Wat je zal leren:
Toepassen van de energiebalans op een lokale schaal.
Begrijpen van de impact van het landgebruik op de temperatuur.
Het stedelijk hitte-eiland effect.
Op lokale schaal is de energiebalans dynamisch en afhankelijk van de omgevingsfactoren. Zo zal de energiebalans er in een bos anders uitzien dan in een stad, waardoor de temperatuur dus ook zal verschillen. We bekijken drie belangrijke processen die voor temperatuursverschillen kunnen zorgen op lokale schaal.
Evapotranspiratie
Ingevangen straling
Opgeslagen warmte
Deze effecten zullen leiden tot het zogenaamde hitte-eiland effect.
Evapotranspiratie is sterk aanwezig in een omgeving met veel vegetatie. In een bos of weiland wordt hierdoor een groot deel van de inkomende energie omgezet in latente warmte. Hierdoor zal er minder waarneembare warmte nodig zijn om de energiebalans in evenwicht te brengen. Het is deze waarneembare warmte die de temperatuur bepaalt. Daarom kun je zeggen dat evapotranspiratie een koelend effect heeft.
In een stedelijke omgeving is er aanzienlijk minder vegetatie en water aanwezig. De geabsorbeerde stralingsenergie die omgezet zal worden in latente energie is daarom aanzienlijk kleiner dan in een groene omgeving. Hierdoor zal er bij eenzelfde inkomende straling een grotere waarneembare warmte nodig zijn om een evenwicht in de energiebalans te bereiken.
Parken en groene omgevingen in een stad zorgen in kleine (en lokale) mate voor een toename van deze evapotranspiratie, daarom hebben parken een afkoelend effect.
De mate waarin inkomende kortgolvige straling wordt geabsorbeerd kan sterk verschillen. Zo zal een natuurlijk landschap een deel van de invallende straling absorberen en een deel ervan reflecteren. De mate waarin gereflecteerd wordt, is beschreven door het albedo van het landschap.
Bij een stad ziet dit er wat anders uit. De energie die tussen de daken invalt komt bijvoorbeeld op de zijkant van een gebouw terecht. Daar zal een deel worden geabsorbeerd door het gebouw, het overige deel wordt gereflecteerd. Dit gereflecteerde licht kan op zijn beurt opnieuw invallen op een ander gebouw. De inkomende kortgolvige straling kan dus meervoudige reflecties ondergaan. Bij elke reflectie wordt een deel van de energie geabsorbeerd. Netto zal dit effect ervoor zorgen dat het albedo van de stad lager is, omdat een groter deel inkomende energie geabsorbeerd wordt.
De langgolvige straling die afkomstig is van straten en gebouwen wordt ook beïnvloed door meervoudige reflecties. Het is maar een fractie van deze straling die het hitte-dal kan verlaten zonder geabsorbeerd te worden door een gebouw. Deze fractie wordt de hemelfractie genoemd. Deze geeft de verhouding aan van de hemel ten opzichte van het totale zicht rondom. Wanneer je in een open omgeving staat kun je in alle richtingen de hemel zien, de hemelfractie is hier 1. In steden, waar er veel hoge gebouwen dicht op elkaar staan, kan deze hemelfractie zeer klein worden, zoals op de foto hiernaast. Hoe kleiner de hemelfractie, hoe meer reflecties die langgolvige straling zal ondergaan. Elke keer straling op een gebouw invalt, worden de materialen van het gebouw een beetje opgewarmd en die geven op hun beurt die warmte weer af aan de lucht in de stad. De lucht slaagt er hierdoor niet goed in om af te koelen, de warmte blijft 'gevangen' tussen de gebouwen. Dit effect zal hierdoor dus voornamelijk in de avond en 's nachts de kop opsteken. We zullen dit effect hier benoemen als 'ingevangen straling'.
Wetenschappers ontwikkelen computermodellen om de invloed van de stedelijke omgeving op het weer te bepalen. Hierbij gaan ze de stad modelleren als een verzameling van urban canyons. Uit simulaties en metingen blijkt dat er temperatuurverschillen kunnen optreden tot wel 10°C in het centrum van grote steden tegenover open, landelijke omgevingen net buiten van de stad.
Doorheen de dag worden de grond en de gebouwen opgewarmd door de inkomende energie. De grond en de gebouwen absorberen de warmte in de vorm van waarneembare warmte, de temperatuur hiervan zal dus stijgen. De hoeveelheid warmte die opgeslagen kan worden in een gebied heeft te maken met de warmtecapaciteit van dat gebied. De warmtecapaciteit geeft aan hoeveel energie (waarneembare warmte) er nodig is om het gebied met 1°C op te warmen. Water heeft een uitzonderlijk hoge warmtecapaciteit; er is dus zeer veel warmte nodig om de temperatuur van het water te doen stijgen. Daarom heeft een natte grond ook een hogere warmtecapaciteit dan een droge grond.
Wanneer een weiland opgewarmd wordt, zal de bodem deze energie absorberen. De energie zit dus opgeslagen in de bodem. Wanneer 's avonds de zon onder is en de lucht kouder is, dan zal de bodem deze warmte afstaan aan de lucht. Wanneer de lucht en de bodem dezelfde temperatuur hebben zal de warmtestroom stoppen.
Bij een stad gebeurt hetzelfde proces waarbij de materialen (gebouwen, wegen, ...) worden opgewarmd overdag en deze warmte afgeven gedurende de nacht. Een stad heeft doorgaans een grotere warmtecapaciteit dan een weiland. Dit komt omdat de stad bestaat uit vele gebouwen die ook warmte absorberen, in tegenstelling tot een weiland waarbij enkel de bodem wordt opgewarmd. Hierdoor zal de stad 's avonds en in de nacht, meer warmte kunnen afstaan aan de lucht. Daarbovenop komt dan ook nog eens het eerder besproken effect van 'ingevangen straling'.
Bovenstaande mechanismen geven aanleiding tot een zogenaamd stedelijk hitte-eiland effect, een term die gebruik wordt om de verhoogde temperaturen in steden te benoemen. Daarbij komt dat in een stedelijke omgeving menselijke activiteiten ook nog eens extra warmte kunnen toevoegen. Verkeer, warmteverlies van verwarming in gebouwen en airco-installaties zijn enkele voorbeelden van processen die warmte toevoegen aan de buitenlucht.
Samengevat is het hitte-eiland effect een samenspel van verschillende processen:
gebrek aan evapotranspiratie
grotere absorptie van zonnestraling in urban canyons
ingevangen straling
opgeslagen warmte in stad
extra warmte door menselijke activiteiten
Hitte-eilanden kunnen zowel voordelig als nadelig zijn. In een koeler klimaat zorgt het hitte-eiland voor minder energieverbruik omdat de gebouwen minder verwarmd hoeven te worden. Voornamelijk in een warm klimaat kan het hitte-eiland effect leiden tot een stijging van het energieverbruik, doordat airco's nodig zijn tijdens de warme seizoenen. Naast het energieverbruik zal het hitte-eiland effect ook zorgen voor een toename van hittestress.
Het gevoel van (extreme) hitte die een persoon aanvoelt, wordt hittestress genoemd. Belangrijk hierbij is dat het niet enkel de omgevingstemperatuur is die hittestress creëert, maar ook de staling op een persoon draagt bij tot het hittegevoel. Zo zal 30 °C in de schaduw van een boom een ander gevoel geven dan 30 °C in de volle zon. Wind en vochtigheid zijn ook belangrijke factoren bij het hittegevoel.
Hittestress heeft een aanzienlijke invloed op de mens en enkele bevolkingsgroepen zijn extra kwetsbaar zoals ouderen en baby's. Voornamelijk in deze groepen kan hittestress leiden tot een toename in mortaliteit en gezondheidsproblemen. Voor deze populaties kan het hitte- eiland effect dus voor fatale gevolgen zorgen.
Het hitte-eiland effect komt voor in alle seizoenen en is het duidelijkst op een heldere, windstille nacht. Hiernaast vind je een satellietfoto van Gent waar de temperatuursmetingen op 6 locaties worden getoond. Deze metingen werden geregistreerd op 14 februari 2019, een half uur na zonsondergang. Die avond waren de omstandigheden (helder, weinig wind) duidelijk goed en merken we een temperatuursverschil van bijna 8 °C tussen het centrum van de stad en een landelijk meetpunt net buiten Gent.
Hiernaast vind je een videofragment van De Universiteit van Vlaanderen waarin het gaat over het hitte-eiland-effect. Tijdens het filmpje worden vragen gesteld, kan je deze beantwoorden?
Drie situaties waarin je moet bepalen welke invloed de lokale omgeving op de temperatuur heeft.
In een bebouwde omgeving is het warmer dan in een landelijke omgeving, voornamelijk tijdens de avond en nacht. De belangrijkste oorzaken hiervoor zijn:
Gebrek aan evapotranspiratie
Grotere absorptie van inkomende straling
'Gevangen straling'
Opgeslagen warmte
Productie van warmte (verkeer, verwarming, airco, ...)
Het hitte-eiland effect kan leiden tot een toename aan hittestress in de stad.
Het hitte-eiland effect is het duidelijkste tijdens een windstille en heldere nacht.
Figuren:
principe van de Energie balans: https://www.calacademy.org/educators/earths-delicate-energy-balanceklimaatverandering en de energiebalans: https://www.nytimes.com/2018/01/23/business/economy/fighting-climate-change.htmllantente warmte en convectie:Ahrens C.D. Meteorology Today (2008)De energiebalans op klimatologische schaal: https://wg1.ipcc.ch/publications/wg1-ar4/faq/wg1_faq-1.1.htmlhttps://serc.carleton.edu/earthlabs/weather_climate/index.htmlGevangen warmte: :https://www.publichealthnotes.com/urban-heat-island-effects-mitigation-measures/https://nl.urbangreenbluegrids.com/heat/https://www.deviantart.com/auriond/art/Sky-view-factor-15206908https://media.istockphoto.com/vectors/urban-landscape-flat-city-day-and-night-vector-id513641746?k=6&m=513641746&s=170667a&w=0&h=UJVkE5mof8OSl5alLGNgwFpBBRoYcl_m4ocr1GjDfLI=hitte eiland effect:https://www.researchgate.net/publication/326316773_THE_EFFECT_OF_RAPID_URBANIZATION_ON_THE_PHYSICAL_MODIFICATION_OF_URBAN_AREAhttps://emis.vito.be/nl/artikel/stedelijk-hitte-eilandeffect-voor-het-eerst-beeldhttps://images3.persgroep.net/rcs/sZtm4-OkDqBYHVYx39CEHGpWZkg/diocontent/151464039/_fitwidth/763?appId=2dc96dd3f167e919913d808324cbfeb2&quality=0.8https://www.nu.nl/binnenland/5381264/knmi-woensdag-code-oranje-bijna-hele-land-hitte.htmlOefening:https://live.staticflickr.com/5219/5446264712_d1ea962aa8_b.jpg