miniatura|Os ambientes urbanos densos sen espazos verdes crean un pronunciado efecto de illa de calor urbana (Milán, Italia) miniatura|Exemplo dun espazo verde no interior da cidade que reduce o efecto de illa de calor (Central Park, Nova York)
O efecto de illa de calor urbana (ICU) consiste en que frecuentemente as áreas urbanas están significativamente máis quentes que as áreas rurais que as rodean, a pesar de que ambas están sometidas a un clima xeral igual. Ás veces, en vez de illa de calor urbana utilízase como termo máis xeral illa de calor, que se usa para referirse a calquera área, urbana ou non, que é relativamente máis cálida que os seus arredores, pero o feito é que as illas de calor xeralmente están en áreas alteradas polo ser humano, fundamentalmente en áreas urbanas. A diferenza de temperatura adoita ser maior pola noite que durante o día, e é máis aparente cando os ventos son débiles, baixo condicións de bloqueo, especialmente durante o verán e inverno. A principal causa deste efecto é a modificación da superficie da terra mentres que un segundo contribuínte é que se xera calor residual polo uso de enerxía. Un estudo demostrou que as illas de calor poden ser afectadas pola proximidade de dous tipos de coberturas da terra diferentes, de modo que a proximidade dunha terra erma causa que o territorio urbano sexa máis cálido e a proximidade de terra cuberta con abundante vexetación faino máis frío. A medida que a poboación crece no centro das cidades, esta tende a expandir a súa área e incrementar a súa temperatura media. As áreas urbanas ocupan un 0,5 % da superficie continental da Terra, pero albergan a máis da metade da poboación mundial.
As precipitacións mensuais son maiores nas cidades, parcialmente debido á illa de calor. O incremento de calor nos centros urbanos incrementa a lonxitude da estación de crecemento das plantas e diminúe a frecuencia de tornados débiles. A illa de calor urbana empeora a calidade do aire ao incrementar a produción de polucionantes como o ozono, e diminúe a calidade da auga a medida que flúen augas máis cálidas a ríos da área e crean un estrés nos seus ecosistemas.
Non todas as cidades teñen un clara illa de calor urbana, e as características das illas de calor dependen fortemente do clima xeral da área na cal está localizada a cidade. O impacto nunha cidade pode cambiar moito debido ao seu ambiente local. A calor pode ser reducida por unha cuberta arbórea e espazos verdes que actúan xerando sombra e promoven o arrefriamento por evapotranspiración. Outras opcións son os tellados verdes (vexetación plantada nos tellados), aplicacións de arrefriamento radiativo diúrno pasivo, e as superficies de cores claras e materiais de construción menos absorbentes. Isto reflicte máis luz do sol e absorbe menos calor.
O cambio climático non é a causa das illas de calor urbanas, pero causa vagas de calor máis frecuentes e intensas que á súa vez amplifican o efecto de illa de calor nas cidades. O desenvolvemento urbano compacto e denso pode incrementar o efecto de illa de calor, orixinando maiores temperaturas e incrementando a exposición.
Os efectos da illa de calor urbana sobre a xente a miúdo varían baseándose en factores socioeconómicos. En moitas rexións, as minorías raciais e persoas de baixo status económico é máis probable que vivan en áreas con altos índices de calor urbana dentro das cidades. Tamén é menos probable que as persoas e familias de ingresos baixos poidan permitirse gastar os recursos necesarios para mitigar os efectos da calor urbana, como o aire acondicionado. Por esta razón, algúns estudosos afirmaron que as illas de calor urbanas son un asunto que afecta á xustiza social.
Descrición
300px|miniatura|Mecanismo do efecto de illa de calor urbana: o centro da cidade densamente edificado adoita ser máis cálido que as áreas residenciais suburbanas ou áres rurais. miniatura|400px|Un río crea un efecto refrescante nunha illa de calor urbana.
Definición miniatura|upright=1.55|Tokyo, un exemplo de illa de calor urbana. As temperaturas normais de Tokyo soben máis que as da área que o rodea. Unha definición de illa de calor urbana é: "a calidez relativa da cidade comparada coas áreas rurais que a rodean." Esta calidez relativa é causada polo "uso do territorio debido ao atrapamento de calor, a configuración e deseño do ambiente construtivo, incluíndo o trazado das rúas e o tamaño das edificacións, as propiedades de absorción de calor dos materiais de construción urbanos, ventilación reducida, presenza da vexetación e auga reducida, e emisións de calor industriais e domésticas xeradas directamente polas actividades humanas".
Variabilidade diúrna upright=1.4|miniatura|As cidades adoitan ter efectos de illa de calor máis fortes pola noite; os efectos poden variar coa localización e topografía das áreas metropolitanas.
Para a maioría das cidades a diferenza de temperatura entre a área urbana e a área rural circundante é maior de noite. Mentres que a diferenza de temperatura é significativa todo o ano, a diferenza é xeralmente maior en inverno. A diferenza de temperatura típica é de varios graos entre a cidade e as áreas que a rodean. Por exemplo, nos Estados Unidos, a diferenza nesas áreas durante o día é de entre 0,6 e 3,9 °C, mentres que a diferenza durante a noite é entre 1,1 e 2,8 °C. A diferenza é maior nas grandes cidades e áreas cunha alta humidade do aire.
A diferenza de temperatura do aire entre a illa de calor e o ambiente circundante é maior de noite e menor de día. Durante as horas diúrnas, especialmente cando os ceos están nubrados, as superficies urbanas están máis quentes pola absorción de radiación solar. As superficies nas áreas urbanas tenden a quentarse máis rápido que as das áreas rurais de arredor. Por mor da súa alta capacidade calorífica, as superficies urbanas actúan como un reservorio xigante de enerxía calorífica. Por exemplo, o formigón pode reter unhas 2000 veces máis calor que un volume equivalente de aire. Como resultado, a gran temperatura superficial diúrna dentro da illa de calor vese facilmente por teledeteción. Como é común, co quentamento diúrno, esta calidez tamén ten o efecto de xerar ventos convectivos dentro da capa límite urbana. Teorízase que, debido á mestura atmosférica que se produce, a perturbación da temperatura do aire dentro da illa de calor é xeralmente mínima ou non existente durante o día, aínda que as temperaturas da superficie poden acadar niveis extremadamente altos.
Pola noite a situación invértese. A ausencia de calor solar leva á diminución da convección atmosférica e a estabilización da capa límite urbana. Se hai suficiente estabilización, fórmase unha capa de inversión. Isto atrapa o aire urbano preto da superficie e mantén a superficie do aire cálida debido ás superficies urbanas aínda quentes, o que ten como resultado temperaturas do aire nocturnas máis cálidas na illa de calor. Ademais das propiedades de retención de calor das áreas urbanas, o máximo nocturno en "canóns urbanos" podía deberse ao bloqueo da "visión do ceo" durante o arrefriamento: as superficies perden calor pola noite principalmente por radiación ao ceo comparativamente frío, e isto está bloqueado polos edificios na área urbana. O arrefriamento radiativo é máis dominante cando a velocidade do vento é baixa e o ceo está nubrado, e, de feito, a illa de calor é máis grande pola noite nestas condicións.
Variabilidade estacional
A diferenza de temperatura das illas de calor non só adoita ser maior de noite que de día, senón tamén maior en inverno que en verán. Isto é especialmente certo en áreas onde a neve é común, xa que as cidades tenden a manter a neve por períodos máis curtos de tempo que as áreas rurais circundantes (isto é debido á maior capacidade de illamento das cidades, así como por actividades humanas como o varrido e retirada da neve). Isto cambia o albedo da cidade e así magnifica o efecto de quentamento. As maiores velocidades do vento nas áreas rurais, especialmente en inverno, poden tamén funcionar facéndoas máis frías que as áreas urbanas. A variabilidade estacional nas illas de calor tamén depende do clima da rexión. Rexións con estacións seca e húmida claramente diferenciadas mostrarán un efecto de illa de calor urbana maior durante a estación seca.
Modelos e simulacións
Se unha cidade ou vila ten un bo sistema de toma de datos meteorolóxicos o efecto da illa de calor pode medirse directamente. Unha alternativa é usar unha simulación complexa da localización para calcular ao efecto da illa de calor, ou utilizar un método empírico aproximado. Tales modelos permiten que o efecto de illa de calor sexa incluído en estimacións de futuras temperaturas dentro das cidades debidas ao cambio climático.
Leonard O. Myrup publicou o primeiro tratamento numérico completo para predicir os efectos das illas de calor urbanas en 1969. O efecto de illa de calor era o resultado neto de varios procesos físicos en competencia. En xeral, a evaporación reducida no centro da cidade e as propiedades térmicas dos materiais de construción e pavimentación da cidade son os parámetros dominantes. Os ambientes de simulacións modernas inclúen o ENVI-met, que simula todas as interaccións entre os edificios e as superficies do chan, plantas e aire ambiental.
Causas
miniatura|Exemplos de zonas urbanas densas: edificios altos de Manhattan durante o solpor. miniatura|Localizacións térmicas (arriba) e de vexetación (abaixo) arredor da cidade de Nova York a través de imaxes de satélite infravermellas. Unha comparación das imaxes mostra que onde a vexetación é densa as temperaturas son menores.
Hai varias causas da xeración dunha illa de calor urbana; por exemplo, as superficies escuras absorben significativamente máis radiación solar, o cal causa que as concentracións urbanas de edificios e rúas se quenten máis que as áreas rurais suburbanas durante o día; materiais que se usan habitualmente para pavimentación ou nos tellados, como formigón e asfalto, teñen propiedades térmicas en grandes volumes significativamente diferentes (como a calor específica e a condutividade térmica) e propiedades radiativas de superficie (albedo e emisividade) que as áreas rurais de arredor. Isto causa un cambio no balance radiativo terrestre da área urbana, que a miúdo causa maiores temperaturas que nas áreas rurais circundantes.
Os pavimentos de rúas e beirarrúas, aparcadoiros, estradas ou, falando máis en xeral toda a infraestrutura de transporte, contribúen significativamente ao efecto de illa de calor urbana. Por exemplo, a infraestrutura pavimentada é un contribuínte principal á calor urbana durante os mediodías do verán en Phoenix, Arizona, Estados Unidos.
Outra razón principal é a falta de evapotranspiración (por exemplo, pola falta de vexetación) nas áreas urbanas. O servizo forestal dos Estados Unidos atopou en 2018 que as cidades estadounidenses estaban perdendo 36 millóns de árbores cada ano. Cunha diminución da cantidade de vexetación, as cidades tamén perden a sombra e o efecto de arrefriamento evaporativo das árbores.
Outras causas do efecto de illa de calor débense aos efectos xeométricos. Os edificios altos dentro de moitas áreas urbanas proporcionan superficies múltiples para a reflexión e absorción de luz solar, incrementando a eficiencia no quentamento das áreas urbanas. Isto denomínase "efecto de canón urbano". Outro efecto dos edificios é o bloqueo do vento, o cal tamén inhibe a arrefriamento por convección e impide que os contaminantes se disipen. A calor residual de automóbiles, aire acondicionado, industria e outras fontes tamén contribúe á illa de calor.