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Isola di calore, un problema non del tutto compreso fino in fondo

by Dott. Alessio Santosuosso

Siamo nel bel mezzo dell’estate e in questo periodo nelle città si verifica maggiormente un fenomeno microclimatico che prende il nome di effetto isola di calore, che provoca un surriscaldamento locale con un aumento della temperata di 4-5°C rispetto alle zone peri urbane e rurali.
Secondo un rapporto dell’ISTAT, negli ultimi 20 anni (periodo 2000-2016) la temperatura media annua è circa 15,5°C, in aumento di 1,0°C rispetto alla media climatologica del 1971-2000.

Nonostante l’effetto isola di calore sia stato osservato per la prima volta nel 1818 a Londra dal meteorologo Luke Howard, il nome isola di calore appare nella letteratura soltanto nel 1958 nel Quarterly Journal of the Royal Meteorology Society di Gordon Manley.

In linea generale, non tutte le zone cittadine hanno la stessa alterazione termica, infatti i fattori che possono influire in termini di microclima sono molti.
L’origine dell’effetto risiede nell’alterazione da parte dell’uomo delle caratteristiche superficiali cittadine; tuttavia l’intensità del fenomeno dipende dalla posizione geografica, dal momento temporale considerato e dalle condizioni meteorologiche.

Le variabili meteorologiche che maggiormente influenzano l’intensità sono la velocità del vento e la nuvolosità, poiché modificano rispettivamente la turbolenza atmosferica e l’irraggiamento solare.
Le cause dovute dall’influenza umana sono collegate alla geometria della città, alle proprietà termiche e radiative delle superfici, alla diminuzione della vegetazione a ai processi energetici che soddisfano le necessità della popolazione.
L’altezza e la vicinanza degli edifici causano delle riflessioni multiple della radiazione solare, diminuiscono il fattore di vista verso il cielo e riducono la velocità del vento assieme all’effetto di asportazione del calore. In aggiunta alle causa legate alla struttura urbana, il fenomeno isola di calore è causato dal calore antropogenico (proveniente da mezzi di trasporto, condizionatori e stabilimenti industriale) e anche dall’effetto serra urbano generato dall’inquinamento.

L’indice utilizzato nel calcolare l’intensità dell’isola di calore, è definito come il rapporto tra la temperatura urbana e quella rurale.

Quali sono le variabili che l’uomo può controllare per ridurre tale fenomeno?

Vegetazione ed aree verdi; la presenza di un terreno coperto da vegetazione potrebbe contribuire all’abbassamento della temperatura epidermica urbana grazie all’evapostraspirazione e, in caso di alberi ad alto fusto, all’ombreggiamento. Il termine evapotraspirazione indica contemporaneamente due processi: l’evaporazione e la traspirazione vegetale. Mentre il primo processo esprime il passaggio allo stato gassoso dell’acqua presente su delle superfici, il secondo si riferisce al trasferimento nell’atmosfera attraverso gli stomi fogliari dell’acqua precedentemente assorbita dalle radici.

Fonte: https://www.facebook.com/arboricolturaurbana

Caratteristiche radiative dei materiali e inquinamento; il minor albedo comporta un maggior assorbimento di energia solare, che viene immagazzinata a causa dell’elevata inerzia termica e rilasciata sotto forma di calore durante il periodo notturno. Anche il particolato atmosferico provoca un maggior assorbimento atmosferico della radiazione infrarossa che viene poi re-irradata, provocando un aumento della temperatura.

Geometrie urbane e canyon urbani; un aspetto che influisce sulla radiazione è la disposizione geometrica degli edifici, che è in grado di modificare i percorsi della radiazione. Ogni città ha un proprio assetto geometrico, ma è possibile però individuare un’unità geometrica urbana presente in maniera diffusa, ovvero il canyon urbano. Il canyon consiste nella combinazione di due superfici verticali e di una orizzontale ed è formato tipicamente da due edifici adiacenti e da una strada che percorre tra essi. La sua geometri influenza il bilancio energetico in molteplici modi: aumenta la superficie esposta ai processi di scambio, complica l’ingresso della radiazione solare, limita la capacità di dispersione della radiazione infrarossa ad onda lunga e limita la turbolenza dell’aria. I canyon urbani catturano infatti una maggiore quantità di radiazione solare, intrappolata dalla numerose riflessioni multiple che i raggi solari subiscono

da parte delle pareti dei palazzi e del fondo stradale. A causa di tale di questo fenomeno, conosciuto appunto come effetto canyon, che l’isola di calore si conserva anche nelle ore notturne.

Riflessione e assorbimento in un canyon urbano. Fonte: Sottana et. al. 2012

Una notizia dell’ultimo periodo riportata da ISPRA dove secondo il rapporto sul “Consumo del suolo, dinamiche territoriali e servizi ecosistemici” 2021, la velocità di crescita di copertura artificiale registrata nel 2020 è di 2 mq al secondo. Infatti, le superfici urbane durante le calde giornate estive possono raggiungere temperature finta 50°C superiori a quelle dell’aria soprastante.
Le superfici asfaltate e costruzioni in cemento assorbono calore e non permettono un adeguata traspirazione ed evaporazione del terreno, provocando un aumento della temperatura (T superficie = 85°C).

Fonte: https://www.facebook.com/ arboricolturaurbana

Secondo Giannakopoulus et al. 2010 “La città di Atene è caratterizzata da un forte effetto isola di calore, causato principalmente dall’accelerata urbanizzazione avvenuta nei recenti anni”. In questo studio sono state effettuate misurazioni specifiche utilizzando 30 stazioni meteorologiche e sono state registrate isole di calore superiori a 10°C durante il giorno e fino a 5°C nella notte.

Tecniche di riduzione dell’effetto isola di calore

L’sola di calore è un fenomeno che condiziona inevitabilmente l’ambiente cittadino e la qualità della vita di chi vive in città. Nonostante le maggiori temperature esistenti in città possano essere considerate un effetto positivo durante il periodo invernale, in quanto riducono il carico di riscaldamento, in linea generale le conseguenze negative sembrano superare nettamente i benefici di tale fenomeno. È durante la stagione estiva infatti che si verifica la massima richiesta annuale di potenza elettrica e l’effetto di isola di calore contribuisce a incrementare l’entità della domanda. L’utilizzo massiccio degli impianti di condizionamento, oltre a provocare maggiori emissioni di calore antropogenico che aumentano ulteriormente la temperatura, determina maggiori emissioni di gas serra e di inquinanti, riducendo la qualità dell’aria. Entrambi questi effetti danneggiano la salute umana e contribuiscono a generare stati di malessere soprattutto nei soggetti più deboli. Infine l’elevata temperatura delle superfici riscalda in maniera anomala l’acqua piovana che defluisce poi in ruscelli, fiumi stagni e lagni; tale inquinamento termico dell’ecosistema influisce negativamente sul metabolismo e la riproduzione di molte specie acquatiche.

Le strategie di mitigazione maggiormente adottate comportano quindi la modifica del bilancio energetico delle superfici urbane tramite incremento dell’albedo dei materiali e aumento dei processi di evapotraspirazione. Questi cambiamenti dell’ambiente urbano possono essere relativamente economici da ottenere e procurano due tipologie di benefici: diretti e indiretti. Gli effetti diretti riguardano gli edifici sui quali sono stati effettuati gli interventi; la minore temperatura delle superfici delle abitazioni consente di ridurre la necessità di energia elettrica per la climatizzazione e un conseguente risparmio economico. Ma se le azioni di mitigazione vengono effettuate da molte strutture, le numerose riduzioni d temperatura locale e la riduzione di emissioni di calore antropogenico provocano una diminuzione della temperatura di tutta la città; in questo caso si parla di beneficio indiretto perché contribuisce al risparmio energetico di ogni singola abitazione.

Cool Roofs

I materiali utilizzati nella costruzione di abitazioni e strutture nelle città influenzano in maniera significativa il bilancio energetico superficiale. Una riduzione delle temperature epidermiche delle coperture urbane produrrebbe dei benefici diretti ai singoli edifici e indiretti all’intero territorio urbano, poiché i tetti occupano il 20-25% della superficie totale urbana. È possibile raggiungere questo obiettivo promuovendo l’utilizzo nei tetti di materiali in grado di riflettere una quota maggiore di radiazione rispetto a quelli tradizionali e caratterizzati da elevata emissività.

Le coperture urbane con queste caratteristiche vengono definite cool roofs, dal momento che possono raggiungere temperature superficiali inferiori di 28-33°C rispetto ai materiali abituali e superiori di solo 6-11°C rispetto alla temperatura dell’aria.
La realizzazione di questi tetti è tuttavia possibile utilizzando materiali con un comportamento selettivo, caratterizzati da eccellenti proprietà di riflessione della radiazione visibile e da un’elevata remissività nell’infrarosso.

La presenza di un cool roofs consente un minor trasferimento di calore dal tetto, rendendo più confortevole la temperatura interna in estate e limitando la necessità di energia per il raffreddamento.

Cool Pavements

Le superfici orizzontali cittadine sono quelle maggiormente influenzate dalla radiazione solare dal momento che possono raggiungere temperature epidermiche piuttosto elevate. La maggior parte dell’area urbana è coperta da pavimentazioni, secondo Ferguson et al. 2008 le pavimentazione in varie città americane ricoprono circa il 30-45% dell’area totale.

L’utilizzo di materiali con proprietà diverse rispetto a quelle di asfalto e calcestruzzo può garantire temperature superficiali inferiori e una minor quota di calore immagazzinato. Questi obiettivi possono essere raggiunti attraverso l’utilizzo di cool pavements, pavimentazioni che riflettono una maggior percentuale della radiazione solare e possono essere permeabili.
La quota riflessa dei materiali tradizionali è del 5-40% ma attraverso l’aggiunta di additivi coloranti alle pavimentazioni, anche durante interventi di manutenzione sullo strato superficiale, essa può essere elevata fino al 75%. La diffusione commerciale non si è molto espansa a causa dei possibili problemi di abbagliamento durante la guida e per l’inadeguatezza di un’elevata riflessione in luoghi di stazionamento delle persone.
I benefici ottenibili dall’utilizzo dei cool pavements sono solamente indiretti, poiché contribuiscono all’abbassamento delle temperature esterne.

Aree verdi

La mitigazione dell’isola di calore urbana può essere effettuata incrementando la presenza di parchi e piante. La diffusione di alberi e vegetazione può contribuire alla diminuzione delle temperature urbane grazie all’ombreggiamento e all’evapotraspirazione. La radiazione solare che oltrepassa una pianta è infatti ridotta del 10-80% d’estate e del 10-30% d’inverno.

L’ombreggiamento di un’abitazione prodotta da alberi di alto fusto, in grado di adombrare anche il tetto, diminuisce la temperatura delle superfici del 7-47% ed è maggiore quando le piante sono posizionate nei parcheggi e ai lati delle strade tutta la comunità cittadina godrebbe di una diminuzione di temperatura esterna com benefici indiretto.

Green roofs
Nelle aree urbane, in cui gli edifici sono molti e ravvicinati, lo spazio per la realizzazione di parchi ed aree verdi potrebbe non essere disponibile. È possibile comunque sfruttare l’ampia superficie urbana occupata dale costruzioni.
La diffusione di tetti verdi negli edifici permette di ridurre l’albedo e incrementare i processi di evapotraspirazione permettendo infatti di limitare le temperature epidermiche delle superfici, quindi di ridurre il flusso di calore entrante e il riscaldamento dell’aria.
É necessario affermare che la realizzazione de tetti verdi non è un intervento poco costoso rispetto ad altre azioni di mitigazione, poiché è necessaria una struttura composta da diversi strati in grado di offrire alla vegetazione condizioni di vita stabili ed evitare effetti negativi all’edificio.

In conclusione, possiamo dire che è necessario investire tempo e risorse economiche per migliorare l’ambiente delle nostre in città, a partire da una buona progettazione fino all’esecuzione e mantenimento nel tempo dell’opera stessa.

Variazione dell’effetto isola di calore nei vari ambienti

BIBLIOGRAFIA https://www.istat.it/it/files/2018/06/Report_Meteoclima.pdf

https://www.infobuildenergia.it/approfondimenti/effetto-isola-di-calore-come-ridurre-il-surriscaldamento- urbano/

https://it.wikipedia.org/wiki/Isola_di_calore

Giannakopoulos C., Hatzai M., Kostopoulou E., McCarty M., Goodess C. (2010). “The impact of climate change and urban heat islands on the occurrence of extreme events in cities. The Athens case”. Proc. of the 10th International Conference on Meteorology, Climatology and Atmospheric Physics, Patras, Greece, May 25th-28th, 2010, pp. 745-752.

http://tesi.cab.unipd.it/41168/1/Analisi_sperimentale_del_fenomeno_isola_di_calore_nella_citt.pdf

Autore: Dott. Agr. Alessio Santosuosso

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