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Ursachen

Der W√§rmeinseleffekt ist ein Resultat der √úberlagerung verschiedener atmosph√§rischer und anthropogener Prozesse in einer urbanen Landschaft. Ma√ügebend f√ľr die Auspr√§gung des W√§rmeinseleffektes sind dabei Wechselwirkungen zwischen der Sonneneinstrahlung mit st√§dtischen Erdoberfl√§chen und Luftschadstoffen, die Behinderung atmosph√§rischer Str√∂mungen durch die st√§dtische Bebauung sowie die W√§rmeabstrahlung durch anthropogene Quellen (Heizungen, Schornsteine, Motoren, usw.).


Absorption von Sonnenstrahlung an städtischen Oberflächen

Durch die Geometrie der st√§dtischen Bebauung vergr√∂√üert sich die Oberfl√§che, auf der Sonnenstrahlung absorbiert wird. Die Absorption von Sonnenstrahlung wird durch das Auftreten von Mehrfachreflexionen an den Geb√§udew√§nden zus√§tzlich verst√§rkt (Abbildung 2). Auch die Verwendung von Baumaterialien mit geringem Reflexionsverm√∂gen (z.B. Asphalt) f√ľhrt zu einer erh√∂hten Absorption von Sonnenstrahlung. Die absorbierte Sonnenstrahlung wird in Form von W√§rmeenergie in den verbauten Materialien, die oft eine hohe W√§rmespeicherkapazit√§t haben, gespeichert. Dies f√ľhrt besonders in austauscharmen, sommerlichen Sch√∂nwetterperioden tags√ľber zu einer starken Aufheizung der Bauk√∂rper. Aufgrund des hohen W√§rmespeicherverm√∂gens der verwendeten Baustoffe wird die tags√ľber in den Bauk√∂rpern gespeicherte W√§rme nachts nur sehr langsam wieder abgegeben. Die n√§chtliche Abstrahlung der W√§rme wird zus√§tzlich durch die von den Geb√§uden verursachte Einengung des Horizonts in Stra√üenschluchten oder Hinterh√∂fen verringert. In den Nachtstunden werden so die bodennahen Luftschichten in st√§dtischen Gebieten stark erw√§rmt. Der W√§rmeinseleffekt ist dadurch in den Nachtstunden am st√§rksten ausgepr√§gt (Abbildung 3).


Abb 2: Mikroskalige Prozesse die zur
Ausprägung der städtischen Wärmeinsel
beitragen

Abb. 3: Tagesgang der Intensität des Wärmeinseleffektes in verschiedenen Städten für einen typischen Sommertag

Im Gegensatz zu bebauten Fl√§chen wird der Erdboden von nat√ľrlichen bewachsenen Fl√§chen durch die Vegetationsbeschattung tags√ľber weniger stark erw√§rmt und es wird weniger W√§rmeenergie im Erdboden gespeichert. In den Nachtstunden wird die im Erdboden gespeichert W√§rmeenergie wieder durch W√§rmestrahlung abgegeben. Da im Vergleich zu bebauten Oberfl√§chen tags√ľber weniger W√§rmeenergie in nat√ľrlichen bewachsenen Erdoberfl√§chen gespeichert wurde, k√ľhlen sich die nat√ľrlichen Fl√§chen schneller ab als bebaute Fl√§chen.
Da die bodennahen Lufttemperaturen ma√ügeblich von der W√§rmeabstrahlung der Erdoberfl√§che und somit von der Erdoberfl√§chentemperatur bestimmt wird, sind die bodennahen Lufttemperaturen √ľber den k√ľhleren nat√ľrlichen Oberfl√§chen niedriger als die √ľber bebauten st√§dtischen Oberfl√§chen. Die schnellere Abk√ľhlung nat√ľrlicher Oberfl√§chen in den Nachtstunden f√ľhrt dazu, dass die st√§dtische W√§rmeinsel oftmals in den Nachtstunden deutlich st√§rker ausgepr√§gt ist als tags√ľber.


Abk√ľhlung durch die Verdunstung von Wasser

Bei der Verdunstung von Wasser wird W√§rme verbraucht, die der Umgebung (Luft, Erdboden) entzogen wird. Das hei√üt feuchte Oberfl√§chen an denen Wasser verdunstet erw√§rmen sich weniger stark oder k√ľhlen sich st√§rker ab. In st√§dtischen Gebieten wird aufgrund des hohen Versiegelungsgrades und des geringen Wasserspeicherverm√∂gens der verwendeten Materialien kein oder nur wenig Wasser (z.B. bei Niederschlagsereignissen), gespeichert. Damit ist die Verdunstung von Wasser und somit die K√ľhlung aufgrund der Verdunstung in st√§dtischen Gebieten gering.
Dagegen wird in nat√ľrlichen bewachsenen Erdoberfl√§chen Wasser im Erdboden und in der Vegetation gespeichert, das dem Verdunstungsprozess zur Verf√ľgung steht. Vor allem tags√ľber verdunstet viel Wasser an den Blattoberfl√§chen der Vegetation. Der W√§rmeverbrauch infolge der Verdunstung von Wasser f√ľhrt dazu, dass sich nat√ľrliche bewachsene Erdoberfl√§chen tags√ľber infolge der Sonneneinstrahlung weniger stark aufheizen, als bebaute st√§dtische Oberfl√§chen. Somit ist auch die bodennahe Lufttemperatur √ľber nat√ľrlichen bewachsenen Erdoberfl√§chen infolge des Verdunstungsprozesses geringer als die bodennahe Lufttemperatur √ľber bebauten st√§dtischen Fl√§chen. Die geringere Verdunstung von Wasser √ľber bebauten st√§dtischen Oberfl√§chen tr√§gt somit zur Auspr√§gung der W√§rmeinsel bei.


Verringerung von atmosphärischen Strömungen durch die Hinderniswirkung von Gebäuden

Die Geb√§ude in st√§dtischen Gebieten stellen ein Hindernis f√ľr atmosph√§rische Str√∂mungen dar. Durch die st√§dtische Bebauung vergr√∂√üert sich die Rauhigkeit der Erdoberfl√§che. Die Bewegungen von Luftmolek√ľlen werden verringert durch die Reibung von Luftmolek√ľlen an Geb√§uden sowie durch Staueffekte. Dadurch wird die Durchl√ľftung st√§dtischer Gebieten verringert. Die in den st√§dtischen Geb√§uden infolge der Sonneneinstrahlung gespeicherte W√§rme wird weniger effizient abtransportiert. In besonders ung√ľnstigen st√§dtischen Lagen (z.B. Hinterh√∂fen, engen Stra√üenschluchten) kann somit ein erheblicher W√§rmestau entstehen. Des Weiteren wird durch die verringerte Durchl√ľftung weniger kalte, frische Luft aus der st√§dtischen Umgebung und den Au√üenbereichen in innere Stadtgebiete transportiert. Die infolge der st√§dtischen Bebauung verringerte Durchl√ľftung f√ľhrt tr√§gt so zu der Auspr√§gung der st√§dtischen W√§rmeinsel bei.


Absorption von Strahlung durch Luftschadstoffe

Bestimmte Luftschadstoffe absorbieren aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften Strahlung. Dabei absorbieren einige Luftschadstoffe die Sonnenstrahlung und wandeln diese in W√§rme um und f√ľhren so zu einer Erh√∂hung der Lufttemperatur. Zu den Luftschadstoffen die Sonnenstrahlung absorbieren geh√∂ren beispielsweise das Ozon und Ru√üpartikel. Es gibt aber auch chemische Stoffe die W√§rmestrahlung absorbieren. Dadurch wird die Abstrahlung von W√§rme in h√∂here Luftschichten behindert und die die Lufttemperatur wird lokal erh√∂ht.
Wärmestrahlung absorbierende Stoffe sind beispielsweise die Treibhausgase Kohlendioxid CO2 und Methan. Da insbesondere die Luftschadstoffkonzentrationen in städtischen Gebieten höher sind als in ländlichen Umgebungen wird die Lufttemperatur in städtischen Gebieten durch die Absorption von Strahlung stärker erwärmt. Die Absorption von Strahlung trägt somit zur Ausprägung der städtischen Wärmeinsel bei.


Anthropogene Wärmequellen

In st√§dtischen Gebieten gibt es eine Vielzahl von anthropogenen W√§rmequellen die durch das Freisetzen von W√§rmeenergie zur Auspr√§gung der st√§dtischen W√§rmeinsel beitragen. Insbesondere bei Verbrennungsprozessen (in Heizungen, Motoren, Industrie und Energiewirtschaft) wird Abw√§rme produziert die von den Anlagen selber abgestrahlt wird und durch Schornstein oder Auspuff in die Atmosph√§re geleitet wird. Aber auch in Klimaanlagen oder Beleuchtungsanlagen wird W√§rme produziert die zur Erh√∂hung der bodennahen Lufttemperaturen in st√§dtischen Gebieten f√ľhren und somit die Auspr√§gung der st√§dtischen W√§rmeinsel verst√§rken.


 
 

© Landeshauptstadt Stuttgart, Amt für Umweltschutz, Abt. Stadtklimatologie