen Studie wurde festgestellt, dass während der Hitzewelle im August 2003 in den West Midlands (Birmingham und Umgebung), Großbritannien, die UHIs etwa 50 % der gesamten hitzebedingten Sterblichkeit ausmachten, also 45 von insgesamt 90 Todesfällen. Das in der Studie verwendete Modell prognostiziert 278 Todesfälle für das Jahr 2080. [11]

Gegenmaßnahmen rund um die Welt

Medellin, Kolumbien

Medellin hat ein Programm für „grüne Korridore“ eingeführt, um den UHI-Effekt zu bekämpfen. Das 2016 gestartete Programm umfasst die Anpflanzung von Bäumen und Pflanzen entlang von Straßen und in Parks. Das Projekt hat zu einer Senkung der Temperatur in der Stadt um 2°C geführt. [12]

Tokio, Japan

Tokio hat einen Urban Heat Island Index entwickelt, um das Ausmaß und den Schweregrad der städtischen Hitzeinsel zu quantifizieren. Die Stadt hat auch Maßnahmen wie Stadtbegrünung und Projekte für kühlere Dächer und Bürgersteige umgesetzt. [13]

Kalifornien, USA

Kalifornien hat einen Urban Heat Island Index für einzelne Städte entwickelt. Der Index hilft bei der Identifizierung und Priorisierung von Gebieten im ganzen Bundesstaat, die es zu entschärfen gilt. Lokale Aktivitäten wie Stadtbegrünung und Projekte, die sich auf kühlere Dächer und Bürgersteige konzentrieren, werden priorisiert. [14]

Singapur

Singapur hat ein Digital Urban Climate Twin (DUCT) System entwickelt, das städtische Räume mit Hilfe eines Systems von Modellen modelliert. Mit dem System können verschiedene Szenarien simuliert werden, um zu verstehen, wie sie sich auf das Mikroklima in der Umgebung auswirken. [15]

Singapur, auch „Stadt im Garten“ genannt, ist ein Vorbild für ein grünes Transformationsprogramm, das bereits fünf Jahrzehnte umfasst, siehe Singapur: Solarpunk-Königin

Barcelona, Spanien

Barcelona hat bereits sein Engagement für den Umweltschutz bewiesen und erfolgreich Maßnahmen wie die „Superillas“-Blöcke in der Innenstadt umgesetzt, um den UHI-Effekt zu reduzieren, siehe: Barcelona Superblocks: Urbanes Leben und Mobilität neu gestalten

Fazit

Der UHI-Effekt ist ein bedeutendes Umweltproblem, das ernsthafte Gesundheitsrisiken birgt. Städte auf der ganzen Welt ergreifen jedoch Maßnahmen, um diesen Effekt abzuschwächen. Diese Bemühungen helfen nicht nur bei der Reduzierung des UHI-Effekts, sondern tragen auch zur Schaffung einer gesünderen und nachhaltigeren städtischen Umwelt bei.

Quellen:
[1] https://www.conserve-energy-future.com/effects-solutions-urban-heat-island.php
[2] https://climate.mit.edu/explainers/urban-heat-islands
[3] https://www.epa.gov/heatislands/learn-about-heat-islands
[4] %28climate_engineering%
[5] Undurchlässige Oberfläche – Wikipedia
[6] https://yaleclimateconnections.org/2024/01/electric-vehicles-use-half-the-energy-of-gas-powered-vehicles/
[7] https://heatisland.lbl.gov/coolscience/urban-heat-islands
[8] https://www.bmj.com/content/375/bmj.n2467
[11] https://ehjournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12940-016-0100-9
[9] https://news.climate.columbia.edu/2021/10/04/exposure-to-deadly-urban-heat-worldwide-has-tripled-in-recent-decades-says-study/
[10] https://www.isglobal.org/en/-/4-of-summer-mortality-is-attributable-to-urban-heat-islands
[12] https://www.bbc.com/future/article/20230922-how-medellin-is-beating-the-heat-with-green-corridors
[13] https://www.japanfs.org/en/news/archives/news_id027856.html
[14] https://www.energy.ca.gov/sites/default/files/2021-06/CEC-500-2019-020.pdf
[15] https://phys.org/news/2024-02-singapore-urban-island-effect.html