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Ursachen

Der Wärmeinseleffekt ist ein Resultat der Überlagerung verschiedener atmosphärischer und anthropogener Prozesse in einer urbanen Landschaft. Maßgebend für die Ausprägung des Wärmeinseleffektes sind dabei Wechselwirkungen zwischen der Sonneneinstrahlung mit städtischen Erdoberflächen und Luftschadstoffen, die Behinderung atmosphärischer Strömungen durch die städtische Bebauung sowie die Wärmeabstrahlung durch anthropogene Quellen (Heizungen, Schornsteine, Motoren, usw.).


Absorption von Sonnenstrahlung an städtischen Oberflächen

Durch die Geometrie der städtischen Bebauung vergrößert sich die Oberfläche, auf der Sonnenstrahlung absorbiert wird. Die Absorption von Sonnenstrahlung wird durch das Auftreten von Mehrfachreflexionen an den Gebäudewänden zusätzlich verstärkt (Abbildung 2). Auch die Verwendung von Baumaterialien mit geringem Reflexionsvermögen (z.B. Asphalt) führt zu einer erhöhten Absorption von Sonnenstrahlung. Die absorbierte Sonnenstrahlung wird in Form von Wärmeenergie in den verbauten Materialien, die oft eine hohe Wärmespeicherkapazität haben, gespeichert. Dies führt besonders in austauscharmen, sommerlichen Schönwetterperioden tagsüber zu einer starken Aufheizung der Baukörper. Aufgrund des hohen Wärmespeichervermögens der verwendeten Baustoffe wird die tagsüber in den Baukörpern gespeicherte Wärme nachts nur sehr langsam wieder abgegeben. Die nächtliche Abstrahlung der Wärme wird zusätzlich durch die von den Gebäuden verursachte Einengung des Horizonts in Straßenschluchten oder Hinterhöfen verringert. In den Nachtstunden werden so die bodennahen Luftschichten in städtischen Gebieten stark erwärmt. Der Wärmeinseleffekt ist dadurch in den Nachtstunden am stärksten ausgeprägt (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 Flächen wird der Erdboden von natürlichen bewachsenen Flächen durch die Vegetationsbeschattung tagsüber weniger stark erwärmt und es wird weniger Wärmeenergie im Erdboden gespeichert. In den Nachtstunden wird die im Erdboden gespeichert Wärmeenergie wieder durch Wärmestrahlung abgegeben. Da im Vergleich zu bebauten Oberflächen tagsüber weniger Wärmeenergie in natürlichen bewachsenen Erdoberflächen gespeichert wurde, kühlen sich die natürlichen Flächen schneller ab als bebaute Flächen.
Da die bodennahen Lufttemperaturen maßgeblich von der Wärmeabstrahlung der Erdoberfläche und somit von der Erdoberflächentemperatur bestimmt wird, sind die bodennahen Lufttemperaturen über den kühleren natürlichen Oberflächen niedriger als die über bebauten städtischen Oberflächen. Die schnellere Abkühlung natürlicher Oberflächen in den Nachtstunden führt dazu, dass die städtische Wärmeinsel oftmals in den Nachtstunden deutlich stärker ausgeprägt ist als tagsüber.


Abkühlung durch die Verdunstung von Wasser

Bei der Verdunstung von Wasser wird Wärme verbraucht, die der Umgebung (Luft, Erdboden) entzogen wird. Das heißt feuchte Oberflächen an denen Wasser verdunstet erwärmen sich weniger stark oder kühlen sich stärker ab. In städtischen Gebieten wird aufgrund des hohen Versiegelungsgrades und des geringen Wasserspeichervermögens der verwendeten Materialien kein oder nur wenig Wasser (z.B. bei Niederschlagsereignissen), gespeichert. Damit ist die Verdunstung von Wasser und somit die Kühlung aufgrund der Verdunstung in städtischen Gebieten gering.
Dagegen wird in natürlichen bewachsenen Erdoberflächen Wasser im Erdboden und in der Vegetation gespeichert, das dem Verdunstungsprozess zur Verfügung steht. Vor allem tagsüber verdunstet viel Wasser an den Blattoberflächen der Vegetation. Der Wärmeverbrauch infolge der Verdunstung von Wasser führt dazu, dass sich natürliche bewachsene Erdoberflächen tagsüber infolge der Sonneneinstrahlung weniger stark aufheizen, als bebaute städtische Oberflächen. Somit ist auch die bodennahe Lufttemperatur über natürlichen bewachsenen Erdoberflächen infolge des Verdunstungsprozesses geringer als die bodennahe Lufttemperatur über bebauten städtischen Flächen. Die geringere Verdunstung von Wasser über bebauten städtischen Oberflächen trägt somit zur Ausprägung der Wärmeinsel bei.


Verringerung von atmosphärischen Strömungen durch die Hinderniswirkung von Gebäuden

Die Gebäude in städtischen Gebieten stellen ein Hindernis für atmosphärische Strömungen dar. Durch die städtische Bebauung vergrößert sich die Rauhigkeit der Erdoberfläche. Die Bewegungen von Luftmolekülen werden verringert durch die Reibung von Luftmolekülen an Gebäuden sowie durch Staueffekte. Dadurch wird die Durchlüftung städtischer Gebieten verringert. Die in den städtischen Gebäuden infolge der Sonneneinstrahlung gespeicherte Wärme wird weniger effizient abtransportiert. In besonders ungünstigen städtischen Lagen (z.B. Hinterhöfen, engen Straßenschluchten) kann somit ein erheblicher Wärmestau entstehen. Des Weiteren wird durch die verringerte Durchlüftung weniger kalte, frische Luft aus der städtischen Umgebung und den Außenbereichen in innere Stadtgebiete transportiert. Die infolge der städtischen Bebauung verringerte Durchlüftung führt trägt so zu der Ausprägung der städtischen Wärmeinsel bei.


Absorption von Strahlung durch Luftschadstoffe

Bestimmte Luftschadstoffe absorbieren aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften Strahlung. Dabei absorbieren einige Luftschadstoffe die Sonnenstrahlung und wandeln diese in Wärme um und führen so zu einer Erhöhung der Lufttemperatur. Zu den Luftschadstoffen die Sonnenstrahlung absorbieren gehören beispielsweise das Ozon und Rußpartikel. Es gibt aber auch chemische Stoffe die Wärmestrahlung absorbieren. Dadurch wird die Abstrahlung von Wärme in höhere Luftschichten behindert und die die Lufttemperatur wird lokal erhöht.
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 städtischen Gebieten gibt es eine Vielzahl von anthropogenen Wärmequellen die durch das Freisetzen von Wärmeenergie zur Ausprägung der städtischen Wärmeinsel beitragen. Insbesondere bei Verbrennungsprozessen (in Heizungen, Motoren, Industrie und Energiewirtschaft) wird Abwärme produziert die von den Anlagen selber abgestrahlt wird und durch Schornstein oder Auspuff in die Atmosphäre geleitet wird. Aber auch in Klimaanlagen oder Beleuchtungsanlagen wird Wärme produziert die zur Erhöhung der bodennahen Lufttemperaturen in städtischen Gebieten führen und somit die Ausprägung der städtischen Wärmeinsel verstärken.


 
 

© Landeshauptstadt Stuttgart, Amt für Umweltschutz, Abt. Stadtklimatologie