Suvi linnas võib olla lämmatav, seda eelkõige kuuma asfaldi ja umbset õhku puhuvate konditsioneeride tõttu. Siiski on õigete pindmaterjalide ja taimestikuga võimalik keskkonda jahutada, tehes elu ka odavamaks ja rohelisemaks, väidab Roland Ennos.

Paljudele tähendab täiuslik suvi liivasel rannal varbaidpidi vees sulistamist, pargis jäätist limpsides jalutamist või jääkülma õlle lahtikorkimist, nuusutades õhus olevat grill-liha lõhna. Kuid elades linnas, nagu seda teeb pool Maa elanikkonnast, vähendab keskkond võimalust suve tõeliselt nautida. Linnas on kuum, lärmakas ning ka õhukvaliteet pole kiita ning tormide ajal on suurem tõenäosus äkilisteks üleujutusteks. Elades linnas tarbime me pidevalt suures koguses energiat, et suvel oma keskkonda jahutada ja talvel soojendada. Linnade muutmine paremaks ning jätkusuutlikumaks elukohaks on seetõttu keskkonnauuringute põhieesmärgiks, kuid selle saavutamisele saavad suuresti kaasa aidata ka füüsikud, sest paljud linnakeskkonna probleemid on paremini mõistetavad just füüsikalistes terminites.

Füüsikud üle kogu maailma, eriti keskkonnafüüsika ja meteoroloogia alal töötavad teadlased, teevad pidevalt koostööd teiste erialade teadlastegaet õppida tundma linnade mõju keskkonnale ning panna paika nende nn. ‘rohelisus’. Linnade üks tähtsamaid keskkonna omadusi on ‘linna soojussaar,’ mille kohaselt on linnastunud alad kuumemad kuid neid ümbritsevad alad. See on reaalne probleem, mis kliimamuutusega üha enam suureneb. Just seetõttu ongi sellest saanud üks põhilisi uurimisteemasid.

Linna soojussaar

Temperatuur linnas on tavaliselt ligi neli kraadi kõrgem ümbritsevate alade omast ning nende kasvades suureneb ka erinevus. Et selle põhjust mõista, tuleb uurida kahe ala energiabilansse(Joonis 1). Kuigi kütmine, konditsioneerid ning transport toodavad kõik linnades energiat, moodustab nende osakaal kõigest pisikese osa linna energiabilansist – kõigest 50 V/m². Talvel ületab selle Päikeselt tulev energia, mis näiteks Ühendkuningriigis ulatub 800 V/m².  Seega on erinevus linna ja maapiirkonna temperatuuride vahel põhjustatud enamasti Päikeselt saadud energia edasisest teekonnast kahes keskkonnas.

Maapiirkondades peegeldab taimestik umbes veerandi neile langevast lühilainelisest kiirgusest (nähtav valgus või veel väiksemad lainepikkused. Kolmveerandist kiirgusest, mille taimed neelavad, läheb suur osa energiat vee aurustamiseks lehtedelt – niiskuskadu. See jahutab taimestikku, mis seetõttu kiirgab vaid väheses koguses pikalainelist kiirgust(infrapuna) ning veelgi väiksem osa energiast kulub konvektsiooni läbi õhu ning konduktsiooni läbi maapinna soojendamiseks.

Linnades, kus taimestik on suures osas teede ning ehitistega asendatud, muutub energiasaldo dramaatiliselt. Tumedad kunstlikud materjalid peegeldavad vähem ning neelavad rohkem kiirgusest kui taimestik. Väiksem albeedo tähendab aga seda, et kõigest 10% päikesekiirgusest peegeldub tagasi atmosfääri. See protsent on isegi väiksem paljude kõrghoonetega linnades kus valgus peegeldatakse alla nn. linnakanjonitesse. Pea kogu see energia kulub kuivade teede ja katuste soojendamiseks, kus see kas tellistes salvestatakse või kulub õhu soojendamiseks, tõstes seeläbi päeval pindade ja õhu temperatuuri palju kõrgemaks kui see on ümbritsevates maapiikondades.

Öösiti võib temperatuurierinevus maapiirkonna ja linnade kuumasaarte vahel muutuda veelgi märgatavamaks. Linnad jahtuvad aeglasemalt sest palju soojust jääb hoonetesse, kust see aeglaselt öisesse õhku imbub. Linnas on ka rohkem saastet, mis pikalainelist kiirgust läbi ei lase.

Kõik see põhjustab linnaelanikele suuri probleeme.  Linna õhutemperatuuri erinevus maapiirkonna omast, mis suurlinnades nagu London võib ulatuda ka kuni 7 kraadini, muudab linnad suveajal vähem mugavateks elukohtadeks. Kõrgustesse ulatuvad temperatuurid suurendavad haigusjuhtumite arvu ning võivad kuumalainete ajal ka surma põhjustada. Arvatakse, et 2003. aasta kuumalaine tõttu suri Euroopas üle 35 000 inimese, enamik neist linnades. Linnade kuumasaar muudab need ka vähem jätkusuutlikuks, sest see suurendab õhu jahutamiseks kuluva energia kogust – energia, mis lihtsalt õhku pumbatakse ning mis olukorda ainult halvendab. Õnneks aga on füüsika suutnud näidata, et linna kuumasaare mõju vähendamiseks sobib kaks väga erinevat vahendit: ‘jahedate’ pindade kasutamine ning taimestiku ehk ‘rohelise infrastruktuuri’ osakaalu suurendamine.

Jahedad pinnad

Hoonete ja teede albeedo suurendamine on võte, mida on Vahemere piirkonnas juba sajandeid kasutatud, selle elavaks näiteks on valgete hoonetega külad Kreekas, Lõuna-Itaalias ja Hispaanias. Californias asuvas Lawrence Berkeley Laboratooriumis uuris selle meetodi efektiivsust Urban Heat Island Research Group, mida juhib füüsik Hashem Akbari. Katuse pinna jahutav efekt sõltub selle peegeldavatest ja kiirgavatest omadustest – selle võimest peegeldada lühikese lainepikkusega kiirgust nagu nähtav valgus ja infrapuna lähedasi laineid ning kiirata soojuskiirgust suurtel infrapuna lainepikkustel. Kuigi standardsed valgeks võõbatud pinnad on jahutamiseks head, on võimalik valmistada ka keskmise ja tumeda tooniga värvitud jahedaid pindasid, mis katustel paremad välja näeksid. Seesuguste pindade valmistamiseks lisatakse peegeldavale aluskihile lisaks valget titaandioksiidi või keskmise peegeldava omadusega tumedamat pigmenti, näiteks raudoksiidpunast või perüleeni musta. Juba 1999. aastal näitas Akbari töögrupp, et seesugused jahedad pinnad võivad Californias katuste ja kõnniteede tipptemperatuuri alandada viiekümnelt kraadilt kolmekümne kraadini.

Sama töögrupp on uurinud ka nende pindade kasutamiskõlbulikkust individuaalhoonetes. Esmalt võrdlesid teadlased tavaliste hoonete soojuskasutusi identsete jahedast materjalist katustega hoonete omadega. Katsed näitasid, et suvel vähendavad jahedad pinnad konditsioneerile kuluva energia maksumust 20-30% võrra. Need katsed ei võtnud aga arvesse akumuleeruvat jahutavat efekti, mis võib olla terves linnas jahutavate materjalide suures koguses kasutamise tagajärjeks.

Uurimaks jahutavate materjalide mõju linna kuumasaarele pidi Akbari töörühm kasutama kaudsemaid meetodeid, sest ilmselgelt pole võimalik viia läbi kontrollitud eksperimentaalset uurimust võrreldes kahte identset linna, mille ainsaks erinevuseks oleks kasutatavate pindmaterjalide tüüp. Seega pidid teadlased Los Angelese temperatuuri hoopiski kunstlikult looma, kasutades selleks kompleksseid ning arvutivõrgustike abil loodud regionaalseid kliimamudeleid. Arvutustest selgus, et kui kõik teed ja hooned oleksid kaetud praegusega võrreldes 30% suurema albeedoga materjalidega, saaks linna kuumasaare temperatuuri alandada kuni kahe kraadi võrra. See vähendaks konditsioneerimisega seotud kulutusi 2-3% võrra.

Hooned puude varjus

Potentsiaalselt veelgi efektiivsem linna kuumasaare ära hoidmise meetod on aga linnade albeedo ja ka aurustava jahutamise osakaalu suurendamine taimestiku ja vee abil. Ka see meetod on juba pikalt kasutuses olnud just Vahemere piirkonna linnades, kus asuvad jahedamad puude varjus olevad väljakud, mida omakorda jahutavad purskkaevud.

Ameerika Ühendriikide teadlased, nii Akbari töögrupp kui ka Ühendriikide Põllumajandusministeeriumi Metsateenuste(Forest Service of the United States Department of Agriculture, USDA) töögrupp, mida juhib David Nowak, on siiani keskendunud puude varjust tuleneva hoonete konditsioneerkulude vähendamise efektile. Katsed ja arvutimodelleeringud on näidanud, et strateegilistesse kohtadesse istutatud suured puud hoonete lõuna- ja lääneküljel vähendavad neid kulusid kuni 30% võrra. Siiski on nende uuritud linnas Chicagos juba olemasolevate puude jahutav efekt kõigest 4-5%, seda vähese taimestiku tõttu linnas, eriti just rohkete hoonetega aladel.

Saksamaa ja Kanada teadlased on keskendunud aga alternatiivile: hoonete katuste nn. roheliseks muutmisel. 2008. aasta uuringud, mille viis läbi Brad Brass ning tema töörühm Toronto Ülikooli Keskkonnakeskusest näitas, et roheliste katuste kasutamine võib konditsioneerkulusid ühekorruselistes hoonetes vähendada kuni 70% võrra, sest taimestik jahutab katust niiskuskao abil ning pinnas on all asuvate ruumide suhtes isoleeriv. See number kahaneb kahe- ja kolmekorruseliste hoonete puhul aga vastavalt 30 ja 20 protsendini.

Alleed

Raskemaks on osutunud aga taimestiku efektiivsuse määramine linna enda jahutamisel. Taimestik suurendab nii albeedot kui ka aurustava jahutuse osakaalu kuid kuna lehti on palju ja need asuvad erinevatel kõrgustel on seda regionaalsetes kliimamudelites raske esitada. Ühe katse viisid läbi aga Limor Shashua-Bar ning Milo Hoffman Iisraeli Technioni nimelisest Tehnoloogiainstituudist, kes leidsid, et paljude puudega ääristatud tänavad Tel Avivis omasid 4 kraadi võrra väiksemat temperatuuri kui ümbritsevad alad. Puude efekti ei saanud simuleerida teadlased aga mitte täpse mudeli abil, vaid pidid selleks lihtsalt vähendama maapinnale langeva kiirguse hulka 40% võrra.

Botaanik Sebastian Leuzingeri ning meteoroloog Roland Vogti juhitud teadlasterühm Šveitsi Baseli Ülikoolist kasutas tagajärgede uurimiseks teist meetodit: helikopteri külge kinnitatud kõrgresolutsioonilise soojuskaamera kasutamist. Teadlased mõõtsid Baseli linnaosade pinnatemperatuure 25 soojakraadiga kuumal suvepäeval. Nende mõõtmiste kohaselt olid tänavate temperatuurid 37 kraadi ning katuste omad 45 kraadi juures. Puude juures oli temperatuur aga kõigest 25 kraadi ning veekogude juures isegi 18 kraadi. Põhimõtteliselt saaks neid mõõtmistulemusi kasutada regionaalsetes kliimamudelites, mille abil siis puude efekti õhutemperatuurile uurida saaks. Siiski ignoreeriks see aga puuvõrede kõrgust: ülemised oksad varjavad alumisi, mistõttu seal on temperatuur veelgi madalam. Seega on puud veelgi jahutavamad kui soojuskaamera mõõtmistest selgub.

Selle probleemi lahendamiseks kasutas Manchesteri Ülikooli töörühm tüüpilise taimestiku, hoonete ja teede pinnatemperatuuri arvutamiseks lihtsat energiabilansi mudelit(Joonis 2). Mudelist selgus, et taimestik on veelgi efektiivsem kui seda näitab Baselis tehtud uurimus. Kuumadel päevadel oli puudega kaetud alade maksimaalne temperatuur 18-25 kraadi jahedam kuitänavatel ja hoonete juures.

Töörühm kasutas konkreetse näitena Suur-Manchesteri piirkonna Ühendkuningriigis, mis sisaldab nii Manchesteri ennast kui ka selle eeslinnu. Esmalt kategoriseeriti aerofotode abil alade taimestikumustrid ning leiti, et 59% Manchesterist katab niiskuskaoga taimestik. Loomulikult ei olnud pinnast kattev taimestik ning seega ka mudeli poolt ennustatud pinnatemperatuurid, tervel alal samasugused. Rohke hoonestusega alad, näiteks kesklinn, omasid alla 30% taimestiku osakaalu ning olid ka kuni 13 kraadi kuumemad kui rohelised alad.

Teise olulise asjana peaksid teadlased välja selgitama puude ning murukatte jahutava efekti üksteisega võrreldes. Parim viis selle saavutamiseks oleks pindade energiabilansi otsene jälgimine. Et taimed end niiskuskao abil ise jahutavad ning vee aurustumise toimumise kiirusel on konstantne väärtus 2,43 kJ/g, siis on taime tõttu tekkiv jahtumine võrdeline selle veekao kiirusega. Võiks eeldada, et puud pakuvad rohkem jahutust kui murupind, sest nende lehed on pinnasest kõrgemal ning peaksid seega vett kiiremini kaotama. Teisalt peavad puud aga seda vett gravitatsiooni kiuste üles lehtedeni pumpama. Keskkonnafüüsikud ning botaanikud on töötanud välja meetodeid veekao mõõtmiseks, mille abil selle küsimuse lahendamine võimalikuks võib saada.

Murupinna veekao mõõtmiseks on parim viis murumätas kinnitada tundlikule kaalule ning mõõta kaalukadu päevas. Puude veekadu mõõdetakse  taimemahla voolamise mõõdikutega, milleks on elektriliselt kuumutatud ‘kraed’, mis soojust välja annavad ning mis puu sees voolava taimemahla soojendamiseks püütüve külge kinnitatakse. Seadmed kõrgemal tüve küljes jälgivad sealset temperatuuri, tänu millele saab arvutada vee voolukiirust ning ruumala tüves. Nende meetodite abil on mitmed uurimisgrupid leidnud, et nii metsad kui ka murupinnaga kaetud alade aurustava jahutamise näitajaks on 100-200 V/m². Selline informatsioon linnade muru ja puude kohta aga puudub ning pole ka teada põua mõju nendele numbritele, mistõttu eksperimentaaltööd on vaja kiiremas korras.

Puhkus päikeselõõmast

Taimestiku viimase eelisena võib välja tuua puhkamiseks mõeldud jahutavad oaasid. Paljud uuringud on võrrelnud temperatuure parkides neid ümbritsevate teede temperatuuridega ning leidnud, et(välja arvatud tuulistel päevadel) erinevus on väike – tavaliselt alla 1 kraadi – sest soe tuul liigub ümbritsevatelt aladelt otse parki. Miks me siis pargis end paremini tunneme ning mis efekt puudel on? Nendele küsimustele vastamiseks tuleb arvestada inimese enda soojusbilanssi. Puhkeseisundis toodab inimese keha soojust kiirusega umbes 60 V/m² meie kehapinnast. See, kui kuumana me end tunneme, sõltub sellest, kui hästi me selle soojuse oma keskkonda ära saame anda. Üllatavalt aga, välja arvatud väga suurte tuulte korral, kaotame me konvektsiooni abil väga vähe sellest soojusest, kõigest umbes 9 vatti ruutmeetri kohta ning 15 vatti ruutmeetri kohta aurustumise kaudu hingamise tõttu. Ent iga keha kiirgab ka lähi-infrapuna lainepikkusi kiirusel, mis on võrdeline keha enda temperatuuri neljanda astmega, kuid neelab ka sama kiirgust ümbritsevast keskkonnast. Seega, kui meid ümbritsev õhk on jahedam kui 37 kraadi, anname me rohkem soojust ära kui saame.Pargis tunneme end hästi sest meid ümbritsevad jahedad lehed. Avatud tänaval tunneme me end halvasti kahel põhjusel: esiteks, meie keha neelab 120 V/m² suurust lisasoojust Päikeselt tuleva lühilainekiirguse näol; teiseks, ka ümbritsev asfalt on kuumem ning vähendab meie soojuskiirgust 6 V/m² iga ühe kraadise temperatuurivahe kohta.

Päikese suhtelise olulisuse uurimiseks võrreldes varjuliste paikadega ümbritsevatel aladel viidi 2009. aastal läbi lihtne eksperiment. Selleks jälgiti muru- ning betoonkatte kohal olevat kiirgustemperatuuri, mis olid siis vastavalt täieliku päikesepaiste või varju käes. Varju korral vähenes maksimaalne kiirgustemperatuur kuni 9 kraadi võrra. Et inimesed kipuvad end rohkem kui 24 kraadise kiirgustemperatuuri juures halvasti tundma on selge, et varjulisusel on inimeste heale enesetundele suur mõju, kinnitades seega puude tähtsust linnapildis.

Poliitika mõjutamine

Kõik need uurimused aitavad koostada terviklikku pilti linnaelu paremaks muutmise viisides: tänavakeskkonna paremaks muutmisel on kõige suurem potentsiaal puudel. Jahedad pinnad, rohelised katused ja isegi taimestikuga kaetud seinad parandavad aga individuaalsete hoonete mõju keskkonnale. Siiski on teha jäänud veel suur hulk uurimustööd. Me ei tea mis puuliigid oleks linnade jahutamiseks ning saasteosakeste püüdmiseks parimad; kas üksik suur puu on parem kui mitu väikest puud või kas heitlehised puud on paremad kui igihaljad. Samuti ei tea me ka kuidas muutub erinevate taimestiku tüüpide efektiivsus kliimamuutuse korral.

Sellele vaatamata teame me piisavalt, et mõjutada poliitikat. USDA Metsateenuste teadlased ennustasid koostöös majandusteadlastega puude istutamise majanduslikku kasumit – energiakulude vähendamisest kuni saaste tõttu tekkivatele haigustele kuluva raha vähendamiseni. Nende saadud majanduslik mudel, nn. iTree mudel näitab, et iga istutamisse ja taimede hooldamisse pandud dollariga säästetakse viis dollarit. New Yorgis istutatakse selle mudeli ning linnapea Michael Bloombergi toetuse tõttu igal aastal 20 000 tänavapuud. Ka Londoni linnapea Boris Johnson kavatseb viia läbi plaani, mille kohaselt tema linnapeaks oleku ajal istutatakse igal aastal 10 000 puud. Lisaks puudele tähendab roheliste katuste füüsikaline ja majanduslik kasu, et neid luuakse aastast aastasse ühe rohkem. On hea näha, et füüsikud annavad oma panuse meie linnade roheliseks muutmisesse, mistõttu meil neis parem elada on.