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Islas de Calor en Zonas Urbanas: Ciudades Más Calientes

James A. Voogt

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A medida que las ciudades añaden calles, edificaciones, industria y gente, se crean islas de calor en las zonas urbanas. Algunas consecuencias de esto incluyen:

  • malestar humano y a veces riesgos para la salud humana
  • aumento en el uso de energía, lo cual lleva a que se liberen mas gases de invernadero
  • polución del aire y aumento de los niveles de ozono urbano
  • costos más altos debido a un mayor uso de agua y energía

December 2008

Las islas de calor en zonas urbanas pueden incrementar el calor en la ciudad.

¿Se están poniendo más calientes las ciudades? A medida que las ciudades agregan calles, edificaciones, industria, y gente, las temperaturas en la ciudad suben con respecto a sus entornos rurales, creando así una isla de calor. La temperatura en estas islas de calor urbanas puede ser hasta 10 a 15°F más alta, bajo condiciones óptimas. Con el incremento del desarrollo urbano, las islas de calor pueden aumentar en términos de su frecuencia y magnitud. Los Ángeles, California, por ejemplo, se ha vuelto un 1°F más caliente cada década durante los últimos 60 años. Estas islas de calor producen impactos que se extienden desde escalas locales hasta escalas globales, y realzan la importancia de la urbanización para el cambio del medio ambiente.

¿Qué es una isla urbana de calor?

Tanto el aire como la superficie de la ciudad pueden estar más calientes.

Isla de calor urbana es el nombre que se usa para describir el calor característico tanto de la atmósfera como de las superficies en las ciudades (o áreas urbanas) comparadas con sus entornos no urbanizados. La isla de calor es un ejemplo de modificación climática no intencional cuando la urbanización le cambia las características a la superficie y a la atmósfera de la tierra.

¿Hay diferentes tipos de islas urbanas de calor?

Hay tres tipos de islas de calor.

Hay tres tipos de islas de calor.
  • Isla de calor de la capa de dosel (ICCD)
  • Isla de calor de la capa de perímetro (ICCP)
  • Isla de calor de superficie (ICS)
El aire caliente forma una cúpula o pluma sobre la ciudad.

Las dos primeras se refieren a un calentamiento de la atmósfera urbana; la última se refiere al calor relativo de las superficies urbanas. La capa de dosel urbana (CDU) es la capa de aire de las ciudades que está más cercana a la superficie, la cual se extiende hacia arriba aproximadamente hasta la altura media de las edificaciones (Figura 1). Por encima de la capa de dosel urbana se encuentra la capa de perímetro urbana la cual puede ser de 1 kilómetro (km) o más de espesor durante el día, y encogerse a cientos de metros o menos durante la noche (Figura 1).1 La ICCP es la que forma una cúpula de aire más caliente que se extiende en dirección del viento más allá de la ciudad. El viento a menudo le cambia la forma a la cúpula por una forma de pluma.

Figura 1.

Representación esquemática de los componentes principales de la atmósfera urbana.
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Los tipos de isla de calor varían en cuanto a su forma espacial (forma), características temporales (relacionado con el tiempo), y algunos de los procesos físicos subyacentes que contribuyen a su desarrollo. Los científicos miden las temperaturas del aire para la ICCD y la ICCP directamente usando termómetros, mientras que la ICS es medida con sensores remotos instalados sobre satélites o aviones.2,3

¿Cuáles son las características de las islas de calor?

El aire más caliente se encuentra en el centro de la ciudad.

Forma espacial general (forma) de la isla de calor
Las isotermas, o líneas de igual temperatura, forman un patrón que es semejante al de una “isla” que sigue aproximadamente la forma de la región urbanizada, rodeada por zonas más frías (Figura 2). A menudo hay un aumento intenso de la temperatura del aire en la capa de dosel, en el límite entre áreas rurales y suburbanas, seguido por un aumento lento y a menudo variable hacia el núcleo de la ciudad donde ocurren las temperaturas más altas. Las islas de calor de la capa de perímetro muestran mucho menos variabilidad que los otros tipos de islas de calor, y un corte transversal muestra que su forma se parece a una simple cúpula o pluma, donde el aire más caliente es transportado con el viento fuera de la ciudad.

Figura 2.

Caracteristicas de las islas urbanas de calor.
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Intensidad de la isla de calor

El calor solar incrementa las temperaturas de la superficie.

La intensidad de la isla de calor es una medida de la fuerza o magnitud de la isla de calor. Por la noche la intensidad de la isla de calor de la capa de dosel típicamente se encuentra en un rango de entre 1° y 3°C, pero bajo condiciones óptimas, intensidades de hasta 12°C han sido registradas.4 La ICCP tiende a mantener una intensidad de isla de calor más constante tanto durante el día como en la noche (~1.5° a 2°C). La ICS es generalmente más definida durante el día cuando el fuerte calentamiento solar puede llevar a mayores diferencias de temperatura entre las superficies secas y aquellas mojadas, sombreadas o con vegetación.

Características de la superficie y la isla de calor

Superficies secas y oscuras absorben más luz solar.

El tipo de superficie es un factor importante en cuanto a los patrones espaciales de las capas de temperatura del aire superficial y de dosel en la ciudad. Las temperaturas son más altas en aquellas zonas con mayor densidad de construcción, y son más bajas cerca a parques o zonas más abiertas (Figura 2). Las temperaturas de la superficie son especialmente susceptibles a las condiciones de la superficie: durante el día las superficies secas y oscuras que absorben luz solar fuertemente se vuelven muy calientes, mientras que las superficies más claras y/o mojadas son mucho más frías.2,3 El sombreado de la superficie también ayuda a controlar la temperatura. (Para ejemplos visuales de la isla de calor de superficie, vea el enlace “aprenda mas” del Proyecto Piloto Isla de Calor del EPA - Agencia de Protección Ambiental-, al final de este articulo.)

Forma temporal de la isla de calor
Todas las islas de calor se forman debido a las diferencias en las tasas de calentamiento y enfriamiento de las ciudades con relación a sus entornos.

Las tasas de calentamiento y enfriamiento afectan las islas de calor.
  • ICCD: la intensidad de la isla de calor aumenta con el tiempo, partiendo desde la puesta del sol hasta un máximo entre un punto unas pocas horas después de la puesta del sol y las horas previas a la madrugada. Generalmente durante el día la intensidad de la ICCD es bastante débil, y a veces es negativa (una isla fría) en algunas partes de la ciudad donde altos edificios u otras estructuras proveen sombra extensa, y donde hay una carencia de calentamiento debido al almacenamiento de calor en los materiales de construcción.
  • ICS: es fuertemente positiva tanto durante el día como durante la noche debido a superficies urbanas más calientes. La ICS diurna es generalmente mayor puesto que la radiación solar afecta las temperaturas de las superficies.
  • ICCP: es generalmente positiva tanto en el día como en la noche pero mucho menor en magnitud que la ICCD o la ICS.

¿Cómo se forman las islas de calor y como son controladas?

Varios factores contribuyen a la ocurrencia e intensidad de las islas de calor; estos incluyen:

  • clima
  • localización geográfica
  • hora del día y estación
  • forma de la ciudad
  • funciones de la ciudad
El viento y las nubes afectan la formación de islas de calor.

El clima, en particular el viento y las nubes, influyen en la formación de islas de calor. Las magnitudes de la isla de calor son mayores bajo condiciones climáticas calmadas y claras. A medida que los vientos aumentan, mezclan el aire y reducen la isla de calor. A medida que las nubes aumentan reducen el enfriamiento nocturno por radiación, y también reducen la isla de calor. Las variaciones estacionales de los patrones climáticos afectan la frecuencia y la magnitud de la isla de calor.

La geografía influencia el clima.

La localización geográfica influye sobre el clima y la topografía de la zona, así como sobre las características de los alrededores rurales de la ciudad. Las influencias climáticas regionales o locales, tales como los sistemas locales de vientos, pueden afectar las islas de calor; por ejemplo, las ciudades costeras pueden experimentar un enfriamiento de las temperaturas urbanas durante el verano cuando las temperaturas de la superficie del océano están mas frías que las de la tierra y el viento sopla hacia tierra firme. Donde las ciudades están rodeadas por superficies rurales mojadas, el enfriamiento más lento de estas superficies puede reducir las magnitudes de la isla de calor, especialmente en climas cálidos y húmedos.5

Las estaciones cambian las islas de calor.

Hora del día/estación: Los impactos diurnos fueron discutidos en la sección llamada “Forma temporal de la isla de calor.” Las estaciones juegan un papel también. Las islas de calor de ciudades localizadas en latitudes medias, generalmente son más fuertes en el verano o en el invierno. En climas tropicales, la estación seca puede favorecer grandes magnitudes de las islas de calor.

La forma de la ciudad incluye los materiales usados en la construcción, las características de las superficies de la ciudad, tales como las dimensiones y espaciamiento de las edificaciones, las propiedades térmicas, y la cantidad de espacios verdes. La formación de islas de calor es favorecida por

Ciertas estructuras y geometría de las ciudades favorecen a las islas de calor.
  • materiales de construcción relativamente densos que son lentos en calentarse y enfriarse, y almacenan una cantidad de energía
  • el reemplazo de las superficies naturales por superficies impermeables o a prueba de agua, lo que induce un área urbana más seca, en donde hay menos agua disponible para la evaporación, lo cual contrarresta el calentamiento del aire
  • una menor capacidad de las superficies de reverberar la radiación solar; las superficies oscuras, tales como las carreteras de asfalto, absorben más luz solar y se ponen mucho más calientes que las superficies de color claro.
La actividad humana puede también incrementar las temperaturas de las islas de calor.

Las funciones de la ciudad regulan la emisión de contaminantes a la atmósfera urbana, el calor por uso de energía, y el uso de agua en irrigación. El calor antropogénico, o calor generado por las actividades humanas, principalmente la combustión de combustibles fósiles, puede ser importante para la formación de islas de calor.6 El calentamiento antropogénico generalmente tiene mayor impacto durante la estación de invierno de los climas fríos, en el núcleo del centro de la ciudad.7 En casos selectos, ciudades construidas en forma muy densa pueden presentar calentamiento antropogénico severo durante la época de verano, como consecuencia de un alto uso de energía para enfriar las edificaciones.7

¿Cómo afectan a las ciudades las islas de calor?

Las islas de calor tienen rangos de impactos para los habitantes de ciudad, incluyendo

  • confort humano: positivo (invierno), negativo (verano)
  • uso de energía: positivo (invierno), negativo (verano)
  • uso de agua: negativo
  • actividad biológica (por ejemplo, la duración de la temporada de cultivo): positivo
  • hielo y nieve: positivo
Las islas de calor podrían impactar a la salud humana.

Las islas de calor del verano pueden aumentar la demanda de energía para aire acondicionado, lo cual libera más calor al aire y también gases de efecto invernadero, degradando así la calidad del aire local.8 Las temperaturas urbanas más elevadas durante el día en la ICCP pueden aumentar la formación del smog urbano, puesto que tanto las emisiones de contaminantes precursores, como las tasas de reacciones fotoquímicas de la atmósfera, aumentan.9,10 Las islas de calor también pueden afectar en forma directa la salud humana exacerbando el estrés por calor durante las oleadas de calor, especialmente en zonas temperadas, y creando las condiciones adecuadas para que se distribuyan las enfermedades transmitidas por vectores.11,12

Soluciones biológicas para aliviar las islas urbanas de calor

Una solución: tejados y pavimento de colores claros.

La comprensión de los mecanismos físicos subyacentes a la formación de las islas de calor provee la base para el desarrollo de controles que pueden promover o aliviar las islas de calor, pero en algunos casos la aplicación de esos controles es difícil. Por ejemplo, el cambio extenso en la geometría de la superficie urbana a través del espaciamiento de las edificaciones, generalmente no es factible. Sin embargo, otras estrategias son posibles -por ejemplo, usar tejados y pavimentos blancos o de otro color claro.

Una solución de tipo biológico es usar vegetación para reducir el calor urbano. La vegetación provee importantes efectos de sombra al igual que enfriamiento a través de la evaporación. Algunos ejemplos incluyen:

  • Sembrar árboles alrededor de edificaciones individuales para sombrear las superficies urbanas y así reducir su temperatura, especialmente aquella de los tejados y de las paredes de los costados sur oriental y occidental. La reducción en la temperatura de la superficie también conduce a reducciones substanciales en el uso de energía para el aire acondicionado.
Otras soluciones son árboles y espacios verdes.
  • Los árboles también pueden ser usados para sombrear calles y parqueaderos, los cuales de otra manera se pondrían muy calientes durante el día y almacenarían calor para luego liberarlo durante la noche. El sombreado de vehículos en los parqueaderos puede reducir la emisión de vapores de gasolina, lo cual contribuye a incrementar los niveles de ozono urbano.

  • Los “tejados verdes” utilizan vegetación viva en los tejados para reducir la acumulación de calor de las edificaciones. Por ejemplo, para junio del 2004, la ciudad de Chicago tenía más de 80 tejados gubernamentales y privados, incluyendo el primer tejado gubernamental verde del país -el jardín del tejado del City Hall (el ayuntamiento). Un tejado verde es mucho más frio que un tejado tradicional puesto que una fracción significativa de la energía absorbida es usada para evaporar agua en vez de calentar el techo y el aire encima de éste.

  • La creación de espacios verdes tales como parques puede ser usada para ayudar al enfriamiento de los vecindarios,13,14 y un “reverdecimiento” general de la ciudad puede llevar a una atmósfera urbana más fresca.15

Existe un beneficio de costo en el use de soluciones verdes.

Estas estrategias pueden proporcionar beneficios de costos. El dueño de una edificación se beneficia con menores costos de consumo de energía. Los residentes en la dirección del viento mas allá de la zona urbana se benefician con mejoras en la calidad del aire porque:

  • los contaminantes se depositan en los árboles
  • se reducen el gas de efecto invernadero y las emisiones contaminantes provenientes del uso del aire acondicionado
  • se disminuyen las emisiones de compuestos orgánicos volátiles que contribuyen al smog urbano
  • se reduce potencialmente la tasa de formación de ozono

La Agencia Norteamericana de Protección Ambiental (US Environmental Protection Agency) ha emprendido el Proyecto Piloto de Islas de Calor Urbanas (Urban Heat Island Pilot Project) como parte de la Iniciativa de Reducción de Islas de Calor (Heat Island Reduction Initiative). Las ciudades piloto incluyen Baton Rouge, Chicago, Houston, Sacramento, y Salt Lake City.

¿Afectan el clima global las islas urbanas de calor?

Las islas urbanas de calor por sí mismas no son responsables del calentamiento global porque son fenómenos de pequeña escala y cubren tan solo una minúscula fracción de la superficie de la tierra. Sin embargo, hay algunas conexiones urbano-globales dignas de mencionar:

Las islas de calor en zonas urbanas son modelos para la investigación del cambio climático.
  1. Aproximadamente la mitad de la población del mundo vive actualmente en ciudades, y se espera que esta cantidad aumente al 61% para el 2030.16 La alta tasa de urbanización, especialmente en los trópicos, implica que un futuro, un número de personas cada vez mayor se verá expuesto a los impactos que resultan de la isla de calor.

  2. Las zonas urbanas han sido históricamente el lugar de algunas de las estaciones de observación más tempranas usadas para construir el record global de temperatura de la superficie, utilizado para documentar cambios climáticos de larga escala. A lo largo del tiempo, los efectos de la urbanización, y en consecuencia las islas de calor en estas estaciones, pueden llevar a algo de “contaminación” del record de temperatura. La habilidad de eliminar totalmente estas influencias sigue siendo tema de debate puesto que los cambios pueden darse en forma independiente de la población,17 y las técnicas corrientes que se utilizan para eliminar los efectos urbanos pueden ser inadecuadas.17-19

  3. La mayoría de las emisiones de gas de efecto invernadero que contribuyen al cambio climático global, provienen de zonas urbanas. Por consiguiente estas emisiones contribuyen a las condiciones del tiempo a escala local y global, y también a la modificación del clima.20 Una mayor urbanización aumentará las emisiones que se originan en las ciudades. La investigación de los impactos de mayor escala de las emisiones urbanas es considerada como una importante área futura de investigación.20

  4. Las modificaciones climáticas que han ocurrido en las grandes ciudades en el último siglo muestran similitudes en términos de las tasas y magnitud esperadas con respecto a los cambios climáticos proyectados hacia el futuro. Por lo tanto, las ciudades pueden servir como modelo para evaluar los impactos del cambio climático así como las estrategias de adaptación al mismo, tanto a escala local como global.4

Estos factores subrayan la importancia de los climas urbanos no solo para el ambiente local sino también para el estado del medio ambiente en el planeta en su totalidad.

James A. Voogt, Ph.D., es profesor asociado de geografía en la Universidad de Western Ontario. Es director de la Junta Directiva sobre el Ambiente Urbano de la Sociedad Norteamericana de Meteorología (Board on the Urban Environment of the American Meteorological Society) y miembro actual de la junta de la Asociacion Internacional para Clima Urbano (International Association for Urban Climate). Sus intereses investigativos son: la medición de la temperatura de la superficie urbana utilizando sensores térmicos remotos, y el estudio de las interacciones de las superficies urbanas con la atmosfera urbana que la cubre. http://publish.uwo.ca/~javoogt

Islas de Calor en Zonas Urbanas: Ciudades Más Calientes

Estas referencias están en inglés. Las referencias no han sido traducidas al español dado que la mayoría de los artículos citan fuentes en el idioma inglés.

  1. Oke, T.R. 1995. The heat island characteristics of the urban boundary layer: Characteristics, causes and effects. In J.E. Cermak, A.G. Davenport, E.J. Plate, and D.X. Viegas (eds). Wind Climate in Cities, pp. 81–107. Netherlands: Kluwer Academic.
  2. Roth M., T.R. Oke, and W.J. Emery. 1989. Satellite-derived urban heat islands from three coastal cities and the utilization of such data in urban climatology. International Journal of Remote Sensing 10: 1699–1720.
  3. Voogt, J.A., and T.R. Oke. 2003. Thermal remote sensing of urban areas. Remote Sensing of Environment 86: 370–384.
  4. Oke, T.R. 1997. Urban climates and global change. In Perry A and Thompson R eds Applied Climatology: Principles and Practices, pp. 273–287. London: Routledge.
  5. Oke, T.R., G.T. Johnson, D.G. Steyn, and I.D. Watson. 1991. Simulation of surface urban heat islands under “ideal” conditions at night. Part 2: Diagnosis of causation. Boundary-Layer Meteorology 56: 339–358.
  6. Sailor, D.J., and L. Lu. 2004. A top-down methodology for developing diurnal and seasonal anthropogenic heating profiles for urban areas. Atmospheric Environment 38: 2737–2748.
  7. Taha, H. 1997. Urban climates and heat islands: Albedo, evapotranspiration and anthropogenic heat. Energy and Buildings 25: 99–103
  8. Rosenfeld, A.H., H. Akbari, S. Bretz, B.L. Fishman, D.M. Kurn, D. Sailor, and H. Taha. 1995. Mitigation of urban heat islands: Materials, utility programs, updates. Energy and Buildings 22: 255–265.
  9. Cardelino, C.A., and W.L. Chameides. 1990. Natural hydrocarbons, urbanization, and urban ozone. Journal of Geophysical Research 95(D9): 13971–13979.
  10. Sillman, S., and P.J. Samson. 1995. The impact of temperature on oxidant formation in urban, polluted rural and remote environments. Journal of Geophysical Research 100: 11497–11508.
  11. Changnon S.A., K.E. Kunkel, and B.C. Reinke 1996. Impacts and responses to the 1995 heat wave: A call to action. Bulletin of the American Meteorological Society 77: 1497–1506.
  12. McMichael, A.J. 2000. The urban environment and health in a world of increasing globalization: Issues for developing countries. Bulletin of the World Health Organization 78: 1117–1126.
  13. Narita, K., T. Mikami, H. Sugawara, T. Honjo, K. Kimura, and N. Kuwata. 2004. Cool-island and cold air-seeping phenomena in an urban park, Shinjuku Gyoen, Tokyo. Geographical Review of Japan 77: 403–420.
  14. Spronken-Smith, R.A., and T.R. Oke. 1998. The thermal regime of urban parks in two cities with different summer climates. International Journal of Remote Sensing 19: 2085–2104.
  15. Sailor, D.J. 1998. Simulations of annual degree day impacts of urban vegetative augmentation. Atmospheric Environment 32: 43–52.
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  17. Böhm, R. 1998. Urban bias in temperature time series: A case study for the city of Vienna, Austria. Climatic Change 38: 113–128.
  18. Kalnay, E., and M. Cai. 2003. Impact of urbanization and land-use change on climate. Nature 423: 528–531.
  19. Changnon, S.A. 1999. A rare long record of deep soil temperatures defines temporal temperature changes and an urban heat island. Climatic Change 42: 531–538.
  20. Crutzen, P. J. 2004. New Directions: The growing urban heat and pollution island effect-impact on chemistry and climate. Atmospheric Environment 38: 3539–3540.

General Reference Oke, T.R. 1987. Boundary Layer Climates. New York: Routledge.

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