אי חום עירוני
גורמים לתופעה

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