Prof. Krzysztof Fortuniak: Miejska wyspa ciepła to problem głównie w nocy

– W rzeczywistości temperatura powietrza w dzień w mieście nie jest znacząco wyższa niż za miastem. Dlaczego zatem człowiekowi jest gorąco, jeśli jest na rozgrzanym placu? Ponieważ odczuwa on nie tylko temperaturę powietrza jako taką, ale także promieniowanie cieplne, które emitują nagrzany od Słońca plac czy nagrzane ściany budynków – prof. Krzysztof Fortuniak, klimatolog z Uniwersytetu Łódzkiego wyjaśnia, czym jest miejska wyspa ciepła i co w ogóle wyróżnia klimat miasta.

Szymon Bujalski: Czym jest miejska wyspa ciepła?

Prof. Krzysztof Fortuniak: Miejska wyspa ciepła (MWC, ang. UHI – urban heat island) to zjawisko polegające na podwyższeniu temperatury w mieście w stosunku do terenów je otaczających. Można powiedzieć, że miasta są wyspami ciepła na oceanie chłodu – stąd nazwa. Jest to najlepiej poznana cecha klimatu miast, a pierwsza praca na ten temat powstała już w 1818 r. Jej autorem był Luke Howard, który na podstawie bezpośrednich pomiarów wykazał, że temperatury w centrum Londynu są wyższe niż poza miastem. Należy jednak zaznaczyć, że sam fakt wpływu miasta na stan atmosfery uświadomiono sobie znacznie wcześniej. Już bowiem w tekstach starożytnych można znaleźć wzmianki o złej jakości powietrza w mieście. Zanieczyszczenie powietrza to wciąż najbardziej ewidentna, łatwa do zauważenia cecha powietrza miejskiego. Jest to jednak zupełnie odrębne, bardzo szerokie zagadnienie.

Wracając do miejskiej wyspy ciepła, możemy wyróżnić kilka jej typów w zależności od zastosowanych metod badawczych i mierzonych parametrów. Najbardziej popularnym i najdłużej badanym rodzajem miejskiej wyspy ciepła jest ten dotyczący temperatury powietrza znajdującego się pomiędzy zabudową miejską, czyli na standardowej wysokości 2 m nad gruntem.  W literaturze angielskiej określana jest jako tzw. canopy layer urban heat island (UHI_CL). 

Drugim najczęściej badanym typem jest tzw. powierzchniowa miejska wyspa ciepła (ang. surface layer urban heat island – UHI_Surf). Ten typ miejskiej wyspy ciepła otrzymujemy wykonując pomiary metodami zdalnymi, czyli za pomocą satelitów, odpowiednich pistoletów czy kamer na podczerwień itd. Należy przy tym podkreślić, że uzyskujemy w ten sposób temperaturę powierzchni a nie temperaturę powietrza.

Oba typy miejskiej wyspy ciepła różnią się od siebie zarówno co do przebiegu dobowego, jak i samej wartości temperatury. Gdy dach czy plac mocno nagrzeje się od Słońca, wartości temperatury powierzchni są bardzo duże, co wcale nie znaczy, że temperatura powietrza, jaką odczuwamy, jest taka sama. To jak z chodzeniem bosymi nogami po rozgrzanym piasku – w nogi parzy, ale samo powietrze nie jest już przecież tak gorące. Warto zdawać sobie sprawę z tych różnic. Także dlatego, że powierzchniowa miejska wyspa ciepła jest często mylnie interpretowana przez osoby zaczynające zapoznawać się z tematem, które utożsamiają temperaturę powierzchni zmierzoną np. przez satelity z temperaturą powietrza na tym obszarze. 

Oprócz tych dwóch podstawowych typów MWC istnieją jeszcze dwa, znacznie rzadziej studiowane: jeden dotyczy warstwy granicznej atmosfery, czyli warstwy powietrza od powierzchni do wysokości mniej więcej 1-3 km, drugi temperatury profili glebowych.

Czyli jeśli postrzelam pistoletem pomiarowym w cieniu, a później na rozgrzanym placu, nie będzie to w pełni obiektywną oceną różnicy temperatur?

Oczywiście pomiar taki pokaże różne temperatury „ostrzelanych” powierzchni, nie będzie to jednak temperatura powietrza na tym obszarze. Temperatura powietrza (ta na standardowej wysokości 2 m) nie jest taka sama, jak temperatura podłoża, choć w dużej mierze od niej zależy. Oprócz temperatury podłoża na temperaturę powietrza ma wpływ wydajność przekazywania mu ciepła. Kluczowym procesem jest tu zjawisko turbulencji, czyli mieszania powietrza znajdującego się niżej (i bezpośrednio nagrzewającego bądź wychładzającego się od kontaktu z podłożem) z tym znajdującym się wyżej, poprzez występujące w powietrzu różnych rozmiarów wiry. Można to wyjaśnić na przykładzie grzejnika. Gdy go włączymy, musi minąć trochę czasu, zanim ciepło znajdzie się w drugim końcu pokoju. Jeśli jednak włączy się farelkę, która oprócz grzejnika ma zamontowany wiatrak, ciepło zostanie rozprowadzone po pokoju szybciej dzięki wzbudzanym przez wiatrak wirom. 

Tak samo jest z ciepłem od podłoża. Ziemia ogrzewa się od Słońca (a w nocy wychładza na drodze wypromieniowania energii), co powoduje ogrzewanie (wychładzanie) powietrza bezpośrednio przylegającego do powierzchni. Następnie powietrze to mieszane jest poprzez wiry turbulencyjne z powietrzem znajdującym się powyżej, powodując zmianę jego temperatury. Istnieją dwa podstawowe mechanizmy powstawania wirów turbulencyjnych: wiatr generujący zawirowania oraz konwekcja, czyli samoistne unoszenie się ciepłego powietrza. Ponieważ intensywność turbulencji, a więc transport ciepła od podłoża do atmosfery zależy od wielu czynników, nie można w prosty sposób przełożyć temperatury podłoża na temperaturę powietrza z zadowalającą dokładnością. Natomiast w przypadku braku istotnej turbulencji [czyli gdy w atmosferze występują tylko najdrobniejsze wiry i powietrze z różnych warstw praktycznie się nie miesza – przyp. red.] decydującym mechanizmem przekazywania ciepła jest wymiana energii na drodze promieniowania cieplnego pomiędzy kolejnymi warstwami powietrza, co jest równie skomplikowane, gdyż zależy m.in. od chwilowego składu atmosfery.

Dobrym przykładem, że temperatura powietrza i powierzchni to dwie różne rzeczy, jest nagrzany od Słońca, czarny, pokryty papą dach czy asfalt. Jeśli zmierzymy wspomnianym pistoletem jego temperaturę, to będzie tak wysoka, że pewnie jajecznicę można byłoby usmażyć.

W poprzednie wakacje mieszkaniec jednej z polskich miejscowości właśnie tak zrobił na placu.

A żołnierze podczas wojny w Afryce podobno wykorzystywali do tego rozgrzane od Słońca pancerze czołgów. 

Człowiekowi, który chodzi na rozgrzanym placu w upalny dzień, jest bardzo gorąco. Rozumiem, że jeśli myśli, że to przez miejską wyspę ciepła, to myśli źle.

Tak, to jest mylne rozumienie zjawiska MWC. W rzeczywistości temperatura powietrza w dzień w mieście nie jest znacząco wyższa niż za miastem. Dlaczego zatem człowiekowi jest gorąco, jeśli jest na takim placu? Ponieważ odczuwa on nie tylko temperaturę powietrza jako taką, ale także promieniowanie cieplne, które emitują nagrzany od słońca plac czy nagrzane ściany budynków. Dodatkowo odczucie gorąca na nagrzanym placu miejskim jest potęgowane przez z reguły mniejszą prędkość wiatru. Pamiętam, jak pewnego razu siedzieliśmy ze znajomymi przy stoliku na zewnątrz restauracji. Choć był późny wieczór, cały czas było nam całkiem ciepło. Skończyliśmy, odeszliśmy trzy kroki i okazało się, że jest zimno. Nie czuliśmy tego, bo świecił na nas grzejnik radiacyjny. Podobnie jest z odczuciem człowieka w mieście. Gdy idzie pomiędzy nagrzanymi budynkami, to jest mu gorąco, gdyż te emitują promieniowanie cieplne – jak ten grzejnik. Proszę zobaczyć, że zupełnie inaczej jest w historycznych miasteczkach na południu Europy. Jak się wejdzie w wąskie, zacienione uliczki takiego miasteczka, odczuwamy chłód. 

Miejska wyspa ciepła, ta dotycząca temperatury powietrza pomiędzy zabudową miejską, to zjawisko dynamiczne, które pojawia się w zasadzie głównie w nocy, a w ciągu dnia zanika. Czyli w nocy miasto może być o kilka stopni cieplejsze, natomiast w dzień różnice temperatury są stosunkowo niewielkie. Warto również pamiętać, że dzieje się tak jedynie w sprzyjających powstawaniu MWC warunkach meteorologicznych.

Dlaczego?

Na formowanie się MWC ma wpływ kilka czynników. Jednym z nich jest wspomniana turbulencja. W ciągu dnia podłoże mocno się nagrzewa, a ciepłe powietrze unosi się do góry (to ta konwekcja, o której mówiłem). Występuje wtedy silne mieszanie powietrza w całej już wspominanej warstwie granicznej, czyli w warstwie o grubości ok 1-3 km [zaczynającej się od powierzchni Ziemi – przyp. red.], przez co różnice temperatury powietrza przy powierzchni ziemi między miastem a terenem go otaczającym nie są zbyt duże. Inaczej jest nocą, gdy powierzchnia ziemi za miastem intensywnie wychładza się na skutek wypromieniowania ciepła, a od niej wychładzają się przygruntowe warstwy powietrza. Jeśli nie ma wiatru, który generowałby turbulencje, to powietrze przy ziemi nie miesza się z cieplejszym powietrzem powyżej i jego temperatura szybko spada. 

W mieście wychładzanie nie jest tak silne ze względu na oddawanie nagromadzonego ciepła przez budynki i inne materiały budowlane charakteryzujące się dużą pojemnością cieplną. Dodatkowo dochodzi efekt geometrii miasta – część energii emitowanej przez ulice, budynki itp. jest absorbowana przez sąsiednie obiekty tego typu i re-emitowana z powrotem. Zmniejszonemu wypromieniowaniu energii sprzyja również zanieczyszczenie powietrza. W efekcie powierzchnie pomiędzy budynkami w mieście nie wychładzają się tak silnie i wyższa jest również temperatura powietrza. Do wspomnianych czynników dochodzi dodatkowa antropogeniczna emisja ciepła (ogrzewanie budynków, transport czy nawet metabolizm ludzi).  

Jakie jeszcze niejasności krążące wokół miejskiej wyspy ciepła warto wyjaśnić?

Na pewno te dotyczące jej intensywności, czyli różnicy temperatury między centrum miasta o obszarem zamiejskim. W popularnych źródłach, czasami nawet mianujących się eksperckimi, można znaleźć informację o różnicy rzędu kilku stopni bądź więcej, przy czym wartość ta niejako domyślnie traktowana jest jako permanentnie utrzymująca się nadwyżka temperatury w mieście. Chociaż w ekstremalnym przypadku rzeczywiście zanotowaliśmy w Łodzi różnice dochodzące do 12°C (najwyższe zanotowane w Polsce) to, jest to wyjątkowa, chwilowa sytuacja. Jeśli porównamy średnią roczną temperaturę w centrum dużych polskich miast z temperaturą obszarów je otaczających, to różnice będą zdecydowanie niższe, rzędu ok. 1°C. Wynika to z omówionego wcześniej dynamicznego charakteru MWC i jej zależności od warunków meteorologicznych.

Sprzyjające powstawaniu MWC warunki to pogoda bezwietrzna i bezchmurna. Przy silniejszym wietrze i/lub pochmurnym niebie różnice temperatury między miastem a terenem zamiejskim są niewielkie. Silniejszy wiatr powoduje bowiem mieszanie powietrza zarówno w pionie jak i w poziomie. 

Dlaczego natomiast pogoda bezchmurna? Bo wychładzanie w nocy jest największe wtedy, kiedy nie ma chmur. Wtedy ziemia mocno wypromieniowuje energię i mocno się wychładza. Jeśli mamy chmury, to pochłaniają one wypromieniowaną energię i znaczną jej część oddają z powrotem w postaci tzw. promieniowania zwrotnego. W efekcie teren zamiejski nie wychładza się tak bardzo i nie ma tak dużych różnic między nim a miastem. Ponieważ w naszych warunkach klimatycznych bezwietrzne, bezchmurne noce zdarzają się stosunkowo rzadko, średnie wartości MWC są niewielkie. Natomiast w sprzyjających warunkach meteorologicznych noce w mieście mogą być rzeczywiście cieplejsze o ok. 3-6°C, a w wyjątkowych sytuacjach nawet nieco więcej. W dzień różnice te praktycznie zanikają.

Jakie są konsekwencje miejskiej wyspy ciepła?

O konsekwencjach miejskiej wyspy ciepła mówi się ostatnio często w świetle globalnych zmian klimatu, a w szczególności postępującego globalnego ocieplenia. Ponieważ może ono przynieść wiele bardzo negatywnych skutków, istnieje potrzeba podjęcia działań redukujących ten proces. A skoro tak, to przez zbieżność nazw „wyspa ciepła” – „globalne ocieplenie”, wiele osób uważa, że równie zdecydowanie należy przeciwdziałać efektowi miejskiej wyspy ciepła. Pytanie, czy aby na pewno?

Oczywiście działania takie jak na przykład wprowadzanie zieleni do miast czy poprawa przewietrzania, które mogą przyczynić się do redukcji MWC, są korzystne z wielu innych względów i należy je jak najbardziej promować oraz uwzględniać przy planowaniu urbanistycznym. Warto poprawiać miejski klimat i dbać o to, by tereny zamieszkania były jak najbardziej przyjazne dla mieszkańców. Nie jestem jednak pewien czy zapobieganie MWC powinno tu być głównym motywem i kierunkiem działań. Można na przykład przemalowywać wszystkie dachy i ulice na biało, co w jakimś stopniu zredukuje MWC, jednak czy korzyść z tego będzie warta poniesionych nakładów?

Czyli nie ma potrzeby walczyć z miejską wyspą ciepłą za wszelką cenę?

Przede wszystkim warto być świadomym, że można wskazać zarówno pozytywne jak i negatywne konsekwencje MWC.

Kiedy miejska wyspa ciepła jest przyjaznym zjawiskiem? Choćby zimą. Jeśli w mieście jest cieplej, to mniej energii zużywamy na ogrzewanie. Nie tylko w oczywisty sposób obniża to koszty ogrzewania, ale przynajmniej na razie, zmniejsza emisję dwutlenku węgla, przyczyniając się do ochrony klimatu, gdyż to właśnie miasta są obszarami bardzo intensywnej emisji gazów cieplarnianych do atmosfery. 

Z drugiej strony należy pamiętać, że latem możemy obserwować zjawisko przeciwne – zwiększony pobór energii przez klimatyzatory ze względu na MWC. Kolejna korzyść z MWC to jej wpływ na ruch powietrza, a w konsekwencji na warunki aerosanitarne. Nagrzany obszar miasta może generować tzw. cyrkulację miejską, wpływa też na pionowy profil temperatury, w efekcie powodując lepsze mieszanie powietrza, zwłaszcza w nocy. W mieście mamy dużo niskich emiterów zanieczyszczeń (samochody, kominy). Gdy nie ma wspomnianego mieszania, gromadzą się one przy powierzchni, przez co mieszkańcy są bardziej narażeni na ich wysokie stężenia.

Kiedy natomiast MWC stanowi zagrożenie? Głównie w przypadku tzw. fal upałów. Nocą za miastem, nawet w okresie fal upałów, temperatura często wyraźnie spada, przez co organizm może „odetchnąć” od gorąca. W mieście, ze względu na MWC, spadek ten może być znacznie niższy, a w konsekwencji temperatura przez całą dobę utrzymuje się powyżej pewnego progu termicznego niezbędnego do odpoczynku. To może być niebezpieczne na przykład dla osób starszych czy osób z chorobami krążenia lub układu oddechowego. Problem ten staje się coraz bardziej aktualny, gdyż jedną z najbardziej prawdopodobnych konsekwencji zmian klimatu jest nasilanie się częstości i intensywności fal upałów. 

Kolejne zagrożenie dotyczy szeroko pojętych interakcji z różnymi ekosystemami. Średnia różnica 1°C, o której mówiłem wcześniej, może wydawać się nieduża. Jednak dzięki temu w mieście wcześniej pojawiają się nieco wyższe temperatury, a później mrozy. Oznacza to, również wydłużenie uciążliwego dla alergików okresu pylenia roślin, a podwyższona temperatura zwiększa alergenność pyłków. Można również przewidywać bardziej złożone interakcje. Na przykład różnego rodzaju insekty mogą składać jaja trzy razy, a nie dwa razy w sezonie letnim. Słyszałem również o badaniach biologów, którzy stwierdzili negatywny wpływ przesunięcia się terminu wylęgu owadów na populacje ptaków, które miały z tego powodu problem ze zdobyciem pożywienia dla piskląt. 

Co jeszcze wyróżnia klimat w mieście?

Miasto wpływa praktycznie na wszystkie elementy meteorologiczne: wiatr, opady, wilgotność powietrza itp. Z punktu widzenia wrażliwości miast na zmiany klimatu dosyć istotną cechą jest ich wpływ na opady. Wysoce prawdopodobnym skutkiem zmian klimatu na naszym obszarze jest intensyfikacja zjawisk ekstremalnych, w tym opadów o charakterze ulewnym. Sam ten fakt stanowi dla mieszkańców miast zagrożenie ze względu na większe prawdopodobieństwo tzw. powodzi błyskawicznych, a tereny zurbanizowane dodatkowo powodują zwiększenie sum opadów.

Dlaczego?

To dość skomplikowana sprawa i istotnych może być tu kilka różnych procesów. Ze względu na większe zanieczyszczenie w powietrzu miejskim znajduje się więcej jąder kondensacji, co początkowo może redukować opady, gdyż dzięki temu powstaje dużo, ale małych kropelek wody. Jednak przy odpowiednich zasobach wodny może to spowodować intensyfikację opadów nawalnych. 

Druga potencjalna przyczyna to właśnie miejska wyspa ciepła, która wzmaga wznoszenie się powietrza, co powoduje rozwój chmur kłębiastych i opady. Kolejna związana jest z szorstkością podłoża [urozmaiceniem kształtów na jego powierzchni – obecnością budynków, infrastruktury, kęp zieleni… – przyp. red.], która zmniejsza prędkość wiatru, lecz jednocześnie powoduje zmianę jego kierunku, wskutek czego powstają obszary zbieżności wiatru, gdzie powietrze jest wypychane do góry. Niezależnie od tego, który z tych procesów jest decydujący, obserwacje wskazują, że miasto intensyfikuje opady zwłaszcza w jego zawietrznej części. 

Czym obecnie pan się zajmuje?

Głównie pomiarami bilansu cieplnego podłoża, w tym turbulencyjnych strumieni ciepła oraz wymianą gazów cieplarnianych – dwutlenku węgla, metanu i pary wodnej pomiędzy powierzchnią a atmosferą za pomocą tzw. metody kowariancji wirów.

Dlaczego to ważne?

Bo wymiana ciepła de facto determinuje warunki klimatyczne w skali lokalnej, a w szerszym pojęciu również te globalne. Musi być ona uwzględniana w numerycznych modelach pogody czy klimatu. Dane pomiarowe pozwalają na poprawę reprezentacji tych procesów w modelach, a w konsekwencji prognoz meteorologicznych czy symulacji klimatycznych. Dzięki pomiarom strumieni gazów cieplarnianych możemy natomiast określić, ile na przykład dwutlenku węgla jest emitowane czy pochłaniane przez jakiś typ podłoża, np. las, łąkę, pola uprawne czy określony typ zabudowy miejskiej. W konsekwencji możemy zrozumieć i ocenić ilościowo znaczenie tych ekosystemów w globalnym systemie klimatycznym. 

Pomiary tego typu wymagają jednak skomplikowanej i kosztownej aparatury (pomiary muszą być wykonywane z częstością co najmniej 10 razy na sekundę), żmudnych obliczeń oraz odpowiedniej lokalizacji czujników. Na przykład w mieście muszą być one umieszczone na cienkim maszcie przewyższającym co najmniej dwukrotnie wysokość otaczających budynków. Czujniki te wymagają dodatkowo regularnej konserwacji. Dlatego badań takich jest niewiele. My prowadzimy tego typu pomiary w mieście, na terenach rolniczych oraz na bagnach Biebrzańskiego Parku Narodowego.

Jakie wnioski?

W kwestii miast te najciekawsze dotyczą chyba metanu. Pomiary wskazują, że miejska emisja metanu może być porównywalna do tej z terenów bagiennych, które są uważane za główne lądowe obszary uwalniania tego gazu do atmosfery. W mieście emisja ta jest przede wszystkim wynikiem procesów gnilnych w kanalizacji czy na śmietnikach oraz nieszczelność sieci gazowniczej. Ponieważ pomiarów takich jest wyjątkowo mało, wnioski te wymagają jeszcze potwierdzenia.

Rozmawiał Szymon Bujalski

Prof. Krzysztof Fortuniak – klimatolog od ponad 30 lat zajmujący się badaniem klimatu miast ze szczególnym uwzględnieniem miejskiej wyspy ciepła, warunków radiacyjnych, bilansu energetycznego miast, turbulencyjnej wymiany gazów cieplarnianych (CO₂, CH₄) na obszarach zurbanizowanych oraz modelowania wybranych cech klimatu miast. Autor kilkudziesięciu publikacji naukowych z zakresu klimatologii miejskiej oraz licznych wystąpień konferencyjnych.