Lämpösaarekeilmiön ymmärtäminen tukee kaupunkisuunnittelua

Lämpösaareke syntyy vapautuvasta lämmöstä

Lämpösaarekkeeksi (urban heat island) kutsutaan ilmiötä, jossa kaupungin keskustassa on korkeampi lämpötila kuin ympäröivillä alueilla (kuva 1). Lämpösaareke syntyy rakennusten, liikenteen ja teollisuuden tuottamasta hukkalämmöstä sekä kaupungin rakenteisiin varastoituneen auringonsäteilyn vapautumisesta lämpönä. Viemäröinnin takia pienempi osa sadevedestä haihtuu vesihöyrynä ilmaan. Vesihöyry sitoo itseensä lämpöenergiaa, joten vähäisempi haihdunta kohottaa lämpötiloja kaupungissa. [1]

Kaupungin lämpösaarekkeen voimakkuuteen vaikuttavat kaupungin koko ja rakenne, asukastiheys sekä rakennusmateriaalit. Saareke on yleensä sitä voimakkaampi, mitä suuremmasta kaupungista on kyse ja mitä korkeampia rakennukset ovat suhteessa katujen leveyteen. Rakennusmateriaalit vaikuttavat auringonsäteilyn varastoitumiseen mutta myös kaupungin energiatehokkuuteen eli hukkalämmön määrään [1]. Lämpösaarekkeen voimakkuuteen vaikuttavat myös monet kaupungista itsestään riippumattomat seikat, kuten alueen pinnanmuodot ja sijainti suhteessa vesistöihin [2], [3]. Siksi samankokoisissa mutta erilaisissa ympäristöissä sijaitsevissa kaupungeissa havaitaan erilaisia lämpösaarekkeita.

Lämpösaarekeilmiö vallitsee etenkin yöllä

Lämpötilaero kaupungin ja ympäröivän maaseudun välillä voi olla suurimmillaan yli 10 °C [4]. Lämpösaareke on yleensä voimakkaimmillaan öisin (kuva 2). Toisinaan kaupungin keskusta voi olla ympäristöään viileämpi, useimmiten päiväsaikaan [1]. Tällöin puhutaan kylmäsaarekkeesta (urban cold island). Suomen leveysasteilla kylmäsaarekeilmiö esiintyy pääasiassa kesällä, kun taas talvella kaupungin keskusta on useimmiten myös päivällä ympäristöään lämpimämpi [5], [6].

Lämpösaarekkeen voimakkuuteen vaikuttaa merkittävästi myös vallitseva säätila. Tyyni ja pilvetön sää kasvattaa lämpötilaeroja, tuulinen ja pilvinen sää taas tasoittaa niitä. Yleensä tuulen nopeuden vaikutus on pilvisyyttä merkittävämpi [1]. Kaupunkirakenteesta riippuen tuulen nopeus vaikuttaa myös lämpösaarekkeen alueellisiin ilmenemismuotoihin. Havaintojen mukaan tyynellä ja heikkotuulisella säällä kaupungin lähiöt voivat muodostaa omia erillisiä lämpösaarekkeitaan, kun taas tuulisella säällä lämpösaarekkeella on yksi selvä keskus, joka myötäilee kaupungin yleistä alueellista rakennetta [6].

Ylimääräisestä lämmöstä voi olla sekä hyötyä että haittaa

Kaupungin lämpösaarekkeella on sekä myönteisiksi että haitallisiksi koettuja seurauksia. Lämpimässä ilmastossa kaupunkiin muodostuva lämpösaareke voimistaa kuumuuden aiheuttamia terveyshaittoja. Helleaaltojen aikaan kaupunkien korkeiden lämpötilojen on todettu jopa lisäävän kuolleisuutta erityisesti vanhusväestön keskuudessa. Euroopassa kesän 2003 helleaallon on laskettu aiheuttaneen noin 70 000 ennenaikaista kuolemantapausta, ja yksin Pariisissa 15 000 [7].Tyynellä ja heikkotuulisella säällä, jolloin voimakkaat lämpösaarekkeet ovat yleisiä, myös ilmanlaatu on usein huono, mikä lisää terveyshaittoja [8].

Suomessa kaupunkien korkeammat lämpötilat eivät juuri aiheuta terveysriskiä voimakkaimpia hellejaksoja lukuun ottamatta [9]. Pikkupakkasilla lämpösaareke voi lisätä sulamis-jäätymisvaihtelua. Vuoroittainen sulaminen ja jäätyminen altistavat rakenteita rapautumiselle ja vaikeuttaa tienpitoa. Toisaalta kaupungin lämpösaareketta voidaan talvisin pitää jopa hyödyllisenä ilmiönä muun muassa rakennusten vähäisemmän lämmitystarpeen takia. Ilmastonmuutoksen seurauksena korkeiden kesälämpötilojen aiheuttamat terveyshaitat tulevat todennäköisesti yleistymään myös viileässä ilmastossa [10].

Kaupunkisuunnittelulla voidaan vaikuttaa lämpösaarekeilmiön voimakkuuteen ja vaikutuksiin

Kaupunkisuunnittelussa lämpösaarekeilmiötä voidaan tarkastella sekä ilmastonmuutoksen hillinnän että muutokseen sopeutumisen näkökulmasta. Sekä kasvihuonekaasupäästöjä että lämpösaareketta voidaan vähentää sellaisilla kaavoituspäätöksillä ja rakennusteknologialla, joilla parannetaan energiatehokkuutta. [11], [12] Esimerkiksi rakennusmateriaaleiksi voidaan valita vähemmän lämpöä imeviä materiaaleja, rakennusten lämpövuotoja voidaan pienentää paremmilla eristeillä ja lisäksi rakennuksia voidaan viilentää käyttämällä energiatehokkaita menetelmiä.

Kaupungin toimintoja voidaan optimoida myös sopeutumisen näkökulmasta. Tieto kaupungin sisäisistä lämpötilaeroista mahdollistaa esimerkiksi tienpidon pienipiirteisen suunnittelun. Luistinratoja ja hiihtolatuja on mahdollisuuksien mukaan järkevä sijoittaa keskimääräistä kylmemmille alueille.

Kesäisten hellejaksojen aiheuttamia terveysriskejä puolestaan voidaan pyrkiä minimoimaan välttämällä sairaanhoidon ja vanhustenhuollon toimintojen sijoittamista lämpimille alueille. Samalla voidaan vähentää myös rakennusten jäähdytystarvetta. Viherrakentaminen ja läpäisevät pinnat lisäävät haihtuvan veden määrää, jolloin osa auringon energiasta sitoutuu latenttina eli piilevänä lämpönä vesihöyryyn lämpötilaa alentaen. Kostea ilma tosin voi tuntua kuivaa tukalammalta, vaikka sen lämpötila olisikin alhaisempi, joten viihtyvyyden ja terveyden perspektiivistä hyöty ei ole aivan yksiselitteinen [13], [12], [14].

Käytännössä kaupunkia ei juurikaan suunnitella ja kaavoiteta lämpötilaerojen näkökulmasta. Mahdollisuuksia rajoittavat tunnetusti monet reunaehdot, jotka menevät ilmastokysymysten edelle. Kaupunkien ikäkerroksellisuuden ja tilankäytön sekä erilaisten kulttuuriarvojen vuoksi on tarkkaan ja monitieteisesti harkittava, milloin on mielekästä muuttaa vanhoja rakenteita, milloin taas säilyttää niitä, vaikka sopeutumisen ja hillinnän osalta jouduttaisiin kompromisseihin.

Lämpösaareketta tutkitaan mittauksin ja mallintamalla

Lämpösaareketta mitataan tavallisesti kiinteällä lämpömittariverkostolla [15] tai esimerkiksi liikuteltavilla autoon tai polkupyörään kiinnitetyillä lämpötilatallentimilla [16]. Viime aikoina myös kaukokartoitusaineistoa, kuten satelliittikuvia, on alettu hyödyntää lämpösaareketutkimuksessa [17]. Lämpömittareilla mitataan tavallisesti ilman lämpötilaa muutamien metrien korkeudella, kaukokartoituksella puolestaan pintojen lämpötiloja. Tästä syystä havainnot eivät ole suoraan vertailukelpoisia keskenään.

Lämpötiloja voidaan myös mallintaa. Kun tunnetaan eri ympäristötekijöiden vaikutus lämpötiloihin, niiden perusteella voidaan ennustaa lämpötiloja myös havaintopisteiden välisille alueille.

Lämpösaarekeilmiö voi näkyä sellaisissa havaintopisteissä, joiden ympärillä kaupunkimainen maankäyttö on lisääntynyt havaintojakson aikana. Tämä joudutaan ottamaan huomioon arvioitaessa ilmaston yleistä lämpenemiskehitystä. [18], [19]

Ilmastonmuutoksen vaikutusta lämpösaarekeilmiöön ei vielä tunneta tarkasti

Ilmastonmuutoksen näkökulmasta kaupungin lämpösaareke on haastava tutkimuskohde. Tieteen piirissä ei vallitse yksimielisyyttä siitä, tuleeko saarekeilmiö voimistumaan vai heikkenemään ilmastonmuutoksen myötä [20], [21], [22]. Erään näkökulman mukaan talvinen lämpösaareke heikkenisi viileässä ilmastossa, koska korkeammat talvilämpötilat vähentävät lämmitystarvetta ja yhä energiatehokkaamman rakentamisen myötä rakennusten lämpövuodot pienenevät. Joka tapauksessa kaupunkien lämpötilat kohoavat ilmaston lämmetessä, vaikka ero ympäröivään alueeseen ei muuttuisikaan. Näin ollen kesäisistä hellejaksoista tulee yhä tukalampia. Kooltaan, rakenteeltaan, sijainniltaan ja ilmasto-oloiltaan erilaiset kaupungit tulevat reagoimaan eri tavoin.