אי חום עירוני הוא אחד הביטויים להשפעה של העיר על התנאים המטאורולוגיים בסביבה הבנויה, הכוללים בין היתר גם שינויים בלחות וברוח. אי חום עירוני מתקבל כאשר הטמפרטורות בעיר גבוהות מהטמפרטורות בשטח הפתוח המקיף אותה.

אקלים עירוני (אנ') נוצר כתוצאה מהשינויים בתכסית פני השטח הבנוי בהשוואה לפני השטח הטבעיים. השינויים עשויים לכלול עקירת צמחייה או נטיעה של צמחייה אחרת, יצירת כיסוי אבן ואספלט, צמצום הקרקע החשופה, ובניית עצמים מלאכותיים כגון בניינים. לכך נוספת הפעילות האנושית בעיר, שגורמת לפליטה מוגברת של גזי חממה. שינויים אלה גורמים ליצירת תנאי מיקרו-אקלים עצמאיים, השונים מתנאי האקלים בשטחים הפתוחים הסובבים את העיר. התופעה מתבטאת בדרך כלל בעלייה בטמפרטורות העיר וביצירת אזור חם מעליה.

הראשון שהבחין כי טמפרטורת האוויר בעיר גבוהה לעיתים מהטמפרטורה במרחב הכפרי הוא כנראה המילונאי האמריקאי המפורסם וובסטר^[1]. בתגובה לטענה שנשמעה מפי תומאס ג'פרסון על שינוי האקלים שהתרחש כביכול בארצות הברית, דיווח וובסטר כבר ב-1799 כי ההסבר לתופעה שתיאר מי שהיה עתיד להתמנות לנשיא ארצות הברית, הוא כי הטמפרטורות במרכז העיר ניו יורק גבוהות מהטמפרטורות בסביבתה, בעיקר בלילה. עם זאת, המטאורולוג האנגלי לוק הווארד (אנ') היה הראשון שתיעד את ההבדלים בין התנאים בעיר לכפר לאורך תקופה ארוכה, וספרו על אקלים העיר לונדון^[2] שהתפרסם לראשונה בשנת 1820 נחשב אבן הפינה של המחקר על אקלים העיר.

אחר המהפכה התעשייתית והתפשטות תהליכי העיור הואצה התופעה, והפכה לגורם משמעותי בתהליכי שינויי האקלים העוברים על כדור הארץ. תופעה זו יוצרת שינוי מיקרו-אקלימי בעיר, אך יש לה גם השלכות ברמה הגלובלית על התחממות כדור הארץ, כי למעלה ממחצית מאוכלוסיית כדור הארץ היא אוכלוסייה עירונית, ושטחים פתוחים רבים הופכים לשטחים עירוניים.

ההבדלים בטמפרטורה בין העיר לכפר נצפים בשלושה רבדים^[3]. ראשית, טמפרטורת פני השטח (surface temperature), כפי שנצפית בצילומים תרמיים מלוויינים, גבוהה יותר בבניינים או ברחובות אספלט מאשר באזורים מכוסי צמחייה. טמפרטורת האוויר בשכבת הגבול העירונית (urban boundary layer), שהיא החלק התחתון של האטמוספירה (מפני הקרקע ועד לגובה של 200–1,000 מטר בערך, בהתאם ליציבות האטמוספירית וגובה הבניינים) המושפע משינויים בתכונות פני הקרקע, אף היא גבוהה יותר בדרך כלל מעל העיר. טמפרטורת האוויר בחופת העיר (urban canopy layer), שהיא החלק התחתון של שכבת הגבול האטמוספירית (עד לגובה גגות הבניינים בערך), עשויה אף היא להיות גבוהה יותר מאשר במרחב הלא-בנוי. הבדלי הטמפרטורה בפני השטח, כפי שהם מתועדים בצילומים תרמיים, אינם מעידים בהכרח על הפרשי טמפרטורה דומים באוויר בחופת העיר.

בכדי להבין את הגורמים להתפתחות אי חום עירוני יש להיעזר בנוסחת מאזן אנרגיה בפני השטח. את מאזן האנרגיה אפשר לתאר בנוסחה פשוטה:

$${\displaystyle Q*=Qh+Qe+Qf+QA+dQs}$$

בנוסחה זו *Q הוא מאזן הקרינה, Qh הוא חום מוחש (sensible heat), Qe הוא חום כמוס (latent heat), Qf הוא חום אתרופוגני (חום הנובע מפעילות בני האדם), QA מבטא מעבר חום בהסעה (advection), ו-dQs הוא השינוי באנרגיה הנאגרת בקרקע ובעצמים הנמצאים עליה. עלייה בטמפרטורת האוויר נמדדת כאשר ערכו של הביטוי Qh גדל, בין אם הסיבה לכך היא גידול בערכו של מאזן הקרינה *Q ובין אם משום שערכם של הביטויים האחרים בצד ימין של המשוואה קטן.

הגורם העיקרי להתפתחות אי החום העירוני הוא המבנה התלת-ממדי של העיר, אשר משפיע בעיקר על מאזן הקרינה. את המבנה התלת-ממדי של העיר ניתן לבטא באמצעות היחס בין הגובה הממוצע של הבניינים משני צידי רחוב (H) לבין רוחב הרחוב (W). ככל שערכו של מדד זה גדול יותר, כך צפויה להיות העוצמה המרבית של אי החום העירוני גדולה יותר^[4]. זאת משום שאי חום עירוני נוצר בדרך כלל בשעות הערב, כאשר העיר מתקררת לאט יותר מאשר שטח פתוח. הסיבה לכך היא שבעיר קרינה אינפרה אדומה הנפלטת מבניינים ומהקרקע נבלעת במשטחים אחרים ואינה נפלטת כלפי השמים. ככל שהרחוב צר ועמוק יותר, החשיפה לשמים קטנה יותר וקצב ההתקררות איטי יותר^[5].

גורם חשוב נוסף התורם להתפתחות אי חום עירוני הוא ההבדל בתכסית פני השטח. בעיר עשוי חלק ניכר מפני השטח להיות מכוסה בבניינים, או בשטחים סלולים או מרוצפים בבטון ואספלט. קרינת השמש הפוגעת בחומרים אלה בשעות היום נבלעת בהם וגורמת להתחממות איטית שלהם, המביאה בתורה להתחממות האוויר הבא איתם במגע. האנרגיה הזו נפלטת בהדרגה בשעות הלילה. כאשר קרינת השמש פוגעת בצמחייה, לעומת זאת, האנרגיה גורמת לאידוי מים מהעלים ולעלייה בחום הכמוס באוויר, וחלקה נאגר בצמח בתהליך הפוטוסינתזה - אך טמפרטורת פני השטח נשארת נמוכה יחסית והאוויר מתחמם פחות. לכן פארקים עירוניים יהיו בדרך כלל חמים פחות מאזורים מעוטי צמחייה.

הפעילות האנושית בערים כרוכה בפליטת חום, אותה מקובל לכנות חום אנתרופוגני. החום נפלט בעיקר מהבניינים, כתוצאה מהפעלת ציוד כגון מכשירי חשמל, מערכות תאורה ומערכות לחימום או מיזוג אוויר. מקור חום נוסף הוא כלי רכב ומערכות תחבורה. ישנן גם ערים בהן נמצא תחנות כוח או ריכוז של מפעלי תעשייה, אשר עלולים ליצור מוקדים מקומיים של חום, אולם במרבית הערים בישראל השפעתם של מקורות חום אלה היא שולית.

גורם אחר לאי החום העירוני הם מערכות פינוי המשקעים הפועלות בעיר. המשקעים שיורדים בשטח פתוח מרטיבים את הקרקע, וכך נוצרת רטיבות ונגר עילי. אנרגיה רבה מושקעת בייבוש הקרקע ובאידוי המשקעים והשלוליות ששארו בנגר העילי. אנרגיה זו מושקעת בסילוק המשקעים ונגרעת מהאנרגיה המושקעת בייצור חום. לעומת זאת, כשיורדים משקעים בשטחים בנויים, המים והשלוליות מנוקזים במהירות לתעלות ניקוז. לכן שטחים בנויים מתייבשים מהר ביחס לשטחים פתוחים, מעט אנרגיית שמש מושקעת באידוי, ורוב האנרגיה נבלעת בקרקע ומביאה לעליית הטמפרטורה שלה. עלייה זו בטמפרטורת פני הקרקע מביאה בתורה להתחממות האוויר הבא במגע איתה.

השפעת זיהום אוויר על מהלך הטמפרטורה בעיר הינה מורכבת. החלקיקים והגזים שנפלטים מכלי רכב ומפעלי תעשייה משנים את הרכב שכבות האוויר מעל העיר. ריכוז גבוה של חלקיקים מרחפים (אירוסולים) גורם לבליעה של חלק מקרינת השמש הנכנסת, ובכך מפחית את שטף קרינת השמש המגיע לקרקע. עם זאת, הוא גורם גם לבליעה של חלק מקרינת השמש המוחזרת מפני השטח. ריכוז גבוה של דו-תחמוצת הפחמן גורם לבליעה מוגברת של קרינה אינפרה אדומה - הן מהשמיים והן מפני העיר. ההשפעה הכוללת של התהליכים האלה על מאזן הקרינה בפני השטח של העיר אינו קבוע, ומושפע משעות היממה ומעוצמת כל אחד משטפי הקרינה.

עוצמתו של אי החום תלויה בגורמים רבים, כמו מצב סינופטי נקודתי (עוצמתו תהיה גבוהה במצב סינופטי יציב), עוצמת ומשטר הרוחות (רוחות חזקות ימתנו את התופעה), טופוגרפיה, צפיפות וגובה הבנייה, ותפרוסת שימושי הקרקע בעיר. העוצמה המרבית של אי חום בעיר נתונה תתקיים בדרך כלל בלילות בהירים ללא עננים וללא רוח^[6], והיא לרוב גבוהה יותר בחורף מאשר בקיץ. מחקר אשר נעשה בתחילת שנות השבעים של המאה העשרים קשר בין מספר התושבים בעיר לבין העוצמה המרבית של אי החום העירוני^[7], אולם מחקרים מאוחרים יותר מצאו כי אי החום תלוי בצפיפות העיר ובגובה הבניינים^[5][4].

עוצמת אי החום העירוני משתנה במשך שעות היממה. לרוב הפער בטמפרטורות בין העיר לסביבה מגיע לשיא בשעות הלילה. בשעות החשכה פני השטח מסביב לעיר מתקררים מהר יחסית, בעוד שהתקררות פני השטח העירוני איטית יחסית. בעיר נפלט חום רב שנאגר בשעות היום, אך משום שגזרת החשיפה לשמים קטנה מרבית הקרינה האינפרה אדומה הנפלטת מהרחוב או מקירות הבניינים נבלעת במשטחים בנויים אחרים. לעיתים גם משתנים מוקדי הפצת החום בשעות היממה. כך למשל אזורי תעשייה ומוקדי תחבורה (כמו תחנות מרכזיות) מאופיינים בפעילות רבה בשעות היום, ולכן משמשים כמוקדים לפליטת חום ומזהמים. לעומת זאת, בשעות הלילה רמת הפעילות פוחתת מאוד, ולכן לעיתים הם דווקא קרים ביחס לאזורים אחרים בעיר, הפעילים ומוארים בשעות הלילה (כמו אזורי בילוי ושכונות המגורים).

עוצמת אי החום העירוני משתנה לא רק בזמן אלא גם במרחב. היא גבוהה באזורים הבנויים בצפיפות, לרוב במרכז העסקים הראשי (מע"ר), ונמוכה יותר בפרברים ובפארקים העירוניים.

מבנה העיר הוא לרוב מגוון: חלק משטחה מכוסה בניינים בגבהים שונים ובעלי טיפולוגיה שונה, חלק סלול או מרוצף, וחלק עשוי להיות מכוסה צמחייה. השונות הזו יצרה קושי לחוקרי אקלים העיר לתאר אותה במודלים חישוביים. על מנת להתגבר על קושי זה הוצע לתאר את השטח הבנוי כרצף של רחובות הנבדלים זה מזה בגובה הממוצע של הבניינים בשני צידי הרחוב (H) ובמרחק ביניהם (W)^[8]. החלל התחום ביניהם מכונה קניון עירוני (urban canyon). מחקרים רבים הראו כי הקשר הגאומטרי הפשוט הזה הוא מפתח להבנה של תהליכים אקלימיים רבים בעיר, בין היתר מיפוי של דפוסי הרוח במרחב הבנוי, פיזור מזהמים, והפרשי טמפרטורה בתוך המרקם הבנוי ובין העיר לשטח הפתוח המקיף אותה.

ההשפעות השליליות של העלייה בטמפרטורה הביאו את הרשות להגנת הסביבה של ארצות הברית לנסח המלצות למיתון ההשפעה של אי החום העירוני^[9]. ההמלצות הללו כוללות מספר דרכי פעולה עיקריות:

גגות 'קרירים' (cool roofs): גגות קרירים נחלקים לשני סוגים. גגות בעלי אלבֵּדו גבוה (0.6–0.8), ששומרים על טמפרטורה נמוכה של פני השטח על-ידי החזרת עיקר קרינת שמש, היו מקובלים באדריכלות המסורתית בארצות הים התיכון שהדגישה את סיוד הגג בקיץ. כיום הם נשענים גם על צביעה בחומרים שאינם בהכרח לבנים, אך בעלי החזרה סלקטיבית של מַרְבּית קרינת השמש בגלים בתחום התת-אדום הקרוב (0.5–3 מיקרון)^[10]. גגות מכוסי צמחייה, המכונים גגות ירוקים, שומרים על טמפרטורה נמוכה בעזרת אידוי-דיות, אף על פי שהם בולעים כ-80 אחוז מקרינת השמש. בתנאים השוררים בישראל, תרומתם לצינון הדירה קטנה מכדי להצדיק (בפני עצמה) את כמות המים הנדרשת לאחזקתם^[11]. התרומה של שני סוגי הגגות להפחתת אי החום העירוני תלויה כמובן בכך שהם ישמשו בקנה מידה רחב מאוד, בכל רחבי העיר. אף על פי שטמפרטורת השטח על פני הגגות האלה נמוכה, התרומה המקומית שלהם להפחתת טמפרטורת האוויר קטנה מאוד, וכמעט אינה מורגשת בגובה פני הרחוב^[12], בייחוד כאשר מדובר בבניינים רבי-קומות.

ריצוף 'קריר' (cool paving): בדומה לגגות קרירים, גם ריצוף קריר אפשר לקבל על-ידי התקנת מרצפות בהירות או על-ידי שילוב צמחייה, כדוגמת 'אריח דשא'. שלא כמו גגות קרירים, לריצוף קריר עשויה להיות השפעה רבה יותר על המיקרו-אקלים ברחוב, בייחוד כאשר הרחוב חשוף לשמש. הטמפרטורה של חומרי ריצוף בהירים עשויה להיות נמוכה בעשרים מעלות או יותר בהשוואה לטמפרטורה של אספלט החשוף לקרינת שמש ישירה, ומשום כך, שימוש בהם עשוי להפחית גם את טמפרטורת האוויר.

צמחייה: ההשפעה של צמחייה על טמפרטורת האוויר בעיר נחקרה אולי יותר מכל אמצעי אחר לאִפְחוּת (mitigation) אי החום העירוני, ואף על פי כן, מהממצאים עולה שונות רבה מאוד. הסיבות לכך מגוונות: מדידת טמפרטורת האוויר מושפעת מחשיפה לקרינת השמש, ומרבית הסוככים שנעשה בהם שימוש אינם מונעים אותה לגמרי^[13]; סוגי הצמחייה שונים, ולכן ישנם פארקים עירוניים שהטמפרטורה בהם נמוכה ביום, בעוד שאחרים קרירים יותר דווקא בלילה^[14]; כיווּן הרוח משפיע על מפל הטמפרטורות ככל שמתרחקים מהאזור הירוק: השפעת הצמחייה מורגשת במורד הרוח, אך במעלה הרוח אינה מורגשת כלל^[15]. בסקר מקיף של מחקרי שדה רבים הגיעו החוקרים למסקנה שלא ניתן לקבוע מה ההשפעה של תוספת צמחייה במקום מסוים על הטמפרטורה במרחב העירוני כולו, ובפרט – שלא ניתן להפריד בין השפעת הצמחייה לגורמים אחרים המשפיעים על הטמפרטורה^[16]. גם מחקרים שנערכו בארץ הגיעו לממצאים שונים: בחלק מהם נמצא כי ההשפעה על טמפרטורת האוויר מתונה^[17][18], ובאחרים – כי צמחייה, ועצים בפרט, עשויים להביא להורדה משמעותית של טמפרטורת האוויר בקרבתם^[19][20].

אף כי הפגת אי החום העירוני (urban heat island mitigation) זוכה לתשומת לב ציבורית ולהרבה עניין במחקר, ישנם מחקרים שבחנו היבטים שונים של המיקרו–אקלים בעיר ומראים כי מדיניות שמתמקדת בהורדת טמפרטורת האוויר - אף כי אין ספק שהיא רצויה בפני עצמה - עלולה להביא ליישום אמצעים שהם במקרה הטוב לא יעילים, ובמקרה הגרוע אף יביאו לתוצאות לא רצויות^[1][21]. מאידך, ניתן בהחלט להגדיר אמצעים שיביאו לשיפור בנוחות התרמית או להפחתה בצריכת האנרגיה, גם ללא הורדה משמעותית בטמפרטורת האוויר.

• התחממות גלובלית
• אפקט החממה

מדיה וקבצים בנושא אי חום עירוני בוויקישיתוף

• צמצום פליטות פחמן דו-חמצני באמצעות צמצום אי החום העירוני בשלב התכנון המוקדם, אקולוגיה וסביבה, נובמבר 2022
• אי חום עירוני, באתר אקו-ויקי