Dlaczego asfalt parzy bardziej niż powietrze? Fizyka upału w mieście

Asfalt podczas upału może osiągać temperaturę znacznie wyższą niż powietrze mierzone przez stację meteorologiczną. Gdy oficjalny termometr wskazuje około 30–35°C, ciemna, wystawiona na bezpośrednie działanie słońca nawierzchnia może rozgrzać się do ponad 50°C, a w sprzyjających warunkach jeszcze bardziej. Powodem nie jest błąd pomiaru, lecz różnica między temperaturą powietrza a temperaturą powierzchni pochłaniającej promieniowanie słoneczne — informuje TopFlop.

Człowiek stojący nad rozgrzaną jezdnią odczuwa jednocześnie temperaturę powietrza, promieniowanie słoneczne padające z góry, ciepło emitowane przez nawierzchnię i ograniczone chłodzenie wywołane brakiem wiatru. Dlatego miejska ulica może być znacznie bardziej obciążająca dla organizmu niż zacieniony park, mimo że oba miejsca znajdują się zaledwie kilkaset metrów od siebie, a oficjalna temperatura dla całego miasta pozostaje taka sama.

Temperatura powietrza i temperatura asfaltu oznaczają dwie różne rzeczy

Temperatura podawana w prognozach pogody jest mierzona według określonych zasad. Czujnik znajduje się zazwyczaj około dwóch metrów nad gruntem, w osłonie chroniącej go przed bezpośrednim promieniowaniem słonecznym i wpływem silnie nagrzanych powierzchni. Pomiar ma przedstawiać temperaturę powietrza, a nie temperaturę konkretnej ulicy, ściany budynku czy maski samochodu.

Asfalt działa inaczej. Nie mierzy się jego temperatury w cieniu ani nie osłania go przed słońcem. Nawierzchnia przez wiele godzin pochłania energię promieniowania słonecznego. Część energii odbija, lecz znaczna część zostaje zamieniona w ciepło i zgromadzona w materiale.

National Weather Service wyjaśnia, że ciemne obiekty, w tym asfalt, pochłaniają więcej energii promieniowania i nagrzewają się szybciej niż powierzchnie jasne. Temperatura takiego materiału nie musi więc odpowiadać temperaturze otaczającego go powietrza.

Najważniejsze różnice przedstawia tabela:

Parametr	Temperatura powietrza	Temperatura asfaltu
Miejsce pomiaru	Około 2 m nad gruntem	Bezpośrednio na powierzchni
Dostęp do słońca	Czujnik jest osłonięty	Nawierzchnia zwykle pozostaje odsłonięta
Główne źródło ciepła	Wymiana energii w atmosferze	Bezpośrednie promieniowanie słoneczne
Szybkość nagrzewania	Zależna od masy powietrza i cyrkulacji	Może być bardzo szybka w pełnym słońcu
Oddawanie ciepła	Powietrze przemieszcza się i miesza	Materiał magazynuje energię i oddaje ją stopniowo
Typowy efekt w upalny dzień	30–35°C	Często kilkanaście lub kilkadziesiąt stopni więcej

Nie istnieje jedna stała różnica między temperaturą powietrza a temperaturą jezdni. Wynik zależy od pory dnia, zachmurzenia, koloru i składu nawierzchni, wilgotności, prędkości wiatru, kąta padania promieni słonecznych oraz długości czasu, przez który powierzchnia pozostaje nasłoneczniona.

Dlaczego ciemny asfalt pochłania tak dużo energii

Jednym z kluczowych pojęć jest albedo, czyli zdolność powierzchni do odbijania promieniowania słonecznego. Jasne materiały odbijają większą część padającej energii. Ciemne pochłaniają jej więcej.

Świeży asfalt jest bardzo ciemny, dlatego jego albedo jest stosunkowo niskie. Duża część energii słonecznej nie zostaje odbita w stronę atmosfery, lecz jest absorbowana przez warstwę nawierzchni. Energia ta zwiększa ruch cząsteczek materiału, co fizycznie oznacza wzrost temperatury.

Z czasem asfalt może jaśnieć wskutek zużycia, utleniania oraz ścierania górnej warstwy. Nie przestaje jednak nagrzewać się intensywnie. W dodatku nawierzchnia drogowa ma znaczną masę i może przechowywać energię w głębszych warstwach.

Proces przebiega etapami:

Promieniowanie słoneczne dociera do powierzchni drogi.
Część promieniowania zostaje odbita.
Pozostała energia jest pochłaniana przez asfalt.
Temperatura nawierzchni zaczyna rosnąć.
Część ciepła przenika w głąb konstrukcji drogi.
Rozgrzana powierzchnia przekazuje energię powietrzu oraz emituje promieniowanie cieplne.
Po zachodzie słońca droga stopniowo oddaje ciepło zgromadzone w ciągu dnia.

To ostatnie zjawisko ma szczególne znaczenie w miastach. Park, wilgotna gleba i roślinność mogą po zachodzie słońca stosunkowo szybko się ochłodzić. Jezdnie, parkingi, chodniki i ściany budynków nadal wypromieniowują energię, ograniczając nocny spadek temperatury.

Dlaczego asfalt parzy bardziej niż powietrze? Fizyka upału i miejskiej wyspy ciepła

Dlaczego asfalt „parzy”, choć powietrze ma tylko 30°C

Skóra człowieka nie reaguje wyłącznie na temperaturę powietrza. Istotna jest także temperatura przedmiotu, którego dotykamy, oraz tempo przekazywania energii do tkanek.

Kontakt stopy, dłoni lub zwierzęcej łapy z gorącym asfaltem powoduje bezpośredni przepływ ciepła z nawierzchni do skóry. Jeżeli powierzchnia ma ponad 50°C, różnica temperatur jest wystarczająco duża, by szybko wywołać ból, podrażnienie, a przy dłuższym kontakcie również uszkodzenie tkanek.

Powietrze przewodzi ciepło znacznie słabiej niż ciało stałe. Z tego powodu można przez pewien czas przebywać w powietrzu o temperaturze 35°C, natomiast dotknięcie powierzchni rozgrzanej do 55–60°C może stać się bolesne niemal natychmiast.

Na odczuwanie gorąca wpływa również promieniowanie podczerwone emitowane przez nawierzchnię. Człowiek nie musi dotykać asfaltu, żeby odbierać dodatkową energię. Stojąc na rozległym parkingu, otrzymuje ciepło zarówno od słońca, jak i od rozgrzanego podłoża.

Z tego powodu cień rzucany przez niewielki daszek nie zawsze przynosi pełną ulgę. Chroni przed bezpośrednim promieniowaniem słonecznym, ale nie usuwa energii emitowanej przez jezdnię, chodnik, ściany i zaparkowane samochody.

Czy asfalt rzeczywiście może mieć ponad 50°C

Takie wartości są fizycznie możliwe i regularnie obserwowane podczas słonecznych dni. EPA wskazuje, że suche, odsłonięte powierzchnie miejskie, takie jak dachy oraz nawierzchnie, mogą być w upalne dni o około 27–50°C cieplejsze od otaczającego powietrza.

Nie oznacza to, że każda droga przy temperaturze powietrza 30°C automatycznie osiągnie 60 lub 70°C. Zakres podawany przez EPA dotyczy różnych rodzajów powierzchni i warunków. Temperatura konkretnej jezdni może być niższa, szczególnie przy zachmurzeniu, silnym wietrze, zacienieniu albo po opadach.

Badania i obserwacje terenowe pokazują jednak, że różnica jest często znaczna. University of Georgia Extension przywołuje pomiary, według których przy temperaturze powietrza wynoszącej 95°F, czyli około 35°C, czarna nawierzchnia może osiągać około 140°F, a więc około 60°C.

Do takich danych należy podchodzić jako do przykładu określonych warunków, a nie uniwersalnego przelicznika. Temperatura nawierzchni nie wynika wyłącznie z temperatury powietrza. Decydujące są bilans energii oraz lokalne otoczenie.

Słońce nie ogrzewa powietrza i asfaltu w identyczny sposób

Promieniowanie słoneczne w dużej części przechodzi przez atmosferę i dociera do powierzchni Ziemi. Grunt, budynki, woda oraz roślinność pochłaniają energię w różnym stopniu, a następnie ogrzewają powietrze od dołu.

Asfalt może więc nagrzewać się szybciej niż znajdująca się nad nim warstwa powietrza. Rozgrzana nawierzchnia przekazuje część energii atmosferze poprzez przewodzenie i konwekcję. Ciepłe powietrze przy powierzchni staje się lżejsze, unosi się, a jego miejsce zajmują chłodniejsze masy.

Jeżeli występuje wiatr, wymiana przebiega sprawniej. Przy bezwietrznej pogodzie bardzo ciepła warstwa powietrza może utrzymywać się tuż nad ulicą. Jest to jeden z powodów, dla których temperatura odczuwana na poziomie dziecka, psa lub osoby siedzącej na wózku może różnić się od warunków mierzonych standardowo na wysokości dwóch metrów.

W pobliżu jezdni powstają także charakterystyczne zniekształcenia obrazu, czasem nazywane mirażem drogowym. Nie są one parą unoszącą się nad asfaltem. To efekt załamania światła w warstwach powietrza o różnej temperaturze i gęstości.

Miejska wyspa ciepła nie jest tylko metaforą

Miejska wyspa ciepła oznacza sytuację, w której zabudowany obszar miasta jest cieplejszy od terenów podmiejskich lub wiejskich. Zjawisko dotyczy zarówno temperatury powierzchni, jak i temperatury powietrza.

Według IPCC miasta mają tendencję do utrzymywania wyższych temperatur niż ich otoczenie. Wpływają na to między innymi ograniczona wentylacja między budynkami, magazynowanie ciepła przez materiały konstrukcyjne, mała ilość roślinności, ograniczone parowanie wody oraz ciepło wytwarzane przez transport, budynki i urządzenia.

Asfalt nie jest jedyną przyczyną. Stanowi część większego układu obejmującego:

drogi i rozległe parkingi;
betonowe place i chodniki;
ciemne dachy;
zwarte pierzeje budynków;
niewielką liczbę drzew;
małą powierzchnię biologicznie czynną;
brak zbiorników wodnych i wilgotnej gleby;
emisję ciepła przez samochody, klimatyzatory i instalacje;
słaby przepływ powietrza między wysokimi budynkami.

Polscy naukowcy badający miejskie wyspy ciepła wskazują, że beton, asfalt i cegła pochłaniają promieniowanie słoneczne, a następnie emitują energię do otoczenia. Znaczenie ma także ograniczenie zielonej i błękitnej infrastruktury, czyli parków, drzew, terenów wilgotnych oraz zbiorników wodnych.

Badanie dotyczące Lublina, obejmujące dane z miejskiej stacji na placu Litewskim i podmiejskiej stacji w Radawcu, potwierdziło istnienie różnic między warunkami termicznymi centrum a otoczeniem miasta. Analiza wykazała również przesuwanie się rozkładów temperatur w stronę cieplejszego klimatu w porównywanych okresach wieloletnich.

Dlaczego park jest chłodniejszy od parkingu

Różnica wynika nie tylko z cienia. Rośliny wykorzystują część energii słonecznej w procesach biologicznych, a wodę pobieraną z gleby oddają do atmosfery przez liście. Parowanie wymaga energii, dlatego może obniżać temperaturę powierzchni i najbliższego otoczenia.

Asfalt jest zwykle suchy i nie prowadzi procesu ewapotranspiracji. Pochłonięta energia zostaje więc w większej części przeznaczona na podniesienie temperatury materiału oraz ogrzewanie powietrza.

Drzewo zapewnia jednocześnie kilka efektów:

zatrzymuje część promieniowania przed dotarciem do chodnika;
ogranicza nagrzewanie fasad i samochodów;
zwiększa parowanie wody;
poprawia komfort radiacyjny przechodniów;
spowalnia nagrzewanie terenu w ciągu dnia;
może zmniejszać zapotrzebowanie budynków na klimatyzację.

Znaczenie cienia jest widoczne nawet na tej samej ulicy. Fragment asfaltu osłonięty przez koronę drzewa może być wyraźnie chłodniejszy od powierzchni znajdującej się kilka metrów dalej w pełnym słońcu.

Dlaczego w centrum miasta nocą nadal jest gorąco

Najsilniejsza różnica między miastem a terenami niezabudowanymi często ujawnia się wieczorem i nocą. Po zachodzie słońca dopływ energii gwałtownie maleje, ale asfalt, beton i cegła nadal oddają ciepło zgromadzone wcześniej.

Gęsta zabudowa może spowalniać wypromieniowanie energii w kierunku nieba. Ściany przekazują ciepło innym ścianom oraz ulicom. W wąskich przestrzeniach ruch powietrza bywa słabszy, co ogranicza chłodzenie.

Tereny wiejskie, parki i niezabudowane obrzeża miasta tracą ciepło szybciej. W rezultacie nocna temperatura w centrum pozostaje wyższa, nawet gdy w ciągu dnia różnica między centrum i przedmieściami nie była szczególnie duża.

To niekorzystne dla zdrowia, ponieważ organizm potrzebuje chłodniejszej nocy, aby odpocząć po dziennym obciążeniu cieplnym. Kilka kolejnych nocy bez wyraźnego spadku temperatury zwiększa ryzyko kumulacji stresu cieplnego, szczególnie u seniorów, niemowląt, osób z chorobami przewlekłymi oraz mieszkańców najwyższych kondygnacji.

Co wpływa na temperaturę konkretnej nawierzchni

Sama informacja o temperaturze powietrza nie wystarcza do przewidzenia temperatury jezdni. Trzeba uwzględnić lokalne warunki.

Największe znaczenie mają:

Kolor powierzchni — ciemniejsze materiały zwykle pochłaniają więcej promieniowania.
Nasłonecznienie — cień może radykalnie zmienić bilans energii.
Pora dnia — najwyższa temperatura nawierzchni nie zawsze pokrywa się dokładnie z maksimum temperatury powietrza.
Wiatr — zwiększa wymianę ciepła i może chłodzić powierzchnię.
Wilgoć — parowanie wody pochłania energię.
Rodzaj materiału — asfalt, beton, kostka, drewno i gleba mają odmienne właściwości cieplne.
Grubość konstrukcji — wpływa na zdolność magazynowania energii.
Otoczenie — ściany, przeszklenia i metalowe elementy mogą odbijać dodatkowe promieniowanie.
Czas ekspozycji — nawierzchnia nagrzewana od rana będzie cieplejsza niż powierzchnia odsłonięta dopiero po południu.
Zachmurzenie — ogranicza dopływ bezpośredniego promieniowania słonecznego.

Z tego powodu proste internetowe tabele przypisujące jednej temperaturze powietrza konkretną temperaturę asfaltu mają ograniczoną wartość. Mogą ostrzegać przed ryzykiem, ale nie zastępują pomiaru powierzchni.

Jak bezpiecznie sprawdzić, czy chodnik jest zbyt gorący

Najdokładniejszym rozwiązaniem jest termometr na podczerwień mierzący temperaturę powierzchni. Urządzenie należy stosować zgodnie z instrukcją, ponieważ odległość, kąt pomiaru oraz właściwości materiału mogą wpływać na wynik.

Popularny test przykładania dłoni do nawierzchni przez kilka sekund nie daje wartości liczbowej i nie jest metodą laboratoryjną. Może jednak sygnalizować, że podłoże jest zbyt gorące dla bosych stóp lub zwierzęcych łap. Nie należy wykonywać go, gdy powierzchnia wygląda na skrajnie rozgrzaną, ponieważ sam test może doprowadzić do oparzenia.

W przypadku spaceru z psem bezpieczniej wybierać:

godziny poranne lub późny wieczór;
zacienione chodniki;
trawniki i naturalne podłoże;
krótsze trasy;
miejsca oddalone od rozległych parkingów;
odcinki, na których można ograniczyć kontakt łap z nawierzchnią.

Szczególnej ostrożności wymagają szczenięta, starsze zwierzęta oraz psy z chorobami ograniczającymi sprawność ruchową. Zwierzę może nie przerwać marszu od razu, nawet gdy kontakt z nawierzchnią powoduje ból.

Jasny asfalt i „chłodne nawierzchnie” nie rozwiązują całego problemu

Jedną z metod ograniczania nagrzewania miast są nawierzchnie określane jako cool pavements. Mogą odbijać większą część promieniowania, wspierać parowanie wody albo wykorzystywać materiały o innych właściwościach cieplnych niż tradycyjny asfalt.

EPA podkreśla jednak, że ocena takich rozwiązań musi obejmować więcej niż samą temperaturę powierzchni. Jaśniejsza nawierzchnia może pozostawać chłodniejsza, ale odbijać więcej promieniowania w kierunku ludzi i fasad. Znaczenie mają także trwałość, koszt, olśnienie, warunki zimowe, gospodarka wodna oraz sposób użytkowania przestrzeni.

Najskuteczniejsza polityka miejska zwykle nie opiera się na jednym materiale. Łączy kilka działań:

sadzenie drzew zapewniających cień;
ochronę istniejącej zieleni;
zwiększanie powierzchni przepuszczalnych;
budowę zielonych dachów;
stosowanie chłodniejszych pokryć dachowych;
tworzenie terenów wodnych i retencyjnych;
zacienianie przystanków i placów;
ograniczanie wielkich, odkrytych parkingów;
projektowanie korytarzy przewietrzających;
zmniejszanie ilości ciepła emitowanego przez transport i budynki.

Co oznacza temperatura podawana w prognozie

Gdy prognoza wskazuje 32°C, nie oznacza to, że każda powierzchnia i każde miejsce w mieście ma dokładnie 32°C. Temperatura w cieniu między drzewami, na otwartym parkingu, przy południowej ścianie i nad jezdnią może być zupełnie inna.

Oprócz temperatury należy sprawdzać wilgotność, prędkość wiatru, nasłonecznienie i ostrzeżenia meteorologiczne. Wysoka wilgotność utrudnia parowanie potu, przez co organizm gorzej odprowadza ciepło. Pełne słońce i rozgrzane powierzchnie zwiększają natomiast obciążenie promieniowaniem.

Asfalt parzy bardziej niż powietrze, ponieważ nie jest biernym tłem dla pogody. Pochłania energię słoneczną, magazynuje ją i przekazuje otoczeniu przez wiele godzin. Gdy podobnie zachowują się tysiące ulic, dachów, elewacji i parkingów, powstaje mierzalny efekt miejskiej wyspy ciepła.

Różnica między ulicą a parkiem nie sprowadza się więc do subiektywnego odczucia. Wynika z bilansu energii, właściwości materiałów, obecności wody, roślinności oraz układu zabudowy. Im więcej miasta zajmują ciemne, suche i odsłonięte powierzchnie, tym więcej energii pozostaje w jego przestrzeni także po zachodzie słońca.

Warto przeczytać także nasz kolejny materiał, w którym szerzej wyjaśniamy podobny temat: Jak działa panel fotowoltaiczny? Efekt fotoelektryczny wyjaśniony bez trudnych wzorów