Cause e fattori che interessano l’isola di calore urbano

Le possibili cause che portano alla formazione dell’isola di calore sono state investigate a partire dagli anni ’70 (Oke, 1974).

E’ ben noto che la progressiva sostituzione dell’ambiente naturale con l’ambiente costruito, riconducibile ai fenomeni di urbanizzazione, costituisce la principale causa della formazione di UHI.

Le superfici naturali sono spesso composte da vegetazione e suolo nudo o inerbito. Queste ultime superfici utilizzano una percentuale relativamente alta di radiazione assorbita, nel processo di evapotraspirazione9, nel quale si rilascia vapore acqueo che contribuisce a raffreddare sensibilmente l'aria circostante. Oltre ad intervenire nel processo di evapotraspirazione, la vegetazione interagisce con la radiazione solare producendo i fenomeni di riflessione, ombreggiamento e convezione termica.

La riduzione e la frammentazione delle grandi aree vegetate, come i parchi, non solo riduce questi benefici, ma inibisce anche il raffreddamento atmosferico dovuto alla circolazione orizzontale dell'aria generata dal gradiente di temperatura che si instaura tra aree vegetate e urbanizzate (fenomeno di avvezione). Al contrario, le superfici costruite sono composte da un'alta percentuale di materiali da costruzione non riflettenti e impermeabili. Come conseguenza, queste superfici tendono ad assorbire una quota significativa della radiazione diretta incidente, rilasciata in tempi successivi sotto forma di calore.

Figura 40: Interazione della radiazione solare con la vegetazione.

9 _{L’evapotraspirazione (ET) è una grandezza fisica usata in agrometeorologia. Consiste nella} quantità di acqua che nell’unità di tempo passa dal terreno all’aria allo stato di vapore per effetto congiunto della traspirazione, attraverso le piante, e dell’evaporazione, direttamente dal terreno.

102

A questo aumento di carico termico, in aree urbane densamente edificate, si va a sommare l’assorbimento di una quota parte di energia riflessa e intrappolata dalle pareti verticali degli edifici che costituiscono i canyon urbani.

Figura 41: Interazione della radiazione solare con le gli edifici. A sinistra un esempio di Canyon urbano

nella metropoli di New York, a destra schema dell’interazione solare intrappolata nel Canyon urbano.

La presenza della città, inoltre, agisce fortemente sull’albedo, vale a dire sulla frazione della radiazione solare riflessa verso lo spazio.

Infatti, considerando vegetazione spontanea o coltivata, l’albedo è dell’ordine del 20 - 30%, mentre nelle città il valore è mediamente più basso, toccando valori inferiori al 5 % nel caso di superfici asfaltate.

In altri termini la superficie urbana assorbe più energia solare rispetto alle aree rurali. La questione è in realtà più complessa, perché differenze di colore, rugosità, umidità e capacità di intrappolare la radiazione a onda lunga (effetto di canyoning stradale) possono assumere un'importanza pari o superiore rispetto alla semplice natura delle superfici. Altri fattori, come l’effetto diffusivo prodotto dagli inquinanti atmosferici sulla radiazione emessa nell'area urbana, la produzione e l’immissione in ambiente di calore di ciclo da impianti di condizionamento e refrigerazione come pure da processi industriali, il traffico veicolare motorizzato (perciò tutto il calore di origine antropica), sommato alle condizioni di scarsa ventilazione prodotte dagli ostacoli dell’edificato che tendono a trasformare i flussi di aria in arrivo dall’ambiente rurale in un vero e proprio

103

cuscino di aria ferma e surriscaldata, sono state riconosciute come cause degli effetti di UHI.

Studi recenti (Christen & Vogt, 2004) hanno inquadrato i processi sino ad ora descritti come responsabili del fenomeno UHI nella seguente schematizzazione:

a. raffreddamento radiativo minore dovuto alla riduzione del fattore di vista del cielo ( SVF - Sky View Factor ) a causa della presenza di alti edifici; b. aumento dell’assorbimento della radiazione solare a causa di un differente

albedo, unito a riflessioni multiple nei canyon urbani;

c. grande accumulo diurno di calore negli edifici e successiva cessione notturna;

d. aumento del rapporto di Bowen10 (Bowen Ratio, β ) fra flusso di calore latente e sensibile, a causa della scarsa presenza di vegetazione (sostituita progressivamente dall’ambiente costruito) e dell’elevata impermeabilità dei materiali;

e. immissione diretta o indiretta di calore nei canyon urbani;

f. riduzione del mescolamento atmosferico a causa della scarsa ventilazione provocata dalla presenza di edifici alti che aumentano la scabrezza superficiale del terreno.

Questi processi non sono in competizione tra loro, ma concorrono ad accrescere l’intensità con cui si mostra il fenomeno dell’isola di calore urbano, come mostrato in figura 42.

10_{Il rapporto di Bowen (β) è un metodo per individuare l’evapotraspirazione basato sul rapporto tra} il flusso di calore sensibile (H [Wm-2_{]), scambiato per convezione tra superficie ed atmosfera, e la}

densità di flusso di calore latente (λE) (Brivio et al., 2006):

dove rE è dato dal prodotto di: r = calore latente di vaporizzazione = 2454 (kJ kg-1 _{a 20°C)}

104

Figura 42: Cause e processi di interazioni concorrenti nella formazione del fenomeno UHI: quadro

d’insieme (Voogt).

Note le cause che producono l’aumento di temperatura entro l’ambiente urbano, è possibile definire i fattori che influenzano le caratteristiche con cui si presenta il fenomeno UHI e capire come sia possibile intervenire per ridurne gli effetti:

105

 Posizione geografica: in essa inquadriamo principalmente la topografia dell’ambiente urbano che influenza l’esposizione ed il microclima, come pure la presenza e la distribuzione dell’ambiente rurale circostante. Nonostante il fenomeno dell’UHI sia circoscritto alla scala urbana, è oggetto di studio anche il legame con la latitudine geografica ed il connesso aspetto climatico (Arnfield, 2003) ;

 Il tempo: il fenomeno dell’UHI presenta variabilità giornaliera come visto, ma è sensibile anche a variazioni stagionali;

 Condizioni meteorologiche: la presenza del vento crea, come visto in precedenza, l’effetto piuma trascinando il fenomeno dell’isola di calore in una direzione preferenziale al livello del Boundary Layer. La copertura nuvolosa, la presenza in atmosfera di nebbia o quella di neve al suolo determinano in particolare vincoli sull’interpretabilità e la rilevabilità dei dati (forte diffusione atmosferica in caso di nebbia e elevato albedo in presenza di neve), limitando la comprensione o, in alcuni casi, la determinazione del fenomeno;

 Forme della città: la localizzazione, l’orientamento, i dettagli, le forme, i colori ed i materiali che caratterizzano l’ambiente costruito, insieme con la pianificazione e l’architettura degli spazi verdi pubblici e privati (pertinenziali) nella realtà urbana, rappresentano i fattori principali di amplificazione del fenomeno UHI.

 Funzione della città: oltre alla forma della città, grande importanza è riservata alle funzioni antropiche che in essa si svolgono (commercio, industria, ecc.), ed alle conseguenze ambientali delle immissioni inquinanti necessarie per il perseguimento di tali funzioni. A questo fattore è legato l’inurbamento e la crescita del tessuto urbano a causa dell’abbandono del tessuto rurale da parte della popolazione.

 Dimensioni della città: questo fattore è connesso ai due precedenti, e costituisce un nodo particolarmente importante nello sviluppo dell’isola di

106

calore urbano, perché, come dimostrato, il fenomeno è maggiormente evidente in corrispondenza dei grandi centri metropolitani.

Una rappresentazione dei fattori che influenzano l’entità dell’isola di calore urbano è data da Oke (1973):

Figura 43: Fattori che influenzano l’isola di calore urbano.

Alcuni valori di UHI, presi a confronto con la densità di popolazione per alcune grandi città (scala metropolitana) sono riportati nella tabella sottostante:

Shanghai (2007) Popolazione: 17.811.000 ab. Densità: 2930 ab./km² UHI (°K) 6,5 Kuala Lumpur (2009) Popolazione: 1,809,699 ab. Densità: 7.388 ab./km² UHI (°K) 6,0 – 7,0 Tokio (2010) Popolazione: 13.010.287 ab. Densità: 5949 ab./km² UHI (°K) 3.0 Calcutta (2001) Popolazione: 4.580.544 ab. Densità: 24.760ab./km² UHI (°K) 6,5 Mosca (2009) Popolazione: 10.535.100 ab. Densità:9.745 ab./km² UHI (°K) 3,0 – 3,5 New Delhi (2001) Popolazione: 294.783 ab. Densità: 9.294 ab./km² UHI (°K) 6

107 New York (2009) Popolazione: 8.391.881 ab. Densità:6.912 ab./km² UHI (°K) 2,9 Madras (2001) Popolazione: 4.216.268 ab. Densità: 5.850ab./km² UHI (°K) 4 Malmö (2000) Popolazione: 267.171 ab. Densità:3853 ab./km² UHI (°K) 7,0 Atene (2001) Popolazione: 745.514 ab. Densità: 19.133 ab./km² UHI (°K) 2 - 10

Tabella 10: Valori di UHI per alcune metropoli mondiali; interessante il legame densità di popolazione –

intensità dell’isola di calore urbano (http://www.bioarchitettura-rivista.it).