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Donnerstag, 20.09.2018
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Städte: Geometrie prägt Wärmeinsel-Effekt

Ein dichtes Straßenbild verhindert nachts die Wärmeabgabe von Gebäuden und Straßen

Urbane Hitze: Der Wärmeinsel-Effekt einer Stadt hängt auch von ihrer Geometrie ab. Forscher haben herausgefunden, dass hochgradig organisierte Metropolen mit schachbrettartigen Grundrissen – wie Chicago und New York – nachts besonders warm bleiben. In organisch gewachsenen Städten geben Gebäude und Straßen die Hitze hingegen leichter ab. Die Ergebnisse sollen zukünftig bei der Stadtplanung helfen und in den Zeiten des Klimawandels das Stadtklima verbessern.
Chicago besitzt die starrste Stadtstruktur in den USA und könnte in der Zukunft besonders unter dem Wärmeinsel-Effekt leiden.

Chicago besitzt die starrste Stadtstruktur in den USA und könnte in der Zukunft besonders unter dem Wärmeinsel-Effekt leiden.

Wenn es nachts in der Stadt mal wieder drückend heiß ist, dann liegt das auch am sogenannten Wärmeinsel-Effekt. Denn wenn Beton und Asphalt die Sonnenwärme speichern, heizt sich das Stadtzentrum stärker auf als das grüne Umland – um bis zu drei bis zehn Grad Celsius. Für die Städte ist das ein Problem: der Energieverbrauch durch Klimaanlagen steigt, die Luftverschmutzung nimmt zu und die Gesundheit der Bevölkerung leidet.

Stadtpläne und Wetterstationen


Doch was bestimmt, wie stark eine Stadt vom Wärmeinsel-Effekt betroffen ist? Um das herauszufinden, haben Jacob Sobstyl vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge und seine Kollegen den Einfluss der Stadtstruktur auf den Wärmeaustausch zwischen Stadt und Atmosphäre in den USA untersucht. Für ihre Untersuchungen beschränkten die Forscher sich auf die Nachtzeit, wenn fast ausschließlich die Wärmeabgabe von Gebäuden und Straßen zum Wärminsel-Effekt beiträgt. Tagsüber stören atmosphärische Effekte die Messungen.

Ihre Temperaturdaten bekamen sie aus 22 Wetterstationen in 14 Städten, die über Jahre hinweg stündlich die Temperatur aufgezeichnet hatten. Zum Vergleich erhielten sie ähnliche Daten aus der ländlichen Umgebung. Als nächstes vertieften sich die Forscher in die Stadtpläne von New York, Chicago und Co. Im Umkreis von drei Kilometern um die Wetterstationen teilten sie die Gebäude in Cluster ein und reduzierten den komplexen Stadtplan so auf ein simples, zweidimensionales Modell. Nun konnten sie statistisch untersuchen, ob Stadtstruktur und Wärmeabgabe in Verbindung stehen.


Je dichter, desto heißer


Das Ergebnis: Je dichter die Gebäude gepackt waren, desto höher war die überschüssige Wärme. Die Gebäude und Straßen konnten die Wärme demnach schlechter abgeben. Die Forscher gingen dieser Korrelation weiter auf den Grund. Sie fanden heraus, dass vor allem ein gitterförmiger Stadtgrundriss zu dem Wärmeinsel-Effekt beiträgt. Organisch gewachsene Städte heizen sich dagegen weniger auf.

Viele US-Metropolen sind jedoch berühmt für ihre hohen Wolkenkratzer. Um herauszufinden, welche Rolle die Höhe der Bebauung spielt, ließen die Forscher in einem zweiten Schritt auch die 3D-Struktur der Städte in ihre Berechnungen einfließen. Doch sie kamen auf das gleiche Ergebnis: Je organisierter eine Stadt ist, desto aufgeheizter bleibt sie in den Nächten. Ein zweidimensionaler Straßenplan reicht demnach aus, um ein verlässliches Bild zu bekommen.

Was aber bedeutet dies konkret für die modernen Städte in den USA? Das ermittelten die Forscher anhand der Stadtpläne von 50 Metropolen, darunter Chicago, Boston und New York. Es zeigte sich: Vor allem Chicago ist stark von dem Wärmeeffekt betroffen, denn die drittgrößte Stadt der USA ist – den Berechnungen zufolge – die dichteste und am stärksten organisierte Metropole. Los Angeles ist dagegen viel organischer gewachsen und die "lockerste" Stadt Amerikas, wie die Forscher herausfanden.


Klimawandel verstärkt den Wärmeinsel-Effekt


Mit ihren Ergebnissen wollen die Forscher den Stadtplanern unter die Arme greifen. Denn wie sie erklären, könnte in kalten Städten eine organisiertere Baustruktur die Wärmespeicherung erhöhen und so die Heizkosten senken. Andersherum könnte ein aufgelockertes Straßenbild in warmen Städten die Kosten für Klimaanlagen reduzieren.

In der Zukunft könnte das für einige Erleichterung sorgen, denn der Klimawandel wird den Wärmeinsel-Effekt weiter verschärfen und tropische Nächte selbst in deutsche Städte bringen. Nach Schätzungen von Wissenschaftlern könnte dies bei den größten Städten weltweit bis zum Jahr 2050 zu Einkommenseinbußen um bis zu zehn Prozent führen – wenn nicht durch Anpassungsmaßnahmen gegengesteuert wird. (Physical Review Letters, 2018; doi: 10.1103/PhysRevLett.120.108701)
(American Physical Society/CNRS, 15.03.2018 - YBR)
 
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