Värmeö

En urban värmeö (värmeö) är ett meteorologiskt fenomen som består i en ökning av temperaturen i ett stadsrum i förhållande till dess omgivande landsbygd. Det är främst kopplat till betydande förändringar i miljön i stadsförhållanden, vilket ledde till omvandlingen av dess egenskaper: förmågan att emittera (som en förändring i strukturen för kort- och långvågig strålning), termiska egenskaper (till exempel , en ökning av termisk kapacitet ), aerodynamisk (till exempel en minskning av medelvindhastighet) eller fukt (t.ex. minskning av relativ fuktighet ). Den viktigaste indikatorn på värmeöns intensitet är temperaturskillnaden mellan staden och förorterna. I stora städer i Amerika och Europa kan den nå (med maximal intensitet, därför på natten) upp till 10-15 ° C.

Det mest anmärkningsvärda exemplet är Tokyo Heat Island .

Orsaker

Det finns flera anledningar till uppkomsten av en urban värmeö; till exempel absorberar mörka ytor betydligt mer solstrålning , vilket gör att stadskoncentrationer av vägar och byggnader värms upp mer än förorts- och landsbygdsområden under dagen [1] ; material som vanligtvis används i tätortsområden för beläggning, såsom betong och asfalt , har väsentligt annorlunda värmemassaegenskaper (inklusive värmekapacitet och värmeledningsförmåga) och ytstrålningsegenskaper ( albedo och värmeledningsförmåga ) än beläggning i omgivande landsbygdsområden. Detta resulterar i en förändring av tätorternas energibudget, vilket ofta leder till högre temperaturer än på landsbygden. En annan viktig orsak är bristen på avdunstning (t.ex. på grund av brist på vegetation) i tätorter [2] .

Andra orsaker till att en värmeö ser ut beror på geometriska effekter. Höga byggnader i många stadsområden ger många ytor för att reflektera och absorbera solljus, vilket ökar uppvärmningseffektiviteten i stadsområden. Detta kallas "urban canyon effect". En annan effekt av byggnader är vindblockering, som även hämmar kylning genom konvektion och förhindrar spridning av föroreningar. Spillvärme från bilar, luftkonditioneringsapparater, industri och andra källor bidrar också till detta fenomen [3] [4] [5] . Höga nivåer av föroreningar i tätorter kan också öka värmeön, eftersom många former av föroreningar förändrar atmosfärens strålningsegenskaper [5] . Värmeön ökar inte bara temperaturen i städer, utan ökar också koncentrationen av ozon, eftersom ozon är en växthusgas , vars bildning accelererar med ökande temperatur [6] .

För de flesta städer är skillnaden i temperatur mellan tätort och omgivande landsbygd störst på natten. En typisk temperaturskillnad är flera grader mellan stadskärnan och de omgivande förorterna [7] [8] . Skillnaden i temperatur mellan innerstaden och det omgivande området nämns ofta i väderrapporter, som "68°F (20°C) i centrum, 64°F (18°C) förorter". "Den genomsnittliga årliga lufttemperaturen i en stad med 1 miljon människor eller fler kan vara 1,8 till 5,4 °F (1,0 till 3,0 °C) varmare än i dess omgivningar. På kvällen kan skillnaden vara upp till 22 °F (12) °C)" [9] [10] .

En värmeö kan definieras som luft- eller yttemperaturskillnaden mellan stad och landsbygd. Dessa två indikatorer visar något olika dags- och säsongsvariationer och har olika orsaker [11] [12] .

Förutsägelse

Om en stad eller stad har ett bra väderobservationssystem kan detta fenomen mätas direkt [13] . Ett alternativ är att använda komplexa lägesmodeller för att beräkna värmeön, eller att använda en ungefärlig empirisk metod [14] [15] . Sådana modeller gör att värmeön kan inkluderas i uppskattningar av framtida temperaturökningar i städer på grund av klimatförändringar.

Leonard O. Mairup publicerade den första omfattande numeriska behandlingen för att förutsäga effekterna av en urban värmeö 1969. Hans artikel undersöker värmeön och kritiserar de teorier som fanns på den tiden som alltför kvalitativa. En numerisk modell av den allmänna energibudgeten beskrivs och tillämpas på den urbana atmosfären. Beräkningar för flera specialfall presenteras samt en känslighetsanalys. Det har visat sig att modellen förutsäger den korrekta storleksordningen för temperaturökningen i städerna. Det har konstaterats att värmeöeffekten är nettoresultatet av flera konkurrerande fysiska processer. Generellt sett är minskningen av avdunstning i stadskärnan och de termiska egenskaperna hos stadsbyggnad och vägmaterial de dominerande parametrarna. Det antas att en sådan modell kan användas i tekniska beräkningar för att förbättra klimatet i befintliga och framtida städer [16] .

Påverkan på människor

De kan ha en direkt inverkan på stadsbornas hälsa och välbefinnande. Bara i USA dör i genomsnitt 1 000 människor varje år på grund av extrem värme [17] . Eftersom värmeöar kännetecknas av förhöjda temperaturer har de potential att öka storleken och varaktigheten av värmeböljor i städer. Studier har visat att dödligheten under en värmebölja ökar exponentiellt med maximal temperatur [18] , en effekt som förvärras av värmeön. Antalet människor som utsätts för extrema temperaturer ökar till följd av uppvärmningen [19] . Den nattliga värmeöeffekten kan vara särskilt skadlig under värmeböljor, eftersom den berövar stadsbor den svala terräng som kan finnas på landsbygden på natten [20] .

Det fanns en studie som rapporterade att förhöjd temperatur orsakar värmeslag , värmeutmattning, värmesynkope och värmekramper. Vissa studier har också tittat på hur allvarliga värmeslag kan leda till bestående skador på organsystem. Denna skada kan öka risken för tidig död eftersom skadan kan leda till allvarlig organdysfunktion. Andra komplikationer av värmeslag inkluderar andnödssyndrom hos vuxna och spridd intravaskulär koagulation . Vissa forskare noterar att varje kompromiss med människokroppens förmåga att termoreglera teoretiskt sett skulle öka risken för dödlighet. Detta inkluderar sjukdomar som kan påverka en persons rörlighet, medvetenhet eller beteende. Forskarna noterade att personer med kognitiva hälsoproblem (t.ex. depression , demens , Parkinsons sjukdom ) löper större risk när de utsätts för höga temperaturer och "behöver extra omsorg" eftersom kognitiva prestationer har visat sig påverkas olika av värme. Personer med diabetes, som är överviktiga, som saknar sömn eller som har hjärt-/kärlsjukdomar bör undvika för mycket värmeexponering. Vissa vanliga mediciner som påverkar termoregleringen kan också öka risken för dödsfall. Specifika exempel inkluderar antikolinergika, diuretika , fenotiaziner och barbiturater [21] [22] [23] [24] .

Forskaren fann att en hög värmeöintensitet korrelerar med förhöjda koncentrationer av luftföroreningar som samlas på natten, vilket kan påverka luftkvaliteten nästa dag. Dessa föroreningar inkluderar flyktiga organiska föreningar , kolmonoxid , kväveoxider och partiklar. Produktionen av dessa föroreningar, i kombination med varmare temperaturer på en värmeö, kan påskynda ozonproduktionen. Ozon på ytan anses vara en skadlig förorening. Forskning visar att stigande temperaturer på värmeöar kan öka förorenade dagar, men notera också att andra faktorer (t.ex. barometertryck , molnighet , vindhastighet) också kan ha en inverkan på föroreningarna. Studier i Hongkong har visat att områden i staden med sämre ventilation utomhus tenderar att ha starkare stadsvärmeöeffekter och har betydligt högre dödlighet av alla orsaker jämfört med områden med bättre ventilation [25] [26] .

Centers for Disease Control and Prevention noterar att "det är svårt att göra sunda förutsägelser om värmerelaterad sjuklighet och dödlighet under olika klimatförändringsscenarier" och att "värmerelaterad dödlighet kan förebyggas, vilket framgår av minskningen av dödligheten av alla orsaker under termiska fenomen under de senaste 35 åren" [27] . Vissa studier tyder dock på att hälsoeffekten av en värmeö kan vara oproportionerlig eftersom påverkan kan vara ojämnt fördelad beroende på flera faktorer som ålder [28] , etnicitet och socioekonomisk status [29] . Detta väcker möjligheten att värmeöns hälsopåverkan är en miljörättsfråga.

Påverkan på djur

Arter som koloniserar väl kan använda de förhållanden som tillhandahålls av urbana värmeöar för att frodas i regioner utanför deras normala räckvidd. Exempel på detta är den gråhåriga flygräven (Pteropus poliocephalus) och den vanliga husgeckon (Hemidactylus frenatus) [30] . Gråhåriga flygrävar, som finns i Melbourne , Australien , har koloniserat urbana livsmiljöer efter stigande temperaturer där. Förhöjda temperaturer, som orsakade varmare vinterförhållanden, gjorde att staden i klimat liknar artens mer nordliga vilda livsmiljö.

Med försök att mildra och hantera urbana värmeöar, krymper temperaturförändringar och tillgången på mat och vatten. I tempererade klimat kommer urbana värmeöar att förlänga växtsäsongen och därigenom förändra de inhemska arternas avelsstrategier. Detta syns bäst på effekten av urbana värmeöar på vattentemperaturen. Eftersom temperaturen på närliggande byggnader ibland når över 50 grader över marklufttemperaturen kommer nederbörden snabbt att värmas upp, vilket orsakar avrinning till närliggande bäckar, sjöar och floder (eller andra vattendrag) för att generera överdriven termisk förorening. En ökning av termisk förorening har förmågan att höja vattentemperaturen med 20-30 grader. Denna ökning kommer att få fiskarter som lever i reservoaren att uppleva värmestress och chock på grund av snabba temperaturförändringar i deras klimat [31] .

Urban värmeöar orsakade av städer har förändrat processen för naturligt urval [30] . Selektiva tryck, såsom tillfälliga förändringar i mat, predation och vatten, är avslappnade, vilket resulterar i en ny uppsättning selektiva krafter. Till exempel finns det fler insekter i urbana livsmiljöer än på landsbygden. Insekter är ektotermer . Det betyder att de är beroende av omgivningstemperaturen för att kontrollera sin kroppstemperatur, vilket gör stadens varmare klimat idealiskt för deras förmåga att frodas. En studie i Raleigh , North Carolina , på Parthenolecanium quercifex (ekfjäll) fann att denna speciella art föredrar varmare klimat och därför förekommer i högre antal i urbana livsmiljöer än på ekar i lantliga livsmiljöer. Under sin tid i urbana livsmiljöer har de anpassat sig för att trivas i varmare klimat än i kallare [32] .

Förekomsten av icke-inhemska arter är starkt beroende av mängden mänsklig aktivitet [33] . Ett exempel på detta kan ses i populationer av stenmartiner som häckar under hustakfot i urbana livsmiljöer. De bygger sina hem med hjälp av det skydd som människor tillhandahåller i de övre delarna av husen, vilket möjliggör en ökad tillströmning av deras befolkning på grund av extra skydd och minskat antal rovdjur.

Andra effekter på väder och klimat

Förutom att påverka temperaturen kan en värmeö ha sekundära effekter på lokal meteorologi, inklusive förändringar i lokala vindmönster, moln- och dimmautveckling , luftfuktighet och nederbördshastigheter [34] . Den extra värmen som värmeön tillhandahåller resulterar i mer uppåtgående rörelse, vilket kan orsaka ytterligare nederbörd och åskväder. Dessutom skapar värmeön under dagen ett lokalt område med lågtryck där relativt fuktig luft från dess lantliga omgivningar konvergerar, vilket möjligen resulterar i mer gynnsamma förhållanden för molnbildning [35] . Nederbörden på läsidan av städerna ökar från 48 % till 116 %. Delvis som ett resultat av denna uppvärmning är nederbörden i månaden cirka 28 % större mellan 20 miles (32 km) och 40 miles (64 km) medvind från städer jämfört med motvind [36] . I vissa städer ökade den totala nederbörden med 51 % [37] .

Studier har utförts i flera områden som tyder på att storstadsområden är mindre benägna att drabbas av svaga tornados på grund av den turbulenta blandningen som orsakas av värmen från den urbana värmeön [38] . Med hjälp av satellitbilder fann forskarna att stadens klimat har en märkbar effekt på växtsäsongen för växter upp till 10 kilometer (6,2 miles) från stadens utkanter. Växtsäsongen i 70 städer i östra Nordamerika var cirka 15 dagar längre i stadsområden jämfört med landsbygdsområden utanför stadens inflytande [39] .

Studier i Kina visar att den urbana värmeöeffekten bidrar till klimatuppvärmningen med cirka 30 % [40] [41] . Å andra sidan antydde en jämförelse från 1999 mellan stads- och landsbygdsområden att inverkan av urbana värmeöar har liten effekt på globala medeltemperaturtrender [42] . En studie drog slutsatsen att städer förändrar klimatet över ett område som är 2-4 gånger större än deras eget område [43] . Andra har föreslagit att urbana värmeöar påverkar det globala klimatet genom att påverka jetströmmen [44] . Flera studier har identifierat en ökning av svårighetsgraden av effekterna på värmeöar i takt med klimatförändringens framsteg [45] .

Påverkan på närliggande vattendrag

Värmeöar försämrar också vattenkvaliteten. De varma ytorna på trottoarer och hustak överför överskottsvärme till dagvatten, som sedan rinner ut i stormavlopp och höjer temperaturen på vattnet när det kommer in i bäckar, floder, dammar och sjöar. Dessutom leder en ökning av temperaturen i urbana vattenförekomster till en minskning av mångfalden i vattnet [46] . I augusti 2001 resulterade nederbörd över Cedar Rapids , Iowa , i en temperaturhöjning på 10,5 °C (18,9 °F) i en närliggande ström under en timme, vilket dödade fiskar. Eftersom temperaturen på regnet var förhållandevis sval, kunde detta förklaras av stadens heta asfalt. Liknande händelser har dokumenterats i den amerikanska mellanvästern såväl som i Oregon och Kalifornien [47] . Snabba temperaturförändringar kan orsaka stress för akvatiska ekosystem [48] . Permeabla beläggningar kan mildra dessa effekter genom att tränga in vatten genom beläggningen till ett underjordiskt lager där det kan spridas genom absorption och avdunstning [49] .

Påverkan på energiförbrukningen

En annan konsekvens av urbana värmeöar är ökningen av energi som behövs för luftkonditionering och kylning i städer med relativt varmt klimat. Heat Island Group uppskattar att värmeöeffekten kostar Los Angeles cirka 100 miljoner USD per år i energi [50] . Omvänt kommer de i kallare klimat, som Moskva, i Ryssland att ha mindre efterfrågan på uppvärmning. Genom implementeringen av strategier för reduktion av värmeöar har dock betydande årliga nettoenergibesparingar beräknats för nordliga områden som Chicago, Salt Lake City och Toronto [51] .

Begränsning

Temperaturskillnader mellan stadsområden och de omgivande förorts- eller landsbygdsområdena kan vara upp till 5 °C (9,0 °F). Nästan 40 procent av denna ökning beror på dominansen av mörka tak, resten på mörk takbeläggning och minskad förekomst av vegetation. Värmeöeffekten kan neutraliseras något genom att använda vita eller reflekterande material för konstruktion av hus, tak, trottoarer och vägar, och därigenom öka stadens totala albedo [ 52] . Jämfört med att åtgärda andra källor till problemet, kräver byte av mörkt tak minsta möjliga investering för den mest omedelbara avkastningen. Ett svalt tak gjort av ett reflekterande material som vinyl reflekterar minst 75 procent av solens strålar och avger minst 70 procent av solstrålningen som absorberas av byggnadsskalet. Som jämförelse reflekterar asfaltbebyggda tak 6 till 26 procent av solinstrålningen [53] .

Användningen av ljus betong har visat sig vara effektiv för att reflektera upp till 50 % mer ljus än asfalt och sänka omgivningstemperaturerna [49] . Den låga albedo som är karakteristisk för svart asfalt absorberar en stor andel av solens värme, vilket skapar varmare temperaturer nära ytan. Beläggning med ljus betong, förutom att ersätta asfalt med ljus betong, kan samhällen minska medeltemperaturen [54] . Studier av samspelet mellan reflekterande trottoarer och byggnader har dock visat att om närliggande byggnader inte förses med reflekterande glas kan solstrålning som reflekteras från ljusa trottoarer höja byggnadens temperatur, vilket ökar kraven på luftkonditionering [55] [56] .

Det andra alternativet är att öka mängden välvattnad vegetation. Dessa två alternativ kan kombineras med implementering av gröna tak . Gröna tak är bra isolatorer under de varmare månaderna, och växter kyler miljön. Luftkvaliteten förbättras eftersom växter absorberar koldioxid samtidigt som de producerar syre [57] . Staden New York fastställde att kylningspotentialen per ytenhet var högst för utomhusträd, följt av levande tak, upplyst yta och planteringar i öppna ytor. Ur kostnadseffektivitetssynpunkt har ljusa ytor, ljusa tak och kantplanteringar lägre kostnader för temperatursänkning [58] .

Ett hypotetiskt "cool communities"-program i Los Angeles förutspår att stadstemperaturen kan sänkas med cirka 3°C (5°F) efter att ha planterat tio miljoner träd, renoverat fem miljoner hem och målat en fjärdedel av vägarna uppskattningsvis kostnad på 1 miljard USD, vilket resulterar i en uppskattad årlig nytta på 170 miljoner USD i minskade luftkonditioneringskostnader och 360 miljoner USD i smogrelaterade hälsobesparingar [59] .