Wärmeinseln
Klimaschutz und grüner Beitrag

Der grüne Beitrag zur Temperatur

Um diese Frage zu beantworten, müssen wir sie ausgehend von einem Ansatz zur Oberflächenenergiebilanz angehen, bei dem wir uns damit befassen, wie die einfallende Sonnenenergie im System aus Naturrasen oder synthetischem Teppich in verschiedene Komponenten aufgeteilt wird. Mit anderen Worten: Wir müssen die Kühlleistung – im Fall von Rasen Evapotranspiration genannt – mit der einer synthetischen Oberfläche vergleichen, die im Gegenteil die Sonnenenergie noch stärker in Form fühlbarer Wärme abführt.

Im Folgenden finden Sie eine Übersicht über die Schritte, um zu einer vereinfachten Schätzung zu gelangen:

1. **Oberflächenenergiebilanz:**  
   Die Grundgleichung lautet:
   \[
   R_n = H + LE + G
   \]
   wo:  
   - \(R_n\) ist die absorbierte Nettostrahlung (d. h. die zugeführte Sonnenenergie abzüglich der reflektierten),  
   - \(H\) ist der fühlbare Wärmefluss (der Teil der Energie, der die Temperatur der Luft in der Nähe der Oberfläche erhöht),  
   - \(LE\) ist der latente Wärmefluss (die Energie, die zum Verdampfen von Wasser verwendet wird, was zu einer Abkühlung führt),  
   - \(G\) ist der leitende Fluss zum Boden.  

   Intensiv bewirtschafteter Rasen, der zur Evapotranspiration fähig ist, verbraucht einen erheblichen Teil von \(R_n\) für den \(LE\)-Prozess, während Kunstrasen, der das Wasser nicht nennenswert verdunstet, fast den gesamten \(R_n\) in den sensiblen Fluss \(H\) leitet.  

2. **Berechnung der Nettostrahlung (\(R_n\)):**  
   An einem sonnigen Tag bei 30°C kann die Sonneneinstrahlung \(I\) auf etwa 800–1000 W/m² geschätzt werden. Die tatsächlich absorbierte Energie hängt von der Albedo \(\alpha\) der Oberfläche ab:  
   \[
   R_n = (1 - \alpha) \cdot I
   \]
   Im Allgemeinen absorbiert der Rasen (oft mit \(\alpha\) um 0,2–0,25) einen größeren Anteil als Oberflächen, die stattdessen über „kühlende“ oder reflektierende Materialien verfügen.  

3. **Beitrag der Evapotranspiration (\(LE\)):**  
   Für einen Rasen wird die Abkühlung aufgrund der Wasserverdunstung wie folgt berechnet:
   \[
   LE = \lambda \cdot E
   \]
   wo:  
   - \(\lambda\) ist die latente Verdampfungswärme (ungefähr 2,45 × 10ⶠJ/kg bei Temperaturen um 30 °C),  
   - \(E\) ist die Evapotranspirationsrate (in kg/m²·s).  

   Zusammenfassend gilt: Je größer die Evapotranspiration, desto größer der Fluss \(LE\), der dem System Energie entzieht und die Oberflächentemperatur senkt.  

4. **Zusammenhang zwischen spürbarem Durchfluss und Temperaturunterschied:**  
   Der fühlbare Wärmefluss \(H\) kann ausgedrückt werden als:
   \[
   H = \rho_a\, c_p\, \frac{(T_{\text{Oberfläche}} - T_{\text{Luft}})}{r_a}
   \]
   wo:  
   - \(\rho_a\) ist die Dichte der Luft (ca. 1,2 kg/m³),  
   - \(c_p\) ist die spezifische Wärme der Luft (ungefähr 1005 J/kg·K),  
   - \(r_a\) ist der Luftwiderstand (in s/m),  
   - \(T_{\text{Oberfläche}}\) und \(T_{\text{Luft}}\) sind die Oberflächen- bzw. Lufttemperaturen.  

   Bei einem Kunstrasen geht fast die gesamte \(R_n\)-Energie in \(H\) über (da \(LE\) vernachlässigbar ist), was zu deutlich höheren Oberflächentemperaturen als bei Naturrasen führt.  

5. **Vereinfachte Schätzung der Temperaturreduzierung:**  
   Wenn wir den Kühleffekt aufgrund der Evapotranspiration des Rasens isolieren wollten, können wir die Temperaturreduzierung (\(\Delta T\)) aufgrund von \(LE\) wie folgt annähern:
   \[
   \Delta T \ approx \frac{LE \cdot r_a}{\rho_a \, c_p}
   \]
   Wenn beispielsweise in einer bestimmten Situation der Rasen eine latente Strömung \(LE\) von ungefähr 200 W/m² erzeugt und ein aerodynamischer Widerstand \(r_a\) von ungefähr 50 s/m angenommen wird, gilt:
   \[
   \varDelta    \]
   Diese Schätzung zeigt, dass der Rasen unter idealen und vereinfachten Bedingungen bis zu etwa 8 °C kühler sein könnte als eine synthetische Oberfläche, bei der dieser Effekt nicht vorhanden ist.  

Es ist wichtig hervorzuheben, dass diese Berechnung stark vereinfacht ist: Tatsächlich hängt die Energiebilanz auch von weiteren Faktoren ab, wie den spezifischen Eigenschaften des Bodens, dem stündlichen Strahlungsregime, der effektiven Evapotranspirationsrate, die wiederum von der Verfügbarkeit von Wasser abhängt, dem phänologischen Zustand der Pflanze und auch vom lokalen Mikroklima. Darüber hinaus kann der synthetische Teppich über besondere reflektierende oder isolierende Eigenschaften verfügen, die sich auf die Oberflächentemperatur auswirken.

Um den „Beitrag“ zur Temperatursenkung eines Naturrasens im Vergleich zu einem synthetischen Teppich zu berechnen, beginnen wir mit der Messung (oder Schätzung) von:
- Die einfallende Sonnenstrahlung und ihre Umwandlung in Nettostrahlung (unter Berücksichtigung der Albedo),
- Die Fähigkeit des Rasens, Wasser zu verdunsten (gemessen in \(E\) oder experimentell abgeleitet),
- Die Eigenschaften der umgebenden Luft (Dichte, spezifische Wärme, aerodynamischer Widerstand).  

Schließlich wenden wir die Gleichung an, die den latenten Fluss mit der Temperaturdifferenz in Beziehung setzt, die andernfalls aufgezeichnet worden wäre, wenn die gesamte Energie in fühlbare Wärme umgewandelt worden wäre.

Diese Energieanalyse ist ein integraler Bestandteil von Untersuchungen zur Minderung von Wärmeinseln in städtischen Gebieten, gerade weil Pflanzenoberflächen dank Evapotranspiration im Vergleich zu künstlichen Oberflächen eine grundlegende Rolle bei der Kühlung der Luft spielen. Wenn Sie tiefer in das Thema eintauchen möchten, können wir im Detail untersuchen, wie sich die Parameter je nach atmosphärischen Bedingungen ändern oder wie experimentelle Studien in diesem Bereich durchgeführt werden.