Popularna meteorologija

Toplinski otoci

25.04.2022.

autor: Nebojša Subanović

Naslovna fotografija: pixabay.com

Što su toplinski otoci?

Strukture kao što su zgrade, ceste i druga infrastruktura apsorbiraju i ponovno emitiraju sunčevu toplinu više od prirodnih krajolika kao što su šume i vodena tijela. Urbana područja, gdje su te strukture visoko koncentrirane, a zelenilo ograničeno, postaju “otoci” viših temperatura u odnosu na rubna područja. Ovi toplinski džepovi nazivaju se "otocima topline". Toplinski otoci mogu se formirati u različitim uvjetima, danju ili noću, u malim ili velikim gradovima, u prigradskim područjima, u hladnoj ili toploj klimi, te u bilo koje godišnje doba.

Pregledom istraživačkih studija i podataka utvrđeno je da u Sjedinjenim Državama učinak toplinskog otoka u urbanim područjima rezultira višim dnevnim temperaturama od 1 do 4 °C i noćnim od 1 do 3 °C od onih na rubnim područjima. Najveće temperaturne razlike doživljavaju vlažna područja (prvenstveno na istoku Sjedinjenih Država) i gradovi s većim i gušćim stanovništvom. Istraživanja predviđaju da će učinak toplinskog otoka jačati u budućnosti kako se struktura, prostorni opseg i gustoća naseljenosti urbanih područja mijenjaju i rastu.

 

Uzroci toplinskih otoka

Toplinski otoci nastaju kao rezultat nekoliko čimbenika:

• Smanjeni prirodni krajolici u urbanim područjima. Drveće, vegetacija i vodene površine imaju tendenciju hlađenja zraka osiguravajući hlad, ishlapljujući vodu iz lišća biljaka i s vodenih površina. Tvrde, suhe površine u urbanim područjima – kao što su krovovi, nogostupi, ceste, zgrade i parkirališta – pružaju manje hlada i vlage od prirodnih krajolika i stoga doprinose višim temperaturama.
   
• Svojstva urbanih materijala. Konvencionalni materijali koje je napravio čovjek, a koji se koriste u urbanim sredinama kao što su pločnici ili krovovi reflektiraju manje sunčeve energije te apsorbiraju i emitiraju više sunčeve topline u usporedbi s drvećem, vegetacijom i drugim prirodnim površinama. Često se toplinski otoci stvaraju tijekom dana i postaju izraženiji nakon zalaska sunca zbog sporog oslobađanja topline iz urbanih materijala.
   
• Urbana geometrija. Dimenzije i razmak zgrada unutar grada utječu na protok vjetra i sposobnost urbanih materijala da apsorbiraju i oslobađaju sunčevu energiju. U jako razvijenim područjima, površine i strukture zapriječene susjednim zgradama postaju velike toplinske mase koje ne mogu lako otpustiti svoju toplinu. Gradovi s mnogo uskih ulica i visokih zgrada postaju urbani kanjoni, koji mogu blokirati prirodni protok vjetra koji bi donio efekte hlađenja.
   
• Toplina nastala ljudskim aktivnostima. Vozila, klimatizacijske jedinice, zgrade i industrijski objekti emitiraju toplinu u urbano okruženje. Ovi izvori ljudske ili antropogene otpadne topline mogu doprinijeti učincima toplinskih otoka.
   
• Vrijeme i geografija. Mirni i vedri vremenski uvjeti rezultiraju ozbiljnijim toplinskim otocima maksimiziranjem količine sunčeve energije koja dopire do urbanih površina i minimiziranja količine topline koja se može ukloniti. S druge strane, jaki vjetrovi i naoblaka sprečavaju stvaranje toplinskih otoka. Geografske značajke također mogu utjecati na učinak toplinskog otoka. Na primjer, obližnje planine mogu spriječiti vjetar da dopre do grada ili stvoriti obrasce vjetra koji prolaze kroz grad.

 

Karakteristike toplinskih otoka

Toplinski otoci obično se mjere temperaturnom razlikom između gradova i okolnih područja. Temperatura također može varirati unutar grada. Neka su područja toplija od drugih zbog neravnomjerne raspodjele zgrada i pločnika koji apsorbiraju toplinu, dok drugi prostori ostaju hladniji zbog drveća i zelenila. Te temperaturne razlike predstavljaju unutargradske toplinske otoke. U dijagramu efekta toplinskog otoka, urbani parkovi, ribnjaci i stambena područja hladniji su od središta grada.

Tijekom dana površinske temperature variraju više od temperatura zraka dok su noću uglavnom slične. Padovi i skokovi površinskih temperatura u području ribnjaka pokazuju kako voda održava gotovo konstantnu temperaturu danju i noću jer ne apsorbira sunčevu energiju na isti način kao zgrade i popločane površine. Parkovi, otvoreno zemljište i vodene površine u gradu mogu stvoriti hladnija područja. Temperature su obično niže na granicama prigradsko-ruralnih nego u središtima grada.  Slika: U.S. Environmental Protection Agency 

 

Općenito, temperature površine zemlje i zraka su različite, no obje više iznad grada. Iz tog razloga postoje dvije vrste toplinskih otoka: površinski toplinski otoci i atmosferski toplinski otoci. Oni se razlikuju po načinu na koji su formirani, tehnikama koje se koriste za njihovo identificiranje i mjerenje, njihovim utjecajima i u određenoj mjeri dostupnim metodama za njihovo hlađenje.

 

• Površinski toplinski otoci. Ovi toplinski otoci nastaju jer urbane površine kao što su ceste i krovovi upijaju i emitiraju toplinu u većoj mjeri od većine prirodnih površina. Za toplog dana s temperaturom od 33 °C, konvencionalni krovni materijali mogu doseći čak 65 °C. Otoci površinske topline obično su najintenzivniji tijekom dana kada sja sunce.
   
• Atmosferski toplinski otoci. Ovi toplinski otoci nastaju kao rezultat toplijeg zraka u urbanim područjima u usporedbi s hladnijim zrakom u rubnim područjima. Atmosferski toplinski otoci variraju mnogo manje u intenzitetu od površinskih toplinskih otoka.

 

Utjecaji toplinskih otoka

Povišene temperature s toplinskih otoka mogu utjecati na okoliš i kvalitetu života zajednice na više načina.

 

Povećana potrošnja energije

Toplinski otoci povećavaju potražnju za klimatizacijom za hlađenje zgrada. U procjeni studija slučaja koji se protežu na lokacijama u nekoliko zemalja, potražnja za električnom energijom za klimatizaciju povećala se za otprilike 1-9 % za svaki porast temperature od 1 °C. Zemlje u kojima većina zgrada ima klima uređaj, poput Sjedinjenih Država, imale su najveći porast potražnje za električnom energijom. Ova povećana potražnja doprinosi većim troškovima električne energije.

Toplinski otoci povećavaju i ukupnu potražnju za električnom energijom, kao i vršnu potražnju za energijom. Vrhunac potražnje općenito se javlja u vrućim ljetnim radnim danima poslijepodne, kada u uredima i domovima rade klimatizacijski sustavi, svjetla i ostali električni uređaji. Tijekom ekstremnih toplinskih događaja, koje pogoršavaju toplinski otoci, povećana potražnja za klimatizacijom može preopteretiti sustave i zahtijevati uvođenje programa kontroliranih, neprekidnih prekida rada ili nestanka struje kako bi se izbjegli nestanci struje.

 

Povišene emisije onečišćujućih tvari u zrak i stakleničkih plinova

Kao što je gore opisano, toplinski otoci ljeti povećavaju potražnju za električnom energijom. Tvrtke koje opskrbljuju električnom energijom obično se oslanjaju na elektrane na fosilna goriva kako bi zadovoljile veći dio ove potražnje, što zauzvrat dovodi do povećanja emisija onečišćujućih tvari u zrak i emisija stakleničkih plinova.

Ovi zagađivači su štetni za ljudsko zdravlje, a također doprinose složenim problemima kvalitete zraka kao što su stvaranje prizemnog ozona, smoga i kiselih kiša. Povećana upotreba elektrana na fosilna goriva također povećava emisije stakleničkih plinova, poput ugljičnog dioksida, koji doprinose globalnim klimatskim promjenama.

Uz njihov utjecaj na emisije povezane s energijom, povišene temperature mogu izravno povećati stopu stvaranja prizemnog ozona. Prizemni ozon nastaje kada dušikovi oksidi i hlapljivi organski spojevi reagiraju u prisutnosti sunčeve svjetlosti i visokih temperatura. Ako su sve ostale varijable jednake, kao što su razine emisija u zrak te brzina i smjer vjetra, stvarat će se više prizemnog ozona kako okoliš postaje sunčaniji i topliji.

 

Ugroženo ljudsko zdravlje i udobnost

Toplinski otoci doprinose višim dnevnim temperaturama, smanjenom noćnom hlađenju i većoj razini onečišćenja zraka. Oni pak pridonose smrti uzrokovanom toplinom, bolestima povezanim s toplinom, kao što su opća nelagoda, respiratorne poteškoće, toplinski grčevi, iscrpljenost od topline i toplinski udar bez smrtnog ishoda.

Toplinski otoci također mogu pogoršati utjecaj prirodnih valova topline, koji su razdoblja nenormalno vrućeg i često vlažnog vremena. Osjetljive populacije su posebno ugrožene tijekom ovih događaja.

• Starije osobe su među najosjetljivijima na ekstremne vrućine. Mnogi fiziološki, psihološki i socioekonomski čimbenici doprinose ovoj opasnosti. Vjerojatnije je da će starije osobe biti lošijeg zdravlja, manje pokretne i izoliranije, osjetljivije na visoke vrućine i žive od smanjenih prihoda.
   
• Mala djeca imaju tendenciju da budu osjetljivija na ekstremne vrućine zbog svoje male veličine i drugih karakteristika. Brže disanje djece u odnosu na veličinu tijela, vrijeme provedeno na otvorenom i njihov dišni sustav u razvoju povećavaju njihove šanse za pogoršanje astme i drugih plućnih bolesti uzrokovanih zagađenjem zraka ozonom i smogom, koji se obično povećava tijekom toplinskih valova.
   
• Stanovništvo s niskim prihodima izloženo je većem riziku od bolesti uzrokovanih vrućinom zbog loših stambenih uvjeta, uključujući nedostatak klimatizacije i malih životnih prostora, te neadekvatnih resursa za pronalaženje alternativnog skloništa tijekom toplinskog vala.
   
• Ljudi koji svoje radno vrijeme provode na otvorenom skloniji su stanjima kao što su toplinska iscrpljenost i toplinski udar. Oni su više izloženi onečišćenju zraka ozonom i toplinskom stresu, osobito ako radni zadaci uključuju teške napore.
   
• Osobe lošeg zdravlja, uključujući osobe s kroničnim stanjima, invaliditetom, ograničenjima u kretanju i one koje uzimaju određene lijekove, osjetljive su na ekstremne temperature. Osobe s dijabetesom, tjelesnim oštećenjima i kognitivnim deficitima posebno su ugrožene tijekom toplinskih valova.

 

Prekomjerne vrućine ili nagla i dramatična povećanja temperature posebno su opasni i mogu rezultirati iznadprosječnim stopama smrtnosti. Od 2004. do 2018. centri za kontrolu i prevenciju bolesti u Sjedinjenim Državama zabilježili su 10.527 smrtnih slučajeva povezanih s vrućinom, u prosjeku 702 godišnje. Ovi brojevi uključuju smrti kod kojih je toplina bila temeljni uzrok i smrti kod kojih je toplina bila doprinoseći faktor.

 

Narušena kvaliteta vode

Visoke temperature pločnika i krovnih površina mogu zagrijati oborinske vode, koje se odvode u oborinsku kanalizaciju i nakon ispuštanja u potoke, rijeke, ribnjake i jezera podižu njihovu temperaturu. Temperatura vode utječe na sve aspekte vodenog života, posebice na metabolizam i razmnožavanje mnogih vodenih vrsta. Brze promjene temperature u vodenim ekosustavima koje proizlaze iz dotjecanja tople oborinske vode mogu biti posebno stresne, pa čak i pogubne za život u vodi.

Jedna studija je pokazala da su gradski potoci u prosjeku topliji od potoka u šumskim područjima, te da su temperature u gradskim potocima porasle preko 4 °C tijekom malih oluja zbog otjecanja sa zagrijanih urbanih materijala.

Zelena infrastruktura  jedna je od mogućnosti za hlađenje oborinskih voda i poboljšanje kvalitete vode. To može uključivati preusmjeravanje odvoda u kišne vrtove, kutije za sadnice, korištenje bioloških pločnika, propusnih pločnika, zelenih ulica i uličica, zelenih parkinga i zelenih krovova.

 

Strategije hlađenja toplinskih otoka

Mnoge zajednice poduzimaju mjere za smanjenje urbanih toplinskih otoka koristeći pet glavnih strategija:

1) povećanje ploha s drvećem i ostalom vegetacijom,

2) postavljanje zelenih krovova,

3) postavljanje hladnih – uglavnom reflektirajućih – krovova,

4) korištenje hladnih pločnika (bilo reflektirajućih ili propusnih) i

5) korištenje praksi pametnog rasta.

 

Strategije i tehnologije

 

• Drveće i vegetacija - Povećanje pokrivača drveća i vegetacije snižava temperaturu površine i zraka osiguravajući hlad i hlađenje kroz evapotranspiraciju. Drveće i vegetacija također mogu smanjiti otjecanje oborinskih voda i zaštititi od erozije.
• Zeleni krovovi - Uzgoj vegetativnog sloja (biljke, grmlje, trava i/ili drveće) na krovu smanjuje temperaturu površine krova i okolnog zraka te poboljšava upravljanje oborinskim vodama. Također se nazivaju "vrtovima na krovu" ili "eko-krovovima", zeleni krovovi postižu ove prednosti pružanjem hlada i uklanjanjem topline iz zraka evapotranspiracijom.
• Hladni krovovi – Ugradnja hladnog krova – onog izrađenog od materijala ili premaza koji značajno reflektiraju sunčevu svjetlost i toplinu daleko od zgrade – smanjuje temperaturu krova, povećava udobnost stanara i smanjuje potražnju za energijom.
• Hladni pločnici - Korištenje materijala za popločavanje na nogostupima, parkiralištima i ulicama koji ostaju hladniji od konvencionalnih pločnika (reflektirajući više sunčeve energije i povećavajući isparavanje vode) ne samo da hladi površinu kolnika i okolni zrak, već također može smanjiti otjecanje oborinske vode i poboljšati vidljivost tijekom noći.
• Pametan rast – ova praksa pokriva niz strategija razvoja i očuvanja koje pomažu u zaštiti prirodnog okoliša i istodobno čine naše zajednice privlačnijim, ekonomski jačim i pogodnijim za život.

 

Drveće i vegetacija u gradovima smanjuju učinak toplinskih otoka. Fotografija: pixabay.com

Zeleni krovovi također smanjuju efekt toplinskih otoka, u nekim gradovima postaju sve popularniji. Fotografija: pixabay.com

Hladni, bijeli krovovi odbijaju više sunčeve svjetlosti od tamnih te se manje zagrijavaju. Fotografija: pixabay.com

Gradske vodene površine smanjuju dnevni učinak toplinskih otoka, no noću imaju suprotan efekt. Fotografija: pixabay.com