אי חום עירוני

אי חום עירוני היא תופעה אקלימית שבה העיר משפיעה על האקלים וגורמת להבדל ניכר בין אקלים העיר לבין אקלים השטח הפתוח שסביבה.
בניית עיר ושטחים בנויים גורמת לשינוי קיצוני בתכסית פני השטח. השינויים כוללים עקירת צמחייה, יצירת כיסוי אבן ואספלט, צמצום הקרקע החשופה, ובניית מכשולים טופוגרפיים. 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.
השכבה שבה התופעה מורגשת ביותר היא שכבת החלל האורבני, שכבת האוויר הכלואה בין קו הקרקע לקו גגות הבתים. מעל שכבה זו קיימת שכבה אטמוספירית עירונית חמה נוספת, החמה פחות מהחלל האורבני.
תופעה זו התקיימה, ככל הנראה, כבר מראשית הופעת תופעת העיור, אולם לאחר 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.

גורמים לתופעה

הבדלי האקלים בין העיר לסביבתה נגרמים בשל ההבדלים שבין חומרי הבנייה הבונים את העיר לחומרים המרכיבים את השטחים הפתוחים שמסביב לעיר, המבנה הטופוגרפי של העיר, מקורות ייצור חום בעיר, מערכת סילוק המשקעים העירונית, וזיהום האוויר בעיר.
תכסית העיר בנויה בעיקר מחומרי בטון ומאספלט. חומרים אלה בולעים אנרגיה רבה בזמן קצר בהשוואה למרבית סוגי הקרקע וכיסויי הצמחייה שבשטחים הפתוחים שמחוץ לעיר. לפיכך נאגרת כמות חום רבה בתוך העיר בשעות היום.
העיר בנויה במבנה טופוגרפי מגוון. בעוד שבשטח הפתוח רוב קרינת השמש חוזרת או נפלטת לאטמוספירה, בעיר היא חוזרת או נפלטת למבנים אחרים, וחלק ממנה נבלע והופך לחום, כך שהחום נכלא בעיר ("אפקט הקניון").
המבנה הטופוגרפי המגוון של העיר גורם גם להגדלת שטח הפנים של העיר, ולכן כמות גדולה יותר של קרינה קצרת גל פוגעת בעיר מאשר בשטח הפתוח. השפעה נוספת של המבנה הטופוגרפי המגוון היא בהחלשות מהירות הרוח. בעקבות זאת נחלשת הסעת החום מהעיר אל השטח הפתוח שמסביב לעיר ומואטת התקררות העיר.
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 מושקעת בייצור חום.
גם לפעילות האנושית יש תפקיד מרכזי בייצור חום. העיר מכילה מקורות רבים המייצרים חום, כמו תחנות כוח, מפעלי תעשייה, כלי רכב ומערכות תחבורה, מערכות הסקה וקירור (שיוצרות חום חיצוני), תאורת רחובות ושלטי תאורה. כל אלה פולטים חום רב. מלבד פליטת חום, הפעילות האנושית גורמת גם לזיהום אוויר. החלקיקים והגזים שנפלטים מכלי הרכב, מפעלי התעשייה ומהמזגנים משנים את הרכב שכבות האוויר שמעל העיר. שינוי זה גורם מצד אחד להפחתת הקרינה הישירה שמגיעה לפני השטח, אך מנגד מגביר את הפיזור בעיר של הקרינה החוזרת ושל הקרינה הנפלטת. התוצאה היא התחממות והיווצרות "אפקט חממה" ברחובות העיר.

עוצמת התופעה

עוצמתו של אי החום תלויה בגורמים רבים, כמו מצב סינופטי נקודתי (עוצמתו תהיה גבוהה במצב סינופטי יציב), עוצמת ומשטר הרוחות (רוחות חזקות יקררו את העיר), טופוגרפיה, צפיפות וגובה הבנייה, תפרוסת שימושי הקרקע בעיר, קו הרוחב בגאוגרפי (ככל שהעיר ממוקמת באזור קר יותר, כך יגדל ההבדל שבין טמפרטורת העיר לסביבתה), וגודל העיר.
עוצמת אי החום העירוני משתנה במשך שעות היממה. לרוב הפער בטמפרטורות בין העיר לסביבה מגיע לשיא בשעות הלילה. בשעות החשכה התכסית מסביב לעיר מתקררת מהר יחסית, בעוד שהתקררות השטח העירוני איטית יחסית. בעיר נפלט חום רב שנאגר בשעות היום (מכבישים וממבנים), נמשכת השפעת אפקט הקניון, ונמשכת פליטת החום מכלי רכב וממערכות הסקה וקירור.
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 מאד, ולכן לעיתים הם דווקא קרים ביחס לאזורים אחרים בעיר, הפעילים ומוארים בשעות הלילה (כמו אזורי בילוי ושכונות המגורים).