Von Joachim Fallmann und Franziska Weyland
Pflanzen in der Stadt befinden sich innerhalb eines Mikroklimas – besondere klimatische Voraussetzungen innerhalb eines abgegrenzten Gebietes – in welchem sie verschiedene Dienstleistungen für Mensch und Umwelt, die sogenannten Ökosystemdienstleistungen, anbieten. In diesem Mikroklima sind sie bestimmten Belastungen ausgesetzt, wie Hitze, Wasserknappheit, geringmächtigen, belasteten Böden mit geringem Nährstoffgehalt aber auch Schadstoffen in der Luft (als Gase und Partikel) und im Grundwasser. Bei einem ständig steigenden Flächenverbrauch und Schadstoffeintrag durch den Menschen ist es deshalb unbedingt notwendig, diese Dienstleitungen aufrechtzuerhalten. Wie bereits im vorherigen Blog erklärt, haben es Pflanzen in Städten besonders schwer.
Dabei ist nicht jede Pflanze oder jede Maßnahme gleich gut geeignet und eine Begrünung muss immer im Hinblick auf die besonderen Eigenschaften des Standortes, seinen Anforderungen sowie auf die gewünschten Ergebnisse ausgerichtet sein.
Größere Pflanzen mit mehr Blättern können zum Beispiel mehr Wasser an die Luft abgeben und können mehr CO2 binden. Viele einzelne Blätter erhöhen die gesamte Oberfläche, folglich können auch mehr Schadstoffe aus der Luft ‚aufgefangen‘ werden – diesen Vorgang nennt man trockene Deposition. Außerdem haben z.B. Bäume den Vorteil, durch Schattenwurf das Aufheizen von Fassaden oder Straßen zu verringern. Das ist besonders gut im Sommer. Im Winter wiederum trägt der Blattverlust von Laubbäumen dazu bei, dass Gebäude wieder erwärmt werden können. So oder so würde man hier Energie zum Heizen bzw. Kühlen einsparen. Grundsätzlich sollte aber verhindert werden, dass Bäume in dicht befahrenen Straßen dazu führen, den Luftaustausch zu verringern und somit Schadstoffe nah am Boden halten. Am besten wäre es jedoch natürlich die Schadstoffe an sich zu begrenzen.
Eine wichtige Rolle in städtischem Grün nehmen Parks und Grünflächen ein. In größeren Parks kann die Temperatur gegenüber der restlichen Stadt deutlich verringert sein, um bis zu 4°C. Ihr Kühleffekt ist aber nicht nur auf den Park selbst beschränkt, sondern kann die Temperatur in einem Umkreis von einem Kilometer positiv beeinflussen, wenn die lokalen Stadtstrukturen eine Weiterleitung der kühlen Luft erlauben. Der Richmond Park in London ist mit einer Parkfläche von 10 km² (das entspricht in etwa der Größe von 1.400 Fußballfeldern) die größte städtische Grünanlage der Welt. Der größte Stadtpark in Deutschland ist mit 3,7 km² der Englische Garten in München. Der Central Park in New York ist mit 3.5 km² etwas kleiner.
Mit einer verfügbaren Grünfläche von 411m² pro Person ist die isländische Hauptstadt Reykjavík die grünste Stadt der Welt. Nach dem prozentualen Anteil an Grünflächen ist jedoch Prag mit fast 57 Prozent Spitzenreiter, gefolgt von Madrid mit 45 Prozent und Wien mit 43 Prozent.
Neben Parks und Bäumen gibt noch verschiedene andere ‚grüne‘ Strategien eine klimaangepasste Stadtplanung umzusetzen. Im Englischen benutzt man für die Verwendung natürlicher Rohstoffe für die städtische Architektur auch oft den Begriff ‚Nature Based Soltuions (NBS)‘. Begrünte Fassaden und Dächer tragen zur Kühlung von Gebäuden bei und haben darüber hinaus noch den Nebeneffekt im Winter zu isolieren.
Folglich braucht ein begrüntes Gebäude weniger Energie zum Heizen und Kühlen. Mit Klimaanlagen haben wir zwar die Möglichkeit die Gebäudetemperatur zu kontrollieren, jedoch muss die Energie die zur Kühlung aufgewendet wird auch wieder abgegeben werden. Das passiert über die Rückseiten der Klimageräte, die Außenluft erwärmt sich dadurch wieder – man hat also letztlich nichts gewonnen. Die Funktionen von begrünten Fassaden und Dächern sind dabei vielfältig – von den oben erwähnten energetischen Aspekten, über Luftreinigung zu Lärmverminderung bis hin zur Erhöhung der Artenvielfalt. Nach Angaben des Bundesverbandes Gebäudegrün kann 1 m² Dachbegrünung 2 Liter Wasser am Tag verdunsten, 375g CO2 aufnehmen und bis zu 10g Feinstaub im Jahr binden. So werden in der Stadt Würzburg z.B. stark (durch Hitze) belastete Stadtgebiete besonders gefördert. Oder in Berlin: Wenn mindestens 100m² eines Daches bepflanzt werden, steuert die Stadt Berlin 60 Euro pro m² oder 75% der Kosten bis zu einem Limit von 60000 Euro bei (Quelle SZ Nr. 134 S.37)
Begrünte Straßenbahnlinien, Mittelstreifen oder Parkplätze sind weitere Möglichkeiten öffentliche Flächen kühl zu halten. Solche Maßnahmen fallen unter das Stichwort „Entsiegelung“. Allein gepflasterte Gehwege sind geteerten oder betonierten Straßen im Vorteil. Über die Ritzen kann Regenwasser aufgenommen werden, das an trockenen Tagen mit kühlender Wirkung wieder verdunstet. Auf versiegelten Flächen fließt Regenwasser dagegen direkt ab und ist für die Verdunstungskühlung verloren.
Nicht nur in der Stadt selbst, sondern auch in ihren Randgebieten können Begrünungs- und andere Kühlungsmaßnahmen sinnvoll sein. Dort kann sich dann Kaltluft ausbilden, die von dort zum Stadtkern transportiert wird, der typischerweise am stärksten überhitzt ist. Dieser Effekt zeigt sich besonders in Städten, die in Senken liegen. Das ist u.a. für Mainz der Fall (Stadtklimastudie DWD – Bild weiter unten). Bei der Stadtrand-Bebauung muss deshalb darauf geachtet werden, dass Entstehungsgebiete für Kaltluft und die Frischluftschneisen über die die kühle Luft transportiert wird nicht zu stark verbaut werden. Vor allem während Strahlungsnächten im Sommer (Nächte an denen keine Wolkenbedeckung herrscht und die Erdoberfläche langwellige Strahlung in die Atmosphäre zurück strahlt) können sich natürliche Flächen stark abkühlen. Diese speziellen Wetterlagen werden auch als autochton bezeichnet ( d.h. die vorort vorhandene Luftmasse passt sich den örtlichen Gegebenheiten an). Für die Messstation Frankfurt(Main)/Flughafen ist z.B. im Mittel (1981-2010) während den Sommermonaten jede 3. Nacht eine Strahlungsnacht.
Die kalte Luft sammelt sich am Boden und folgt dann, bei geringer Windgeschwindigkeit der Geländeneigung. Um einen guten Abfluss sicher zu stellen, sollten Mindestmaße von 1000 Meter Länge sowie mindestens 50 Meter Breite gewährleistet sein und die Neigung mindestens 1-2% (also 2 m Höhendifferenz auf 100 m Länge) betragen. (https://www.klima.tu-berlin.de/stadt-gruen-klima/). Dass kalte Luft der Geländeneigung folgt, können wir oft als Gegenwind spüren wenn wir in den Abendstunden auf einen Berg zufahren. Oben kühlt sich die Luft ab, wird schwerer, sinkt ab und macht sich als Berg-Tal-Wind bemerkbar.
Weitere Maßnahmen
Wasserflächen, wie Teiche, Seen, Flüsse oder auch Springbrunnen verdunsten Wasser und speichern tagsüber Wärme. Dabei können sie die Luft in der näheren Umgebung um einige Grad abkühlen. Stehende Wasserflächen in Stadtgebieten können sich jedoch relativ stark erwärmen. Als Folge können sich in Sommermonaten vermehrt Insekten dort ansiedeln was wiederum zur Belastung der Bewohner führen kann. Hier gilt also auch, ein gutes Mittelmaß zu finden und geplante Maßnahmen genau abzuwägen. Viele Städte haben durch Versiegelung ursprüngliche natürliche Bachläufe in den Untergrund verbannt. Das Wiederbeleben dieser alten Bachläufe wäre eine Möglichkeit ‚blaue‘ Infrastruktur zurück in die Stadt zu holen.
Eine Praxis, die südliche Länder schon lange praktizieren und auch Großstädte in den USA anwenden ist die Verwendung von hochreflektierenden Fassaden-Anstrichen. Eine weiße Oberfläche reflektiert ca. 90% der einfallenden Strahlung im Vergleich zu ca. 20% einer gewöhnlichen Beton- oder Metallfläche. In Kalifornien z.B. ließen sich so bis zu 15% der Kosten für Gebäudekühlung senken. Neben dieser recht simplen Methode werden zahlreiche komplexe Baumaterialien entwickelt. So gibt es zum Beispiel Putz, der Bürogebäude tagsüber kühl hält, indem er Wärme von außen zwischenspeichert und erst nachts wieder an die Umgebung abgibt. Glasfassaden können so konzipiert werden, dass wärmende Sonnenstrahlung nur bei bestimmten Einfallswinkeln in den Raum gelangt. Strahlen, die im flachen Winkel einfallen, sprich Sonnenstrahlen im Winter, können das Glas passieren. Steht die Sonne im Sommer hoch am Himmel, werden die einfallenden Sonnenstrahlen so gebrochen und reflektiert, dass sie den Raum nicht erreichen (Totalreflexion). Durch diffuse Strahlung wird der Raum dabei trotzdem erhellt. (http://www.bine.info/themen/publikation/latentwaermespeicher-in-gebaeuden/baustoffe-stabilisieren-raumklima/?type=333 , https://www.glassx.ch/de/produkte/sonnenschutz-prisma/)
Ein Beispiel vom anderen Ende der Welt
Australien hat häufig mit Hitzewellen zu kämpfen. Im Westen Melbournes, einer Region, die früher hauptsächlich Standort für Industrie war, haben sich deswegen Regierung und Bürger zusammengetan, um bis 2050 1 Million neue Bäume zu pflanzen. Insgesamt sollen bis zum Jahr 2040 40% des Stadtgebiets mit Bäumen bedeckt sein. Eine Modellstudie von Jacobs et al. 2018 zeigte, dass die Begrünungsmaßnahmen, kombiniert mit mehr weißen Dächern, die Temperatur während Hitzewellen um 1-2.4°C senken können. Das klingt im Vergleich zu dem notwendigen Aufwand erstmal wenig. Allerdings können besonders für ältere und geschwächte Menschen oder Kinder schon wenige Grad den Unterschied machen. Studien gehen davon aus, dass schon bei 2°C geringeren Temperaturen 1 Mensch pro 100000 Einwohner weniger an den gesundheitlichen Folgen der Hitze stirbt. In Melbourne wären das 50 gerettete Menschen pro Hitzewelle. (https://www.treeproject.org.au/)
Es liegt was in der Luft – Pflanzen und Luftqualität
Neben der thermischen Wirkung (Auswirkung auf die Temperatur) haben Pflanzen auch Auswirkungen auf die chemische Zusammensetzung unserer Atmosphäre. Durch Photosynthese wandeln sie Kohlendioxid in Sauerstoff um, und beseitigen somit ein Treibhausgas, das für die Erwärmung unseres Planeten hauptverantwortlich ist. Vor allem große zusammenhängende Waldflächen der Erde nehmen hier die wichtigste Rolle ein. Pflanzen im Mikroklima Stadt haben wie oben gesehen noch ganz andere Funktionen, müssen aber auch mit vielen Problemen zurechtkommen.
Neben erhöhten Temperaturen durch Klimawandel und Wärmeinsel-Effekt und knapper Wasserverfügbarkeit durch Bodenversiegelung sind sie einem Mix aus Schadstoffen ausgesetzt, verursacht durch unsere täglichen Aktivitäten, wie der Weg zur Arbeit, zum Einkaufen, durch Heizen und Kühlen sowie durch Produktion und Transport von Waren. Zu den bekanntesten Schadstoffen zählen hier Stickoxide und Feinstaub sowie Ozon (entsteht aus chemischer Reaktion unter anderem mit Stickoxiden). Für die Freisetzung von Stickoxid NO (daraus wird NO2) und Feinstaub ist in Städten zum größten Teil der Verkehr verantwortlich, bei Feinstaub spielt jedoch auch die Verbrennung von Kohle, Öl und Holz beim Heizen eine große Rolle (das wird übrigens auch als Hausbrand bezeichnet). Allen drei Stoffen ist gemein, dass sie in zu hoher Konzentration schädlich für den menschlichen (vor allem Atemwege) aber auch den pflanzlichen Organismus sind. Dass uns Ozon durch eine Schicht in der Stratosphäre vor UV-Strahlung schützt ist richtig, jedoch wirkt es in Bodennähe als Atem- und Pflanzengift. Sickoxide (vor allem NO2) können bei Pflanzen zu vorzeitigem Altern und Kümmerwuchs führen und bewirken das Gelbwerden von Blättern (sog. Nekrosen). Ozon wird über die Stomata aufgenommen und schädigt die Blattorgane. Ein gesunder Baum kann mit diesen Giften dabei besser umgehen als ein gestresster Stadtbaum. Bestimmte Baumarten wie die Platane (der wohl am häufigsten genutzte Stadtbaum) haben neben positiven Eigenschaften wie starke Hitzeresistenz, geringem Wasser- und relativ wenig Pflegebedarf sog. negative ‚Sekundärwirkungen‘ auf die Luftqualität.
Pflanzen unter Stress geben bestimmte Substanzen – sog. flüchtige Kohlenstoffe bzw. biogene flüchtige organische Verbindungen BVOCs (kurz für englisch: biogenic volatile organic compounds) an die Umgebung ab. Diese Stoffe aus der Familie der Terpene führen dazu, dass für uns ein Kiefernwald im Hochsommer bei starker Sonneneinstrahlung angenehm riecht. So kommt der Duft einer frisch gemähten Wiese z.B. ebenfalls durch den stressbedingten Ausstoß von speziellen Alkoholen, die bei der Zerstörung der Zellmembranen freigesetzt werden zustande. Aber auch ohne Stress geben Pflanzen diese Stoffe ab, um zum Beispiel durch den Duft Insekten anzulocken, Schädlinge abzuwehren oder miteinander zu kommunizieren.
Doch zurück zu den Platanen. Wenn es diesen Bäumen zu heiß wird geben sie vermehrt Isopren ab (ebenfalls ein organischer Stoff aus der Familie der Terpene). Dieser Stoff kann dazu führen, dass sich unter Einfluss von Sonnenstrahlung aus Stickoxiden Ozon bildet – Isopren wird hier als Vorprodukt für Ozon bezeichnet.
Wie oben erwähnt wirkt Ozon in Bodennähe schädlich auf den Menschen, vor allem während heißer sommerlicher, stabiler Wetterlagen. Ähnlich wie bei Rußpartikeln bezeichnen wir diesen Effekt als SMOG (oder Sommer-SMOG). Man kann sich also vorstellen, dass eine Platanen-Allee und eine stark befahrene Straße eigentlich keine gute Kombination sind. Wird nun beispielsweise NO2-haltige Luft ins das städtische Umland transportiert kann dort ebenfalls vermehrt Ozon entstehen und dort Menschen, Tiere und Pflanzen schädigen. Es muss jedoch hierbei noch erwähnt werden, dass die biogenen VOCs nur einen Teil der gesamten VOCs ausmachen, der Rest kommt hauptsächlich vom Straßenverkehr. Eine Maßnahme muss deswegen sein, den richtigen Baum zu benutzen und zugleich den Verkehr grüner zu machen.
Welche Rolle spielen Meteorologen für das Stadtklima
Regionen zu identifizieren, in denen Begrünung und andere Maßnahmen besonders sinnvoll sind, ist auch die Aufgabe von Atmosphärenwissenschaftler*innen. Sie arbeiten mit sogenannten „kleinskaligen“ Modellen. Das heißt, die betrachteten Städte werden mit einem Gitter in kleine Quadrate unterteilt. Für diese Gitterzellen werden dann Gleichungen aufgestellt, die möglichst viele stadttypische Prozesse wiedergeben sollen. Dazu zählen zum Beispiel die Mehrfachreflexion an Gebäuden, das Festhalten von Wärmestrahlung in Straßenschluchten und die Wärmespeicherung in der Bausubstanz. Man versucht auch möglichst genau die Unterschiede in der Bebauung und der Pflanzenbedeckung wiederzugeben, also zum Beispiel Hochhaussiedlungen und Parks zu simulieren. In Modell-Experimenten kann man dann beispielsweise untersuchen, wie sich die Temperatur in bestimmten Bereichen einer Stadt (z.B. Hochhaussiedlung vs. Park) in einem wärmeren Klima verändert oder wie sich der Einfluss der Bebauung bei bestimmten Wetterlagen auswirkt. Im Winter treten auch oft sog. austauscharme Wetterlagen (siehe auch oben) auf, d.h. es herrschen geringe Windgeschwindigkeiten, die atmosphärische Durchmischung ist gering und Luftmassen ‚stauen‘ sich in Bodennähe. Wenn dann vielleicht noch dazu kommt, dass eine Stadt in einem Talkessel liegt, können Schadstoffe über einen langen Zeitraum in dieser Schicht festgehalten werden und beeinträchtigen somit besonders in Straßenschluchten, mit hohem Verkehrsaufkommen die Luftqualität. Perioden mit länger anhaltenden hohen Konzentrationen an Partikeln bezeichnet man als SMOG, oder in diesem Fall als Winter- oder London- Smog (https://de.wikipedia.org/wiki/Smog-Katastrophe_in_London_1952). Wenn man nun die Ergebnisse einer Wettervorhersage mit bestehenden Schadstoffmessungen kombiniert, kann man solche Episoden im Voraus bereits erkennen und entsprechende Warnungen oder sogar Fahrverbote aussprechen (https://www.stuttgart.de/item/show/273273/1/9/687515). In einem anderen Experiment kann man das Stadtklima mit mehr Grünflächen simulieren, oder vielleicht ganz ohne. Sehr wichtig für die Stadtplanung der Zukunft sind auch die Erkenntnisse aus Klimasimulationen, die zum Beispiel vorhersagen mit welcher Wahrscheinlichkeit in Zukunft Hitzewellen wie 2003 eintreten werden, oder an wie vielen Tagen des Jahres die Tages-Temperatur über 30 °C steigt. Mit Hilfe von hoch aufgelösten Simulationen hat der Deutsche Wetterdienst berechnet, das die Anzahl dieser heißen Tage für das Stadtgebiet Mainz von 21 Tagen heute, bis auf 27 Tagen im Jahr 2050 anwachsen wird, sollten keine stadtklimatischen Planungsmaßnahmen durchgesetzt werden, und die CO2-Emissionen nicht signifikant zurückgehen.
Ein Zeitraum der für Klimaprognosen verwendet wird sind meistens 30 Jahre. Bei einem Mittelwert über diesen Zeitraum kann man dann von Klima und nicht mehr von Wetter, Witterung oder kurzfristigen Änderungen sprechen. Wie extrem das Jahr 2003 tatsächlich war, kann man gut an Messdaten für die Stationen Wiesbaden und Mainz sehen. Hier hat sich die Anzahl von 3 bzw. 12 (Mittelwert 1971-2010) auf 21 bzw. 34 (2003) erhöht. Tropische Nächte (Nächte in denen die Temperatur nicht unter 20 °C fällt) gab es demnach in Mainz 1971-2000 gar nicht und im Jahr 2003 9 mal – 2018 übrigens 8 mal. Sommer wie 2003 wird es in Zukunft wohl häufiger geben – eine nachhaltige, und grüne Stadtplanung kann also kein Nachteil sein.
Lieratur:
Jacobs, S.J., Gallant, A.J., Tapper, N.J. and Li, D., 2018. Use of cool roofs and vegetation to mitigate urban heat and improve human thermal stress in Melbourne, Australia. Journal of Applied Meteorology and Climatology, 57(8), pp.1747-1764.
Schau-Noppel, H., Kossmann, M. and Buchholz, S., 2020. Meteorological information for climate-proof urban planning-The example of KLIMPRAX. Urban Climate, 32, p.100614.
Simon, H., Fallmann, J., Kropp, T., Tost, H. and Bruse, M., 2019. Urban Trees and Their Impact on Local Ozone Concentration—A Microclimate Modeling Study. Atmosphere, 10(3), p.154.
