Hittegolven nemen wereldwijd toe - en dat geldt ook voor Zwitserland. Vooral steden hebben er last van:het temperatuurverschil tussen stad en platteland kan oplopen tot enkele graden. Een nieuwe watertunnel bij Empa zou in de toekomst kunnen helpen deze stedelijke hitte-eilanden te verlichten, bijvoorbeeld door steden te zorgen voor lagere temperaturen lokaal door vegetatie, wateroppervlakken en helderdere materialen en het creëren van ruimte voor wind om steden beter te beluchten.

April 2018 vertoonde temperaturen in Zwitserland die normaal gesproken vaker voorkomen in mei - en in mei deed het weer al denken aan midzomer. Dit is geen uitzondering meer. Jaar na jaar worden de warmterecords gebroken. Steden hebben veel meer last van de hittegolven dan het omliggende platteland:de temperatuurverschillen tussen stedelijke zones en het omliggende groen kunnen oplopen tot enkele graden.

Het fenomeen staat bekend als stedelijke hitte-eilanden. Er zijn verschillende redenen voor de temperatuurverschillen:De donkere oppervlakken van trottoirs en daken absorberen overdag meer zonlicht en houden het beter vast. In de stad wordt extra warmte opgewekt door verkeer en industrie. Verder, er is meestal een gebrek aan vegetatie die de temperatuur zou kunnen verlagen door verdamping. En de dicht bij elkaar staande gebouwen blokkeren de wind, die koelere omgevingslucht zou kunnen brengen.

Hoe kan wind warmte uit de stad afvoeren?

De hitte is niet alleen onaangenaam, maar heeft ook ernstige gevolgen:het energieverbruik voor koeling neemt toe, ozonniveaus op grondniveau stijgen en temperaturen leiden tot extra ziekten en zelfs sterfgevallen. En steeds meer mensen worden getroffen:meer dan de helft van de wereldbevolking woont tegenwoordig in stedelijke gebieden. Tegen 2030, dit percentage zal naar verwachting stijgen tot twee derde. Steden en onderzoeksgroepen over de hele wereld werken aan manieren om dit stedelijke hitte-eilandeffect te verminderen. Speciale aandacht wordt besteed aan de wind:die zou de warmte van de steden kunnen afvoeren, brengen koelere lucht uit omliggende meren en bossen en koelen bovendien de oppervlakken door convectie. Tijdens hittegolven met weinig wind, het drijfvermogen speelt een belangrijke rol:wanneer warme lucht boven de stad stijgt, koelere lucht kan naar beneden stromen. In aanvulling, ruimtes met koelere lucht kunnen worden gecreëerd:bijv. parken met vegetatie, lichtere oppervlakken die minder zonnestraling absorberen of oppervlakken waar water verdampt, bijvoorbeeld kunstmatige meren of natte materialen. De wind kan deze koelere lucht verspreiden in gebieden waar het hitte-eilandeffect niet lokaal bestreden kan worden.

Om de wind de warmte van de steden te laten afvoeren, echter, de stad moet zo worden gebouwd dat luchtmassa's relatief gemakkelijk om de gebouwen heen kunnen stromen. Echter, dit is allesbehalve triviaal:er is nog onvoldoende onderzoek gedaan naar de invloed van stedelijke structuren op lokale windcondities. Om steden zo te optimaliseren dat ze de hitte-eilanden efficiënt kunnen voorkomen, men moet eerst begrijpen wat er precies gebeurt:hoe stroomt en wervelt de wind op gebouwen en over verwarmde wegen? En hoe verandert dit de temperatuurverdeling?

Een kwestie van schaal

Het beantwoorden van deze vragen is het doel van de nieuwe watertunnel bij Empa, die vandaag officieel werd ingehuldigd. Maar waarom is er een watertunnel nodig om windbewegingen beter te begrijpen? Het is een kwestie van schalen:aangezien de modellen van stedelijke constructies slechts een fractie zijn van de grootte van echte gebouwen en wegen, water gedraagt ​​zich precies als wind in een echte stad bij geschikte stroomsnelheden. De watertunnel heeft twee duidelijke voordelen ten opzichte van een windtunnel, die ook geschikt is voor het bestuderen van windstromen in steden:enerzijds kleinere modellen kunnen worden gebruikt, d.w.z. een groter deel van de stad kan worden onderzocht. Anderzijds, het stromingsveld en de temperatuurverdeling in het water kunnen gelijktijdig worden gemeten.

Dat gebeurt met een lasermeetsysteem:het onderzoeksteam mengt minuscule deeltjes en een fluorescerende kleurstof in het water. De deeltjes worden belicht met een pulserende laserstraal die zich uitstrekt tot een vlak. Tijdens zo'n laserpuls, een camera maakt twee beelden snel achter elkaar. Het meetsysteem kan nu evalueren hoe ver en in welke richting de deeltjes zich tussen de twee beelden hebben verplaatst en de stroomsnelheden en stroomrichtingen bepalen. Dankzij de fluorescerende kleurstof, de onderzoekers kunnen de temperatuurverdeling bepalen:het absorbeert groen laserlicht en straalt licht uit van een andere kleur:hoe warmer het water, hoe helderder het licht. Een tweede camera, die het groene laserlicht filtert, registreert de uitgestraalde lichtverdeling.

Door het bepalen van de koele en warme stromingsstructuren krijgen onderzoekers nieuwe inzichten in hoe warmte uit steden kan worden afgevoerd. Deze resultaten kunnen planners helpen, architects and governments in the future to develop cities so that life in urban areas remains bearable even during increasing heat waves.