ปรากฏการณ์เกาะความร้อน

สาเหตุ

สาเหตุของปรากฏการณ์เกาะความร้อนเมืองมีหลายประการ สาเหตุหลักที่การร้อนขึ้นในช่วงกลางคืนเกิดจากการที่อาคารต่างๆ ปิดกั้นความร้อนจากภาคพื้นดินไม่ให้แผ่ขึ้นสู่ท้องฟ้าตอนกลางคืน(ที่เย็นกว่า) (ดูการแผ่รังสีความร้อน -  thermal radiation) เหตุผลอีก 2 ประการได้แก่คุณสมบัติด้านความร้อนของผิววัสดุของสิ่งปลูกสร้างและการขาดการระเหยคายน้ำ (evapotranspiration) ในบริเวณเมือง วัสดุที่ใช้โดยทั่วไปในเมือง เช่น คอนกรีตและแอสฟัลต์มีคุณสมบัติในการรับความร้อนที่ต่างกันมาก รวมทั้งคุณสมบัติในการจุความร้อนและคุณสมบัติในการนำความร้อน และคุณสมบัติของอัตราส่วนรังสีสะท้อน (albedo) และสภาพการเปล่งรังสี (emissivity) มากกว่าบริเวณโดยรอบเมือง ปัจจัยต่างๆ เหล่านี้ทำให้เกิดการเปลี่ยนความสมดุลของพลังงาน (energy balance) ในเขตเมืองซึ่งเป็นเหตุให้อุณหภูมิในเมืองสูงกว่าพื้นที่ชานเมืองหรือพื้นที่ชนบท ความสมดุลของพลังงานยังถูกกระทบจากการขาดพืชพรรณในพื้นที่ในเมืองที่จะช่วยให้เย็นลงจากการระเหยคายน้ำของต้นไม้
อีกสาเหตุหนึ่งของปรากฏการณ์เกาะความร้อนเมืองได้แก่ “ปรากฏการณ์เรขาคณิต” geometric effects) นั่นคืออาคารสูงจำนวนมากในย่านกลางเมืองเป็น ผิวเชิงอเนก ที่รับการสะท้อนและการดูดซับแสงอาทิตย์ ทำให้บริเวณในเมืองร้อนขึ้น ซึ่งเรียกกันว่า “ปรากฏการณ์หุบผา” (canyon effect) 
อีกสาเหตุหนึ่งที่เกิดจากอาคารสูงได้แก่การบังลมซึ่งทำให้ไม่เกิดความเย็นจากการพาความร้อน (convection) ความร้อนที่ปล่อยออกจากเครื่องปรับอากาศของอาคาร โรงงานอุตสาหกรรมและแหล่งก่อความร้อนอื่นๆ ในเมืองมีส่วนทำให้เกิดปรากฏการณ์เกาะความร้อนเมืองได้เช่นกัน รวมทั้งบริเวณที่มีประชากรหนาแน่นในเมืองก็มีส่วนด้วยเช่นกัน นอกจากนี้มลภาวะในรูปต่างๆ ก็มีส่วนเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของบรรยากาศด้วย
สำนักงานปกป้องสิ่งแวดล้อมสหรัฐฯ (EPA) ได้ให้คำอธิบายเกี่ยวกับเรื่องนี้ไว้ว่า:
“เกาะความร้อนเกิดขึ้นเมื่อพืชพรรณถูกแทนที่ด้วยแอสฟัลท์และคอนกรีตที่ใช้ทำถนน อาคารและโครงสร้างอื่นที่มีความจำเป็นสำหรับการเพิ่มที่อยู่อาศัยและที่ทำงานของประชากร ผิวพื้นเหล่านี้ดูดซับ – มากกว่าสะท้อนความร้อนจากแสงแดด ทำให้อุณหภูมิผิวพื้นและอุณหภูมิของอากาศเพิ่มขึ้น”
การใช้วลี “เกาะความร้อน” อีกแนวหนึ่งได้แก่การใช้หมายถึงบริเวณใดๆ ก็ตาม ไม่ว่าจะมีการอยู่อาศัยหรืออาคารบ้านเรือนหรือไม่ก็ตาม แต่มีการเกิดความร้อนสูงกว่าบริเวณโดยรอบ ในบางเมืองอาจเกิดปรากฏการณ์เกาะความร้อนเมืองสูงสุดในตอนกลางคืน (ดูภาพล่าง) โดยเฉพาะบาง  หรือในบางครั้งในฤดูหนาว  โดยมีความแตกต่างของอุณหภูมิหลายองศาระหว่างศูนย์กลางเมืองและบริเวณทุ่งชานเมือง ความแตกต่างของอุณหภูมิของสองบริเวณดังกล่าวนี้มักปรากฏในรายงานพยากรณ์อากาศของต่างประเทศ เช่น “อุณหภูมิกลางเมือง 68 องศา และชานเมือง 64 องศา” เป็นต้น

นัยสำคัญ

ปรากฏการณ์เกาะความร้อนเมืองมีศักยภาพที่จะส่งอิทธิพลต่อสุขภาพและความผาสุกของประชากรในเมือง ในสหรัฐฯ ประเทศเดียว โดยเฉลี่ยมีผู้เสียชีวิตถึง 1,000 คนจากความร้อนจัด (Changnon et al., 1996), ในขณะที่ปรากฏการณ์เกาะความร้อนเมืองที่ปรากฏในรูปของการเพิ่มอุณหภูมิมีศักยภาพที่จะเพิ่มขนาดความเนิ่นนานของคลื่นความร้อน ( heat wave) ที่เกิดในเมืองได้ ผลการวิจัยแสดงให้เห็นว่าอัตราการเสียชีวิตสูงสุดในช่วงการเกิดคลื่นความร้อนจะเป็นสัดส่วนรับกันกับช่วงที่มีอุณหภูมิสูงสุด (Buechley et al., 1972) ซึ่งนับเป็นผลกระทบในทางเลวที่เกิดจากปรากฏการณ์เกาะความร้อนเมือง ผลกระทบในช่วงกลางคืนนับว่ามีอันตรายมากในช่วงเกิดคลื่นความร้อนเช่นกันเนื่องจากเป็นการทำให้ประชากรในเมืองไม่ให้ได้รับการผ่อนคลายเหมือนประชากรชานเมืองจากอุณหภูมิตอนกลางคืนลดต่ำลง (Clarke, 1972)
งานวิจัยในสหรัฐฯ แสดงให้เห็นว่าความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิที่สุดโต่งและการตายในสหรัฐฯ ผันแปรไปตามท้องถิ่น ในรายงานชื่อ “โครงการว่าด้วยสุขภาพที่ได้รับผลกระทบจากเปลี่ยนแปลงสิ่งแวดล้อมของโลก” ที่มหาวิทยาลัยจอนส์ฮอปกินส์ (JHU) พบว่า ความร้อนมักเพิ่มความเสี่ยงในการเสียชีวิตมากในเมืองที่อยู่ในเส้นละติจูดปานกลางและละติจูดสูงที่มีความผันผวนของอุณหภูมิมาก ตัวอย่างเช่น เมื่อนครชิคาโกและนิวยอร์กที่ได้ประสบกับภาวะอุณหภูมิในฤดูร้อนสูงผิดปรกติ ความเจ็บป่วยและการเสียชีวิตสามารถคาดได้ว่าจะสูงตามไปด้วย ตรงข้ามกับประเทศที่มีไม่มีการผันผวนของอุณหภูมิตลอดปีมาก จะมีความเสี่ยงด้านสุขภาพจากคลื่นความร้อนของสาธารณชนน้อยกว่า งานวิจัยของ JHU แสดงให้เห็นว่าประชากรของเมืองในตอนใต้ของประเทศ เช่นไมอามีซึ่งคุ้นกับสภาพวะอากาศร้อนประสบปัญหาน้อยกว่า 
ผลต่อเนื่องอีกประการหนึ่งของปรากฏการณ์เกาะความร้อนเมืองได้แก่การเพิ่มความสิ้นเปลืองพลังงานสำหรับเครื่องปรับอากาศและตู้เย็นในเมืองที่มีอากาศร้อน กลุ่มผู้ศึกษาปรากฏการณ์เกาะความร้อนเมืองได้ทำการประมาณความสิ้นเปลืองดังกล่าวในนครลอสแอนเจลิส แคลิฟอร์เนียว่าตกถึงประมาณ 100 ล้านดอลลาร์สหรัฐ ต่อปี  ในขณะที่เมืองในเขตหนาว เช่น ชิคาโกกลับมีค่าใช้จ่ายสำหรับพลังงานเชื้อเพลิงสำหรับความอบอุ่นลดลงในฤดูหนาว
นอกจากผลกระทบที่ชัดเจนเกี่ยวกับอุณหภูมิแล้ว ปรากฏการณ์เกาะความร้อนเมืองยังมีผลกระทบระดับที่สองต่อการอุตุนิยมท้องถิ่นด้วย ซึ่งรวมถึงการเปลี่ยนรูปแบบของลมประจำถิ่น การเกิดเมฆ หมอก ความชื้นและอัตราของหยาดน้ำฟ้า (Precipitation - ฝน หิมะ น้ำค้าง ฯลฯ) อีกด้วย 
ด้วยการใช้ภาพถ่ายดาวเทียม นักวิจัยได้พบว่าลมฟ้าอากาศของเมืองมีอิทธิพลที่สังเกตได้ต่อการเจริญเติบโตของพืชพรรณท้องถิ่นตามฤดูการปลูก โดยส่งผลไปไกลมากถึง 10 กิโลเมตรจากขอบของเมือง ฤดูเพาะปลูกในเมืองต่างๆ 70 เมืองในภาคตะออกเฉียงเหนือของสหรัฐฯ มีความยาวนานมากขึ้นประมาณ 15 วันเมื่อเทียบกับพื้นที่ชนบทขอบเมืองที่อยู่นอกอิทธิพลของปรากฏการณ์เกาะความร้อนของเมือง

การบรรเทา

ผลกระทบของปรากฏการณ์เกาะความร้อนเมืองอาจบรรเทาได้เล็กน้อยด้วยการใช้วัสดุที่มีผิวพื้นสีขาว หรือที่เป็นวัสดุสะท้อนความร้อนมาใช้ในการก่อสร้างอาคารบ้านเรือน ลานและถนนซึ่งเป็นการเพิ่มอัตรส่วนรังสีสะท้อน (albedo) โดยรวมของเมือง มีหลายประเทศที่นำวิธีนี้มาใช้นานแล้ว ทางเลือกที่สองได้แก่การเพิ่มจำนวนของพืชพรรณที่คายน้ำมาก วิธีทั้งสองนี้อาจนำมาประยุกต์รวมในรูปของ “หลังคาเขียว”
เทศบาลนครนิวยอร์กได้ชี้ชัดว่าศักยภาพในการทำความเย็นตามพื้นที่ต่างๆ ที่สูงสุดได้แก่การปลูกต้นไม้ถนน ตามาด้วยหลังคาเขียว หรือสวนหลังคา หลังคาที่เป็นสีอ่อน และการปลูกพืชพรรณในที่ว่าง ในแง่ของค่าใช้จ่ายต่อประโยชน์ที่ได้ พบว่าการใช้พื้นผิวสีอ่อน หลังคาสีอ่อนและการปลูกต้นไม้ถนนมีค่าใช้จ่ายต่ออุณหภูมิที่ลดต่ำสุด

ลักษณะการเกิดช่วงกลางวัน

องค์คณะรัฐบาลนานาชาติว่าด้วยการเปลียนแปลงภูมิอากาศ (IPCC) ได้ออกแถลงการณ์ดังนี้ “เป็นที่ทราบกันโดยทั่วไปแล้วว่า เมื่อเปรียบเทียบพื้นที่ที่ไม่ใช่เมือง เกาะความร้อนเมืองทำให้อุณหภูมิเมืองในตอนกลางคืนมากกว่าอุณหภูมิเมืองตอนกลางวัน"   ตัวอย่างเช่น เมืองมอเรโน-การ์เซีย (Int. J. Climatology, 1994) พบว่าอุณหภูมิของเมืองบาร์เซโลนา เย็นกว่า 0.2°C สำหรับอุณหภูมิเฉลี่ยสูงสุดประจำวันและร้อนกว่าอุณหภูมิเฉลี่ยต่ำสุดประจำวันของสถานีตรวจวัดในพื้นที่ชนบทใกล้เคียง 2.9°C ความจริงแล้ว รายงานทำนองนี้แรกสุดเกี่ยวกับปรากฏการณ์เกาะความร้อนเมืองเป็นของลุค เฮาวาร์ด (Luke Howard) ใน ปี พ.ศ. 2363 ว่า:
“เฮาวาร์ดได้ค้นพบว่าศูนย์กลางของเมืองในเวลากลางคืนร้อนกว่าพื้นที่พื้นที่ชนบทใกล้เคียง ซึ่งเป็นสภาวะที่เรียกกันในปัจจุบันว่าปรากฏการณ์เกาะความร้อนเมือง ในการนำเสนอในการประชุม “ภูมิอากาศของลอนดอน” (พ.ศ. 2363) ในการเปรียบเทียบการอ่านค่าอุณหภูมิที่แตกต่างระหว่างลอนดอนกับชนบทในช่วงเวลา 9 ปี เฮาวาร์ดให้ข้อคิดเห็นว่า “ในเมืองตอนกลางคืนร้อนกว่า 3.70° และตอนกลางวันเย็นกว่า 0.34° เมื่อเทียบกับชนบท” เฮาวาร์ดกล่าวว่าความแตกต่างนี้เกิดจากการใช้เชื้อเพลิงเป็นจำนวนมากในเมือง 
ถึงแม้อุณหภูมิปรากฏการณ์เกาะความร้อนเมืองจะแลเห็นชัดกว่าในเวลากลางคืน แต่ปรากฏการณ์เกาะความร้อนเมืองก็ได้แสดงให้เห็นความชัดเจนและที่ค่อนข้างขัดกันลักษณะการเกิดตอนกลางวัน อุณหภูมิปรากฏการณ์เกาะความร้อนเมืองจะมากในตอนกลางวันและน้อยกว่าในตอนกลางวัน ในขณะที่สิ่งตรงกันข้ามก็เป็นความจริง คืออุณหภูมิที่พื้นผิวของปรากฏการณ์เกาะความร้อนเมืองที่ร้อนกว่า จากการศึกษาของ Roth et al. (1990):
ความแตกต่างของอุณหภูมิผิวพื้นระหว่าง เมือง-ชนบท ในตอนกลางคืนน้อยกว่าตอนกลางวันมาก ซึ่งนี่ก็คือการกลับกันของอุณหภูมิใกล้ผิวพื้น
ตลอดช่วงวลากลางวัน โดยเฉพาะเมื่อท้องฟ้าปราศจากเมฆ ผิวพื้นของเมืองจะร้อนขึ้นจากการดูดซับการแผ่รังสีของดวงอาทิตย์ ดังได้กล่าวมาแล้วข้างต้น ผิวพื้นของเมืองจะร้อนเร็วกว่าผิวพื้นในชนบท โดยคุณสมบัติในการจุความร้อนที่ที่สูงมาก ผิวพื้นของเมือง (รวมผิวอาคารและโครงสร้างอื่นๆ) จึงกลายเป็นแหล่งเก็บกักพลังงานความร้อนขนาดยักษ์ (ตัวอย่างเช่น คอนกรีตสามารถจุความร้อนได้เป็น 2,000 เท่าของอากาศในบริมาตรเท่ากัน) ด้วยเหตุนี้ อุณหภูมิผิวที่สูงมากของปรากฏการณ์เกาะความร้อนเมืองจึงปรากฏชัดในภาพถ่ายดาวเทียมที่ถ่ายด้วยรังสีความร้อน (e.g. Lee, 1993)
อย่างไรก็ตาม ในกรณีของความร้อนช่วงกลางวันนี้ก็ทำให้เกิดปรากฏการณ์ “การพาความร้อน” (convective) โดยลมภายใน “เขตชั้นเมือง” (boundary layer) มีการเสนอทฤษฎีว่า เนื่องจากการผสมกันของบรรยากาศ อุณหภูมิอากาศในปรากฏการณ์เกาะความร้อนเมืองจึงมีน้อยหรือเกือบไม่มีเลยแม้อุณหภูมิพื้นผิวจะร้อนมากก็ตาม (Camilloni and Barros, 1997)
ส่วนในตอนกลางคืน สถานการณ์กลับกลับกัน การไม่มีความร้อนจากรังสีดวงอาทิตย์ทำให้การพาความร้อนในบรรยากาศลดลง เขตชั้นเมืองเริ่มนิ่ง “ชั้นผกผัน” (inversion layer) จึงเกิดขึ้นและกักอากาศบริเวณใกล้ผิวในเมืองไว้ การร้อนขึ้นที่มาจากผิวพื้นที่ยังร้อนจึงเกิดได้กลายเป็นอุณหภูมิอากาศตอนกลางคืนของปรากฏการณ์เกาะความร้อนเมือง
คำอธิบายสำหรับการเพิ่มขึ้นสูงสุดของอุณหภูมิตอนกลางคืนคือ ต้นเหตุหลักของปรากฏการณ์เกาะความร้อนเมืองนั้นเกิดจากการปิดกั้น “วิวท้องฟ้า” ในช่วงที่กำลังอุณหภูมิกำลังเย็นลง ผิวพื้นสูญเสียความร้อนจำนวนมากในตอนกลางคืนด้วยการแผ่รังสีให้แก่ท้องฟ้า (ซึ่งค่อนข้างเย็น) แต่สำหรับในเมืองมีอาคารต่างๆ จำนวนมากปิดกั้นการแผ่รังสีเอาไว้ ปกติการเย็นโดยการคายรังสีจะเพิ่มมากขึ้นอย่างสำคัญเมื่อลมไม่แรงและท้องฟ้าไม่มีเมฆ ดังนั้น ปรากฏการณ์เกาะความร้อนเมืองที่เกิดมากในตอนกลางคืนก็ด้วยเหตุนี้นั่นเอง