Isola di calore urbana: perché la città resta calda anche dopo il tramonto

La città non crea calore dal nulla

Una superficie urbana riceve dal Sole una quantità di energia simile a quella che raggiunge i territori circostanti. La differenza nasce dal modo in cui questa energia viene assorbita, trasformata, accumulata e successivamente restituita.

In un terreno vegetato una parte dell’energia solare viene utilizzata per far evaporare l’acqua dal suolo e per alimentare la traspirazione delle piante. Questa quota viene trasferita nell’atmosfera sotto forma di calore latente e non provoca immediatamente un aumento della temperatura della superficie.

In un parcheggio asfaltato, sopra un tetto o lungo una strada impermeabile, l’acqua disponibile è invece molto minore. Una parte più grande dell’energia ricevuta riscalda direttamente i materiali e l’aria sovrastante.

L’urbanizzazione modifica quindi la ripartizione dell’energia:

• diminuisce spesso l’evaporazione;
• aumenta l’accumulo nei materiali;
• modifica gli scambi radiativi;
• altera la ventilazione;
• aggiunge calore prodotto dalle attività umane.

L’isola di calore è il risultato combinato di questi processi, non l’effetto isolato di un singolo materiale.

Non esiste una sola isola di calore

L’espressione isola di calore viene spesso utilizzata come se indicasse un unico fenomeno misurabile con un solo termometro. In realtà si possono osservare forme differenti.

Isola di calore superficiale

Riguarda la temperatura di tetti, strade, terreni, vegetazione e altre superfici. Può essere misurata con radiometri, termocamere montate su veicoli o aeromobili e sensori satellitari.

Durante una giornata soleggiata, una copertura scura può diventare molto più calda dell’aria. Un prato irrigato o una chioma alberata possono invece mantenere temperature superficiali sensibilmente inferiori.

Queste differenze possono essere molto grandi, ma non indicano direttamente la temperatura respirata da una persona.

Isola di calore dello strato urbano

Riguarda la temperatura dell’aria compresa indicativamente tra il terreno e l’altezza media degli edifici. È lo strato nel quale si trovano strade, cortili, abitazioni e persone.

Per misurarla servono sensori meteorologici correttamente schermati e ventilati, collocati in posizioni rappresentative. È questa la forma più direttamente collegata all’esposizione umana all’aperto.

Isola di calore dello strato atmosferico sopra la città

L’influenza urbana può estendersi anche sopra i tetti, formando una struttura termica più ampia che viene trasportata e deformata dal vento.

Il massimo può non trovarsi esattamente sopra il centro geografico. Una parte dell’aria più calda può essere spostata sottovento, mentre la topografia e le circolazioni locali possono modificarne forma e intensità.

Le tre forme sono collegate, ma non coincidono. Una strada molto calda contribuisce a riscaldare l’aria, tuttavia il rapporto dipende da vento, ombra, umidità, geometria degli edifici e ora del giorno.

Una mappa satellitare non misura la temperatura dell’aria

I satelliti termici stimano la temperatura radiativa della superficie osservata. In un’immagine urbana possono quindi distinguere tetti, strade, campi, zone industriali, boschi e specchi d’acqua.

La misura è estremamente utile per individuare superfici che assorbono molta energia e aree relativamente fresche. Presenta però limiti precisi.

Il sensore satellitare osserva principalmente la superficie visibile dall’alto. In una strada stretta può misurare soprattutto i tetti e soltanto una parte della pavimentazione. Non misura direttamente l’aria a uno o due metri dal suolo e non descrive completamente l’ombra presente sotto alberi, portici o edifici.

Anche l’ora di passaggio è decisiva. Una mappa acquisita a metà mattina non rappresenta necessariamente il momento più caldo del giorno né il massimo dell’isola di calore notturna.

Una carta satellitare deve quindi essere chiamata mappa della temperatura superficiale, non semplicemente mappa della temperatura urbana.

Perché asfalto e cemento si scaldano

Definire un materiale “caldo” o “freddo” è troppo semplice. Il suo comportamento dipende da diverse proprietà.

L’albedo indica la frazione di radiazione solare riflessa. Una superficie scura con albedo basso assorbe generalmente più energia di una superficie chiara.

L’emissività descrive l’efficienza con cui una superficie emette radiazione infrarossa. Molti materiali urbani hanno emissività elevate, ma ciò non impedisce loro di raggiungere temperature elevate se assorbono molta energia e ne accumulano una parte consistente.

La capacità termica indica quanta energia deve essere assorbita per aumentare la temperatura del materiale. La conducibilità determina quanto rapidamente il calore si propaga al suo interno.

Una pavimentazione può quindi:

• assorbire una parte elevata della radiazione solare;
• trasferire energia negli strati sottostanti;
• accumularla per diverse ore;
• restituirla lentamente dopo il tramonto.

Lo stesso materiale non si comporta inoltre sempre allo stesso modo. Spessore, colore, umidità, orientamento, ombreggiamento e struttura sottostante possono modificarne fortemente la risposta.

L’impermeabilizzazione riduce il raffreddamento per evaporazione

Nei suoli naturali una parte della pioggia penetra nel terreno e rimane disponibile per l’evaporazione e per le radici.

Nelle aree impermeabilizzate l’acqua viene invece allontanata rapidamente attraverso tombini, condotte e canali. Dopo la pioggia, strade e tetti possono asciugarsi in poco tempo e tornare a comportarsi come superfici quasi prive di acqua.

Quando il terreno è umido, una parte dell’energia disponibile viene impiegata nel cambiamento di stato dell’acqua. Quando il terreno è asciutto, una quota maggiore diventa calore sensibile, cioè energia capace di aumentare la temperatura della superficie e dell’aria.

Questo non significa che qualsiasi zona vegetata sia automaticamente fresca. Se il suolo è molto secco e le piante chiudono gli stomi per limitare la perdita d’acqua, la traspirazione diminuisce. Durante una siccità prolungata, anche un prato può perdere gran parte della propria capacità di raffreddamento.

Gli edifici moltiplicano le superfici esposte

Un terreno aperto presenta principalmente una superficie orizzontale.

Una città aggiunge pareti, tetti, balconi, cortili, strade e strutture disposte su più livelli. La superficie totale capace di assorbire e accumulare energia diventa molto superiore alla semplice area osservata in pianta.

Durante il giorno alcune pareti rimangono in ombra, mentre altre ricevono direttamente il Sole. Con il suo movimento, la radiazione raggiunge superfici differenti e penetra nelle strade con angoli variabili.

L’energia può essere riflessa più volte tra una facciata e l’altra. Una parte viene assorbita dai muri, una parte raggiunge il suolo e un’altra viene nuovamente riflessa.

La città funziona quindi come una struttura tridimensionale, non come una lastra piatta di asfalto.

Il canyon urbano rallenta la perdita di calore

Una strada fiancheggiata da edifici viene spesso definita canyon urbano.

Le superfici collocate all’interno del canyon vedono soltanto una porzione del cielo. Il resto del campo visivo è occupato da muri, tetti e altri oggetti che si trovano a temperature relativamente elevate.

Durante la notte, una superficie aperta può perdere energia irradiandola verso un’ampia porzione di cielo. In una strada stretta, invece, parte della radiazione emessa da un muro viene intercettata da quello opposto o dalla pavimentazione.

La ridotta esposizione al cielo rallenta il raffreddamento radiativo. Il fenomeno viene descritto anche attraverso il fattore di vista del cielo, che rappresenta quanta parte della volta celeste risulta visibile da un punto.

Un valore ridotto non significa automaticamente che la strada sia sempre più calda. Gli edifici producono anche ombra durante il giorno, che può limitare il riscaldamento diretto. Il risultato dipende dall’orientamento della strada, dall’altezza degli edifici, dalla larghezza del canyon, dal periodo dell’anno e dalla ventilazione.

Perché l’isola di calore è spesso più evidente di notte

Durante il giorno sia la città sia la campagna ricevono radiazione solare. Le differenze di temperatura possono essere grandi sulle singole superfici, ma la temperatura dell’aria dipende anche da turbolenza, vento, ombreggiamento e miscelazione atmosferica.

Dopo il tramonto, il comportamento dei due ambienti tende a separarsi con maggiore chiarezza.

Un terreno aperto e poco umido può raffreddarsi rapidamente per irraggiamento verso il cielo. Anche l’aria immediatamente sovrastante perde calore e può formare uno strato stabile vicino al suolo.

La città continua invece a ricevere energia da:

• muri e pavimentazioni riscaldati durante il giorno;
• coperture e strutture con elevata massa termica;
• edifici climatizzati;
• traffico;
• attività industriali;
• reti energetiche e infrastrutture.

Allo stesso tempo, il cielo visibile dalle superfici urbane è spesso limitato e la ventilazione può essere ridotta.

La temperatura urbana diminuisce quindi più lentamente. Il massimo contrasto con le aree circostanti si forma spesso alcune ore dopo il tramonto, non necessariamente durante il pomeriggio più caldo.

La campagna può raffreddarsi più della città

L’intensità dell’isola di calore non dipende soltanto da quanto è calda la città. Dipende anche da quanto si raffredda l’area scelta come riferimento.

Una campagna aperta, asciutta, poco ventilata e con cielo sereno può perdere calore molto rapidamente durante la notte. Se la temperatura rurale scende mentre quella urbana diminuisce lentamente, la differenza aumenta anche senza un ulteriore riscaldamento della città.

Questo punto è importante perché l’isola di calore è una differenza, non una temperatura assoluta.

Se una stazione urbana misura 27 °C e quella rurale 22 °C, l’intensità calcolata è 5 °C. Se la stazione rurale viene spostata vicino a un edificio, sopra asfalto o su una collina ventilata, il confronto cambia anche se la città rimane identica.

La scelta del riferimento condiziona quindi il risultato.

Il calore prodotto dalle attività umane

Automobili, autobus, industrie, illuminazione, apparecchi elettrici e sistemi di climatizzazione trasformano energia e rilasciano calore.

Il contributo viene chiamato calore antropico.

Un condizionatore non elimina il calore. Lo trasferisce dall’interno dell’edificio verso l’esterno e aggiunge l’energia elettrica consumata dal compressore. Il raffreddamento di un locale produce quindi un riscaldamento dell’ambiente esterno circostante.

In un quartiere poco denso questo contributo può essere modesto rispetto alla radiazione solare. Nei centri molto compatti, nelle aree commerciali, industriali o caratterizzate da un uso intenso della climatizzazione può diventare significativo, soprattutto la sera e durante la notte.

Si forma così un meccanismo di retroazione:

1. l’aria urbana è calda;
2. aumenta l’uso dei climatizzatori;
3. cresce il calore espulso all’esterno;
4. l’ambiente urbano si riscalda ulteriormente;
5. aumenta ancora la richiesta di raffreddamento.

Il vento può indebolire o spostare l’isola di calore

L’isola di calore tende a essere più marcata durante notti serene e con vento debole.

La scarsa nuvolosità favorisce il raffreddamento radiativo delle aree aperte, mentre il vento debole limita la miscelazione tra aria urbana e aria circostante.

Con vento forte, il calore viene disperso e trasportato. Il contrasto tra centro e campagna può diminuire, ma non necessariamente scompare. La massa d’aria più calda può essere spostata verso i quartieri sottovento.

Gli edifici modificano inoltre localmente il flusso:

• alcune strade canalizzano il vento;
• altre rimangono schermate;
• gli spigoli possono produrre accelerazioni;
• cortili e piazze possono ospitare ricircoli;
• differenze di altezza aumentano la turbolenza.

Non esiste quindi una ventilazione urbana uniforme. Due strade vicine possono avere temperature e velocità del vento molto diverse.

Non tutti i quartieri formano la stessa isola

La contrapposizione tra città e campagna è spesso troppo generica.

Un centro storico compatto, un quartiere di villette, una zona industriale, un grande parco, un complesso di torri e un’area commerciale non hanno la stessa struttura fisica.

Per descrivere queste differenze è stato sviluppato il sistema delle Local Climate Zones, o zone climatiche locali. La classificazione distingue ambienti caratterizzati da combinazioni differenti di:

• altezza degli edifici;
• densità e distanza tra le costruzioni;
• quantità di superficie impermeabile;
• presenza di vegetazione;
• rugosità;
• proprietà dei materiali;
• attività umane.

In una stessa città possono quindi esistere contemporaneamente isole di calore nei quartieri compatti, aree relativamente fresche nei parchi, superfici roventi nelle zone industriali, corridoi ventilati lungo fiumi o grandi assi stradali e cortili caldi e poco ventilati.

L’isola di calore non è sempre positiva in ogni momento

In alcune condizioni un’area urbana può risultare temporaneamente più fresca del territorio circostante.

Una strada ombreggiata da edifici alti può scaldarsi meno di un campo secco esposto direttamente al Sole. Nelle regioni aride, quartieri irrigati e alberati possono presentare temperature superficiali diurne inferiori a quelle del deserto circostante.

Si parla allora di isola urbana di freschezza.

Il fenomeno è particolarmente importante quando si interpretano le immagini satellitari. Cambiando la definizione dell’area urbana e del riferimento rurale, alcune città aride possono risultare più calde o più fresche nelle ore diurne.

L’isola di calore non è quindi una regola secondo cui ogni metro quadrato urbano deve essere sempre più caldo di ogni terreno rurale.

Isola di calore e ondata di caldo non sono la stessa cosa

Un’ondata di caldo è un evento meteorologico durante il quale le temperature rimangono eccezionalmente elevate per più giorni rispetto al clima locale.

L’isola di calore è invece una differenza prodotta dalla struttura urbana. Può manifestarsi anche in primavera, autunno o inverno e può esistere senza un’ondata di caldo.

I due fenomeni possono però sovrapporsi.

Durante un’ondata di caldo:

• le superfici accumulano più energia;
• le abitazioni si raffreddano con maggiore difficoltà;
• aumenta l’uso dei climatizzatori;
• le temperature notturne rimangono elevate;
• l’organismo dispone di meno ore per recuperare dallo stress termico.

Il cambiamento climatico aumenta la temperatura di fondo e la probabilità di caldo estremo. L’urbanizzazione aggiunge una modificazione locale. Non è corretto attribuire l’intera temperatura urbana all’isola di calore, ma è altrettanto scorretto ignorare l’effetto combinato dei due processi.

Le notti calde sono il problema principale

Durante il giorno le persone possono evitare alcune aree, cercare ombra o trascorrere parte del tempo in ambienti climatizzati. Nelle ore notturne il corpo dovrebbe invece recuperare il calore accumulato.

Quando la temperatura esterna rimane elevata, gli edifici si raffreddano lentamente e gli ambienti interni possono continuare a cedere calore alle persone. Il problema è maggiore nelle abitazioni poste agli ultimi piani, poco ventilate, esposte a ovest o prive di isolamento e schermature solari.

Le minime notturne elevate rappresentano quindi un elemento importante del rischio sanitario urbano. Il problema non coincide soltanto con il valore massimo raggiunto nel pomeriggio, ma con la durata dell’esposizione e con l’assenza di una fase realmente fresca.

Come si misura correttamente l’isola di calore

La misura più semplice consiste nel confrontare la temperatura urbana con quella di una stazione esterna alla città:

intensità dell’isola di calore = temperatura urbana − temperatura di riferimento

La formula è semplice. Ottenere valori confrontabili è molto più difficile.

I sensori devono trovarsi:

• alla stessa altezza;
• in schermi equivalenti;
• con ventilazione comparabile;
• lontano da sorgenti termiche immediate;
• sopra superfici documentate;
• in zone rappresentative;
• con strumenti calibrati e sincronizzati.

Non avrebbe significato confrontare un sensore urbano posto sopra asfalto, vicino a una parete soleggiata, con una stazione rurale collocata sopra prato aperto e attribuire tutta la differenza all’intera città. Il primo sensore descriverebbe soprattutto un microambiente locale.

Anche il riferimento rurale deve essere scelto con attenzione. Un campo irrigato, un bosco, un terreno arato, un versante collinare e una pianura aperta possono avere regimi termici molto diversi.

Stazioni fisse, misure mobili e satelliti

Nessun metodo fornisce da solo una descrizione completa.

Le stazioni fisse permettono di seguire continuamente l’andamento della temperatura, ma rappresentano soltanto il luogo nel quale sono installate.

Le reti urbane con molti sensori mostrano le differenze tra quartieri, purché gli strumenti siano installati e confrontati correttamente.

I transetti mobili, effettuati con sensori montati su automobili, biciclette o altri mezzi, permettono di attraversare la città e osservare la distribuzione spaziale. Le misure devono però essere corrette per il tempo trascorso: se il percorso dura due ore, una parte della differenza può dipendere dal normale raffreddamento serale.

Le termocamere mostrano differenze superficiali molto dettagliate, ma emissività, riflessi e angolo di osservazione possono introdurre errori.

I satelliti coprono grandi aree con misure omogenee, ma osservano la superficie soltanto in determinati momenti e possono essere ostacolati dalle nubi.

La ricostruzione più solida combina misure dell’aria, osservazioni delle superfici, informazioni sulla morfologia urbana e dati meteorologici generali.

Una singola stazione non descrive un’intera città

Una stazione installata in un giardino misura quel giardino e l’ambiente circostante. Non misura automaticamente il centro storico, la zona industriale, il parco e i quartieri periferici.

Anche una stazione perfettamente costruita rimane una misura puntuale.

Per descrivere l’isola di calore occorre conoscere almeno:

• posizione;
• altezza del sensore;
• tipo di superficie;
• distanza dagli edifici;
• quantità di vegetazione;
• esposizione al Sole;
• ventilazione;
• densità edilizia dell’area circostante.

Il valore diventa scientificamente utile quando il sito è documentato e la serie è confrontabile nel tempo.

Moltiplicare sensori economici senza controllare l’installazione può produrre una mappa apparentemente dettagliata ma composta da errori diversi.

Come si può ridurre il fenomeno

Ombra

Ridurre la radiazione solare diretta su strade, muri, finestre e persone limita l’accumulo di energia. L’ombra può essere prodotta da alberi, porticati, tende, pensiline e dalla stessa geometria degli edifici.

Vegetazione

Alberi e superfici vegetate possono fornire ombra e raffreddamento per evapotraspirazione. Il risultato dipende però da disponibilità d’acqua, specie, dimensione delle chiome, disposizione e manutenzione.

Superfici riflettenti

Tetti e pavimentazioni con maggiore riflettanza solare assorbono meno energia. L’effetto deve essere valutato considerando abbagliamento, riflessione verso facciate e pedoni, sporcamento e comportamento nel tempo.

Materiali con minore accumulo

Ridurre la massa termica esposta o scegliere strutture che rilascino più rapidamente il calore può limitare il riscaldamento notturno. La soluzione deve però essere compatibile con il comportamento termico degli edifici interni.

Ventilazione

Corridoi aperti, orientamento delle strade, altezze differenziate e spazi non eccessivamente chiusi possono favorire la dispersione del calore. Una ventilazione maggiore può però risultare sgradevole durante l’inverno o aumentare la propagazione di inquinanti e polveri in alcune configurazioni.

Riduzione del calore antropico

Edifici efficienti, climatizzazione meno dissipativa, trasporto pubblico, riduzione del traffico e recupero del calore possono diminuire l’energia rilasciata direttamente nell’ambiente urbano.

Acqua

Suoli permeabili, bacini e superfici umide possono contribuire al raffreddamento evaporativo. Nelle regioni soggette a siccità occorre però valutare attentamente il consumo idrico.

Raffreddare una superficie non significa sempre raffreddare le persone

Una superficie chiara può raggiungere una temperatura inferiore perché riflette una quantità maggiore di radiazione solare. La radiazione riflessa può tuttavia raggiungere pareti, finestre o persone presenti nelle vicinanze.

Analogamente, un prato esposto può apparire più fresco in una mappa termica, ma offrire poco sollievo a una persona se manca l’ombra.

Il comfort termico umano dipende contemporaneamente da:

• temperatura dell’aria;
• umidità;
• velocità del vento;
• radiazione solare diretta;
• radiazione infrarossa emessa dalle superfici;
• attività fisica;
• abbigliamento.

La progettazione non deve quindi cercare soltanto il colore più freddo in una mappa satellitare. Deve ridurre l’esposizione reale delle persone.

L’isola di calore è anche un problema di distribuzione

Le temperature non sono uniformi e neppure la possibilità di proteggersi dal caldo.

Quartieri con pochi alberi, molto asfalto, edifici inefficienti e traffico intenso possono coincidere con abitazioni prive di climatizzazione, popolazioni anziane o persone che lavorano all’aperto.

Al contrario, zone con grandi giardini, edifici isolati e minore densità possono offrire condizioni più favorevoli.

Il rischio nasce quindi dall’incontro tra:

• pericolo meteorologico;
• caratteristiche fisiche del quartiere;
• qualità degli edifici;
• condizioni di salute;
• disponibilità economica;
• accesso a spazi freschi e servizi.

Una carta termica può individuare aree calde, ma per stabilire le priorità di intervento deve essere confrontata con la distribuzione della popolazione e della vulnerabilità.

Conclusioni

L’isola di calore urbana non è semplicemente una città più calda perché contiene asfalto.

È una modificazione del bilancio energetico prodotta dalla sostituzione dei suoli naturali, dall’accumulo di calore nei materiali, dalla geometria tridimensionale degli edifici, dalla riduzione dell’evaporazione, dalla ventilazione alterata e dal calore rilasciato dalle attività umane.

L’effetto è spesso più evidente durante la sera e la notte. Le superfici rurali aperte possono raffreddarsi rapidamente, mentre muri, tetti e pavimentazioni urbane restituiscono lentamente l’energia accumulata durante il giorno. La città non necessariamente continua a scaldarsi: semplicemente si raffredda più lentamente.

Non esiste però una sola isola urbana. Quartieri differenti presentano temperature differenti e, in alcune condizioni, un’area urbana può perfino risultare più fresca del territorio circostante.

Occorre inoltre distinguere con precisione tra temperatura delle superfici e temperatura dell’aria. Satelliti e termocamere mostrano dove tetti e strade sono più caldi, ma non sostituiscono una rete di sensori meteorologici correttamente installati.

L’isola di calore non coincide con un’ondata di caldo e non è una conseguenza diretta del cambiamento climatico. I fenomeni possono però sommarsi, aumentando soprattutto le temperature minime e riducendo il raffreddamento notturno.

La mitigazione richiede interventi combinati. Vegetazione, ombra, materiali riflettenti, ventilazione, permeabilità dei suoli e riduzione del calore antropico possono contribuire, ma nessuna misura è universalmente efficace. Prima di modificare la città occorre sapere quale temperatura si sta misurando, dove viene misurata e quale processo fisico si vuole realmente correggere.