Nel 2008, per la prima volta, più della metà della popolazione mondiale (3,3 miliardi di persone) viveva nelle aree urbane piuttosto che nelle aree rurali (fonte).
Con l’urbanizzazione terreni vegetati vengono trasformati in sedimi di edifici ed infrastrutture. Questi sviluppi sono responsabili della formazione delle isole urbane di calore (UHI) e fonte di cambiamento climatico in ambito urbano.
Durante il giorno, la temperatura media dell’aria in una città può essere da 1 a 6 °C più calda rispetto l’ambiente rurale circostante. La differenza può assumere valori maggiori di sera quando le aree rurali possono assumere temperature anche di molto inferiori (fino a 10-12 °C).
L’isola di calore si compone dell’isola di calore superficiale e dell’isola di calore atmosferica (vedi). Le isole di calore superficiale sono aree con maggiore calore diurno in relazione a tetti, marciapiedi, ecc… (aree esposte). Le isole di calore atmosferico sono zone con temperatura media dell’aria più alta. Il calore proveniente dalle isole di calore superficiale aumenta la temperatura dell’aria atmosferica. Come si vede dalla figura precedente entrambi le componenti delle isole di calore urbane fanno aumentare la temperatura durante il giorno e la notte rispetto alle aree rurali.
Sia la temperatura superficiale che la temperatura dell’aria sono più elevate nelle aree urbane rispetto alle aree rurali. La temperatura superficiale aumenta durante il giorno ed entrambi aumentano durante la notte. Superfici con vegetazione sviluppano evapotraspirazione; quando l’acqua viene assorbita e rilasciata dalle radici delle piante, dal suolo e dalle foglie (traspirazione), l’acqua stessa assorbe il calore solare nella conversione da liquido a gas riducendo in tal modo sia la temperatura atmosferica che superficiale. Nelle zone urbanizzate però le zone impermeabili non possono assorbire l’acqua di precipitazione che forma il deflusso; la minor evapotraspirazione contribuisce all’aumento delle temperature sia superficiali che atmosferiche.
Nelle aree urbane i materiali da costruzione assorbono più calore rispetto ai pari sedimi rurali; nelle zone rurale allo stesso modo viene assorbito calore che però può essere rilasciato nell’evaporazione del contenuto d’acqua di suolo e vegetazione.
L’effetto isola di calore urbano non deriva solo dal calore rilasciato dalla combustione antropica di combustibili fossili e/o da altri tipi di produzione e utilizzo di energia. La maggior parte dell’aumento della temperatura proviene da pavimentazioni e dagli edifici che trattengono il calore. Anche in mezzo ad un campo inerbito la temperatura su una piccola lastra di cemento può essere di diversi gradi più alta rispetto al contesto locale erboso. Nelle notti fredde la differenza può essere ancora maggiore; nelle notti abbastanza fredde da riuscire a compromettere la vitalità delle piante ma le stesse piante probabilmente non risultano compromesse nella vitalità se si trovano su una lastra di cemento. Il calore antropico da combustione è probabilmente una parte minore dell’effetto isola di calore. In ogni caso non bisogna solo considerare che le aree urbane intrappolano il calore o lo assorbono; bisogna comunque considerare che producono anche calore aggiuntivo.
Ad esempio, un’area residenziale suburbana irradierà più di 2 W/m^2 (a seconda della densità abitativa). La Grande Londra irradia circa 10 W/m^2.
L’entità dell’isola di calore, e quindi la massima differenza di temperatura fra suolo costruito e suolo rurale, è legata fortemente alle dimensioni della popolazione dell’area urbanizzata. Si stima che le aree urbane rappresentino solo lo 0,5-1% della superficie terrestre.
L’influenza delle isole di calore urbana potrebbe essere anche negativa. Effetti di raffreddamento conseguenti a cambiamenti antropogenici nel paesaggio; se ad esempio una superficie di asfalto viene sostituita da cemento ci si aspetta che l’assorbimento solare diminuisca portando ad un raffreddamento netto. Viceversa in contesti rurali potrebbero svilupparsi distorsioni nelle temperature a seguito di cambiamenti legati all’irrigazione.