Isola di calore: come ridurre l’effetto del surriscaldamento urbano

Gli ultimi dati pubblicati da Copernicus ci dicono che negli ultimi 12 mesi la temperatura media globale è stata sempre di 1,5°C al di sopra dell’era preindustriale e lo scorso giugno è stato il mese più caldo mai registrato a livello globale.

Il timore di ricercatori e scienziati è che queste ondate di calore estremo di inizio stagione si ripeteranno, e in forma sempre più aggressiva, anche nei prossimi anni, a causa del cambiamento climatico. Una delle conseguenze nelle città è nota come effetto isola di calore, un fenomeno microclimatico che comporta un innalzamento della temperatura in corrispondenza delle aree urbanizzate metropolitane.

Isola di calore: le cause

L’effetto isola di calore è provocato da differenti cause, che sono tra loro in relazione, all’intensificarsi delle quali consegue un maggiore alterazione del microclima locale.

Il fenomeno è prevalente dei grandi centri urbani in quanto il surriscaldamento dipende dalle caratteristiche termiche e radiative delle superfici, spesso sfavorevoli in contesti di elevata urbanizzazione.

Infatti, le superfici pavimentate con asfalto scuro e costruite in cemento assorbono calore e non permettono adeguata traspirazione ed evaporazione del terreno.

Spesso questo si accompagna alla riduzione di aree verdi urbane, altrettanto importanti per la regolazione del microclima locale.

Infine per molto tempo nei centri urbani si è costruito senza tener conto dei criteri di sostenibilità e oggi le conseguenze sono evidenti. Contemporaneamente, proprio nei centri urbani si concentrano un maggior numero di attività che producono calore.
Il traffico e le emissioni delle automobili, le industrie, i sistemi di riscaldamento e raffrescamento degli edifici sprigionano una grande quantità di calore che non viene adeguatamente dispersa, ma si accumula nelle isole urbane.

Anche l’effetto del vento, che favorisce un ricambio d’aria e un conseguente raffrescamento, è spesso smorzato a causa dell’elevata densità di edifici, che schermano molte aree dai moti ventosi.

Con l’aumento della popolazione urbana e la continua espansione delle città, il problema del surriscaldamento urbano diventa sempre più rilevante, influenzando negativamente la qualità della vita, la salute pubblica e il consumo energetico.

Definite le cause, è semplice intuire che maggiore sarà l’estensione dell’area urbana, maggiori saranno i rischi di intensificare l’effetto isola di calore, con elevata differenza di temperatura rispetto alle aree periurbane e rurali, che può raggiungere anche 4 o 5°.

Le isole di calore continuano ad aumentare, le evidenze scientifiche

Negli ultimi anni abbiamo assistito a un aumento di intensità, frequenza e durata delle ondate di calore in tutto il mondo,  soprattutto nelle città e si prevede che queste tendenze peggioreranno con l’aumento del riscaldamento globale, che probabilmente produrrà impatti più gravi e forse irreversibili in alcuni settori.

Un recente Studio pubblicato su Nature Cities, a cui per l’Italia ha partecipato il Cnr, e che ha esaminato quattordici grandi aree urbane europee ( tra cui Firenze e Roma), segnala che in Europa le ondate di calore negli ultimi anni sono aumentate e colpiscono maggiormente le persone più vulnerabili, che hanno minor accesso ad aree verdi. Rispetto al decennio 2000-2009 c’è stato un aumento del 57% delle persone esposte alle ondate di calore. Lo Studio parla di “ingiustizia ambientale”, perché i cittadini con redditi bassi sono quelli che hanno minori accesso alle infrastrutture verdi urbane “a causa della sfavorevole conformazione urbanistica e sociale di molte città europee”, spiega Giacomo Nicolini coautore dello studio. Per il futuro è indispensabile pianificare interventi mitigativi, basati sulle Nature Based Solutions, che tengano conto della dimensione sociale oltre a quella ambientale.

Lo strumento della Stazione Spaziale Internazionale, Ecostress, nel luglio del 2022 ha misurato gli estremi di temperatura della superficie terrestre di alcune città europee, tra cui Milano, Parigi e Praga. Si tratta di immagini che certamente non possono che preoccupare, ma rappresentano anche un’occasione per ripensare la pianificazione urbana, attraverso una gestione più efficiente delle risorse.  Glynn Hulley, uno dei ricercatori, ha dichiarato: “ECOSTRESS fotografa l’impatto del caldo estremo nelle città di tutto il mondo, considerando le recenti ondate di calore che hanno infranto i record sia in Europa che negli Stati Uniti. Questi dati possono essere utilizzati per identificare i punti più caldi, le regioni vulnerabili e valutare l’impatto di raffreddamento degli approcci di mitigazione del calore”.

La ricerca “Global long-term mapping of surface temperature shows intensified intra-city urban heat island extremes” pubblicata su ScienzeDirect sempre nel 2022 e firmata da un Gruppo di ricercatori guidati da Lorenzo Mentaschi del Dipartimento di fisica e astronomia “Augusto Righi” (DIFA) dell’università di Bologna, ha analizzato la differenza tra le temperature nelle città con problemi di isole di calore e con una popolazione di più di 50.000 persone rispetto alle zone rurali. I risultati sono stupefacenti: nelle aree urbane di tutto il mondo, nel periodo 2003-2020 le temperature medie sono state fino a 10 – 15° C più alte rispetto a quelle delle zone rurali.

Un altro studio pubblicato Nature Communications nel luglio 2020 evidenzia che in quasi tutto il mondo il fenomeno sia peggiorato in maniera rapida negli ultimi anni: nell’area del Mediterraneo, dagli anni 80 ad oggi, ogni decennio ci sono state 6,4 giornate di caldo estremo in più.

Uno studio coordinato dal Cnr-Ibe di Firenze realizzato in collaborazione con Ispra e pubblicato nel 2020 su Science of the Total Environment, ha rivelato che le isole di calore sono molto più frequenti e intense nelle città metropolitane dell’entroterra e peggiorano all’aumentare del nucleo centrale della città e dove c’è meno verde. Nella ricerca si spiega che l’ecosistema urbano è caratterizzato da superfici vegetate e impermeabili e la “quantità di questi due elementi influenza la composizione del paesaggio urbano, modificando anche il microclima e favorendo il fenomeno dell’isola di calore”. Lo studio, condotto nel periodo estivo in 10 metropoli della penisola, ha analizzato quanto le coperture arboree e il consumo di suolo influenzino le isole di calore. Sono stati tenuti in considerazione anche altri aspetti, tra cui la distanza dal mare e la dimensione delle città. I ricercatori hanno sviluppato un nuovo strumento, l’“Urban Surface Landscape layer”, in grado di valutare la copertura superficiale del paesaggio urbano e individuare le zone con alte temperature superficiali, in cui sono necessari interventi di mitigazione e intensificazione della copertura arborea. “Le isole di calore più intense sono state osservate nelle città dell’entroterra e di maggiori dimensioni: a Torino un aumento del 10% nel nucleo centrale di aree con elevato consumo di suolo e bassa copertura arborea, è associato a un aumento dell’intensità dell’isola di calore media estiva di 4 °C”.

Ci sono molte implicazioni critiche e impatti negativi delle ondate di calore sulla salute umana, sull’agricoltura, sulla produttività del posto di lavoro, sulla frequenza e intensità degli incendi e anche sulle infrastrutture pubbliche.

Effetti e conseguenze del surriscaldamento

La conseguenza diretta dell’effetto isola di calore è l’innalzamento delle temperature, sia in estate che in inverno.
Chiaramente in estate si percepiranno maggiori disagi con l’aumento delle massime e l’intensificarsi di ondate di calore intenso.

A questo innalzamento, come detto principale effetto diretto dell’effetto isola di calore, seguono una serie di conseguenze secondarie. Più caldo significherà maggior lavoro di condizionatori, climatizzatori e ventilazione meccanica per raffrescare gli ambienti interni e garantire comfort.

Si consumerà più energia e aumenteranno le emissioni inquinanti. La popolazione che risiede nei centri urbani è in notevole crescita, oggi supera la metà della popolazione mondiale (solo in Italia il 70% circa), e si attende un’intensificazione del fenomeno per il futuro, motivo per cui nei prossimi anni è atteso un peggioramento dell’effetto isola di calore urbana, correlato al surriscaldamento globale.

Proprio per la grande diffusione del problema, in tutto il mondo le città si stanno organizzando per  cercare soluzioni, partendo da una progettazione più attenta al microclima locale.

Le università, i centri di ricerca e le case produttrici dei materiali edili stanno lavorando per offrire un ventaglio di soluzioni sempre più ampio ed efficace.

Impatto del surriscaldamento urbano: ambientale, sanitario ed economico

Il surriscaldamento urbano ha una serie di impatti significativi su diversi aspetti della vita cittadina, che possono essere suddivisi in tre categorie principali: ambientale, sanitario ed economico.

Impatti ambientali: l’aumento delle temperature dell’aria e delle superfici urbane è una delle conseguenze più evidenti dell’effetto isola di calore. Le superfici artificiali come asfalto e cemento assorbono e trattengono il calore, portando a temperature più elevate rispetto alle aree rurali circostanti. Questo incremento di calore altera i microclimi urbani, creando zone di caldo intenso che possono influenzare negativamente la biodiversità locale e aumentare il consumo di energia per il raffreddamento degli edifici.

Impatti sulla salute: il surriscaldamento urbano contribuisce significativamente allo stress termico per i residenti delle città. Le elevate temperature possono portare a colpi di calore e a un aumento delle malattie cardiovascolari e respiratorie. Inoltre, le ondate di calore prolungate aggravano condizioni croniche, soprattutto tra le popolazioni vulnerabili come anziani e bambini. La qualità dell’aria peggiora con l’aumento delle temperature, esacerbando problemi respiratori come l’asma.

Impatti economici: il surriscaldamento urbano ha anche rilevanti conseguenze economiche. L’aumento della temperatura richiede un maggiore uso di sistemi di climatizzazione, portando a un incremento del consumo energetico e dei costi associati. Questo sovraccarico energetico non solo ha implicazioni economiche per i singoli cittadini, ma aumenta anche la domanda sulle reti elettriche, causando potenziali blackout. Inoltre, i costi per la salute pubblica aumentano a causa delle malattie legate al caldo e delle spese mediche aggiuntive per trattare le condizioni aggravate dal calore estremo.

Come ridurre l’effetto isola di calore

Prima di tutto va ribadita l’importanza fondamentale di un approccio progettuale ed urbanistico consapevole e attento al microclima urbano.
Andrebbe svolto sempre uno studio microclimatico dell’area, con l’intenzione di favorire la ventilazione naturale, valutare le migliori forme e dimensioni degli edifici, le ombre e le altezze dei volumi e l’inserimento di aree verdi.

Una volta fatto ciò, è possibile ragionare sul tipo di superfici e di materiali e sulle modalità di inserimento del verde urbano.

Le coperture, molto spesso grigie o di colori scuri, sono tra gli elementi che causano l’effetto isola di calore.

Un intervento vincente è l’installazione di tetti verdi e giardini verticali che non solo restituiscono spazi utili alla socialità, ma contribuiscono al controllo microclimatico urbano, favoriscono l’evaporizzazione, l’assorbimento di agenti inquinanti e la riduzione di polveri sottili.

In alternativa si possono realizzare i “Cool Roof”, tetti freddi grazie al rivestimento delle superfici di copertura con materiali riflettenti.

I tetti freddi sono in grado di riflettere fino all’80% della radiazione solare e si realizzano con l’applicazione di materiali chiari con un basso fattore di assorbimento solare e un’elevata emissività.

Anche le pavimentazioni, in cemento o in asfalto, peggiorano l’effetto isola di calore, basti pensare alle grandi superfici occupate da strade e parcheggi.

Anche qui la scelta di materiali può contribuire a realizzare pavimentazioni con colorazioni chiare e alto indice di riflettanza che mantengono una temperatura inferiore, esistono bitumi, pitture e aggregati che hanno queste caratteristiche.

Nel caso dei parcheggi, inoltre, è possibile optare per soluzioni di verde armato e pavimentazioni drenanti.

E’ importante che le pavimentazioni siano ad alta riflettanza, realizzate con materiali naturali, permeabili e con proprietà di riflessione solare.

Un valore alto SRI (Solar Reflectance Index) limita l’accumulo di calore e dunque il  surriscaldamento cittadino.

Infine, è scontata la necessità di bilanciare sempre le superfici costruite con la realizzazione di aree verdi urbane, inserendo parchi e aree dedicate alla vegetazione, con benefici sia per la riduzione del surriscaldamento urbano, che dell’inquinamento dell’aria, senza contare il valore per la qualità della vita e la socialità degli abitanti delle nostre città.

L’effetto dei materiali sul surriscaldamento

Nel precedente paragrafo si è parlato di assorbimento solare ed emissività, due proprietà dei materiali che incidono sulla loro temperatura. Il fattore di assorbimento solare indica la capacità di un materiale ad assorbire la radiazione solare, può essere compreso tra valori di 0 e 1, che corrisponde agli oggetti neri.

L’emissività, invece, è un valore che esprime quanto un materiale sia in grado di irraggiare energia ad una determinata temperatura.

L’emittanza quindi indica il grado di dissipazione di calore, mentre la riflettanza la capacità di riflettere la radiazione solare e questo parametro dipende dal colore delle superfici.

Per poter definire un comportamento del materiale che combini le caratteristiche sopra citate è stato sviluppato un metodo di calcolo (standard ASTM E1980) il cui risultato è il valore SRI (Solar Reflectance Index), che si esprime in percentuale e si basa su valori relativi a superfici di riferimento.

Il valore SRI, ad esempio, è utilizzato dal Protocollo LEED (un sistema a punteggio per misurare la sostenibilità ambientale di un intervento, sia esso un edificio o un quartiere) per valutare il raggiungimento di standard minimi di riduzione dell’effetto isola di calore.

A livello normativo il DM 11/10/2017 CAM – Criteri Ambientali Minimi in edilizia, fa riferimento alle prestazioni di riflessione solare.

Nel caso di pavimentazioni ad uso pedonale o ciclabile, strade carrabili e parcheggi, stabilisce come “criteri minimi” l’utilizzo di materiali permeabili e di materiali con un indice SRI almeno pari a 0.29 (29%). Diventa “criterio premiante” l’uso di materiali con valori SRI superiori al minimo previsto.

Per quanto riguarda la progettazione ci sono 2 protocolli di cui tener conto:

• LEED v4: dà diritto al credito relativo alla riduzione dell’isola di calore l’utilizzo di una pavimentazione che assicuri una riflessione solare a tre anni pari a ρ≥0.28 (28%) oppure ρ≥0.33 e (33%) in fase di installazione.
• ITACA: per ottenere un credito è necessario un valore di SRI che può variare a seconda della Regione dove il progetto è localizzato, da 0.30 (30%) a 0.78 (78%).

Sistemi di monitoraggio dell’isola di calore e case history di successo

Per affrontare efficacemente l’effetto isola di calore urbano, è essenziale disporre di sistemi accurati di misurazione e monitoraggio. Le tecnologie avanzate e le metodologie innovative permettono di raccogliere dati dettagliati sulle variazioni di temperatura e di identificare le aree più critiche. Tra le principali tecnologie utilizzate vi sono i sensori di temperatura distribuiti in vari punti della città, le immagini satellitari che forniscono una visione complessiva delle superfici urbane, e i droni dotati di termocamere per rilevare il calore con alta precisione. Inoltre, i modelli climatici urbani, che simulano le condizioni atmosferiche e termiche, sono strumenti fondamentali per prevedere l’evoluzione del fenomeno e valutare l’efficacia delle strategie di mitigazione.

Diversi casi di studio in città europee e mondiali hanno dimostrato l’efficacia di questi sistemi di monitoraggio. Ad esempio, a Londra, il “London Heat Map” integra dati provenienti da sensori e satelliti per identificare le zone più calde e pianificare interventi di raffreddamento. In Asia, la città di Tokyo, una delle metropoli più densamente popolate al mondo, ha implementato un sistema di monitoraggio su larga scala, utilizzando droni e satelliti per raccogliere dati dettagliati e sviluppare soluzioni innovative come i tetti verdi e le superfici riflettenti; la metropoli ha inoltre introdotto il progetto “Green Tokyo” che prevede l’installazione di superfici riflettenti e l’ampliamento delle aree verdi, con particolare attenzione alla piantumazione di alberi lungo le strade e nei parchi urbani. A Singapore, il programma “Skyrise Greenery” promuove la creazione di giardini verticali e tetti verdi, trasformando gli edifici in vere e proprie oasi urbane che, oltre ad abbassare le temperature locali, migliorano anche la qualità dell’aria e offrono spazi verdi ai cittadini. A New York, il programma “Cool Roofs” incentiva la copertura dei tetti con materiali riflettenti e vernici bianche che riducono significativamente l’assorbimento di calore. Inoltre, il progetto “MillionTreesNYC” ha visto la piantumazione di un milione di alberi in tutta la città, contribuendo a raffreddare l’ambiente urbano e a migliorare la salute pubblica.

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