Stadt: Ökologische Aspekte

Stadt: Ökologische Aspekte

 

Eine Stadt ist kein einzelnes Ökosystem, sondern ein Ökosystemkomplex. Anders als natürliche oder naturnahe Ökosysteme, wie zum Beispiel der Wald und das Meer, deren Energiezufuhr ausschließlich durch die Sonne gedeckt wird, beziehen anthropogene Ökosysteme, wie beispielsweise Städte, zusätzliche Energie aus Kraftwerken. Wegen des dadurch erforderlichen Imports von Energie und natürlichen Ressourcen kommt es zu Beeinträchtigungen des Umlands. Die importierten Güter werden in der Stadt verbraucht, in der dadurch Abgase, Abfälle, Abwasser und Lärm entstehen. Diese Belastungsfaktoren werden zum großen Teil ins Umland exportiert, das somit als Ausgleichsraum für die Städte dient. Häufig ist das Umland jedoch überlastet und kann diese Ausgleichsfunktionen nicht mehr erfüllen. Stadtökologische Ziele sind deshalb die Verbesserung der Umweltbedingungen in den Städten und die Reduzierung der Import-Export-Beziehungen zwischen dicht besiedelten Räumen und ihrem Umland.

 

Städtische Ökosysteme haben jeweils spezifische Strukturen und Ausprägungen in Abhängigkeit von den unterschiedlichen natürlichen Bedingungen und infrastrukturellen Verhältnissen. So weisen beispielsweise Städte mit einer Talkessellage andere klimatische Merkmale auf als Siedlungen auf Hochebenen. Hochhaussiedlungen mit asphaltierten Straßen und Plätzen weisen wiederum andere Strukturen auf als Städte mit hohem Grünflächenanteil und vorwiegend Einzelhausbebauung. Dennoch lassen sich allgemein gültige stadtspezifische Ökosystemeigenschaften ableiten, die deutliche Unterschiede zu denen des Umlands aufweisen.

 

 Stadtklima und Stadtatmosphäre

 

Der urbane Raum verursacht durch seine Bebauung und Struktur im Vergleich zum nicht bebauten Umland klimatische Veränderungen, die allgemein unter dem Begriff Stadtklima zusammengefasst werden. 1981 legte die Weltorganisation für Meteorologie (WMO) folgende Definition fest: »Das Stadtklima ist das durch die Wechselwirkung mit der Bebauung und deren Auswirkungen, einschließlich Abwärme und Emission von luftverunreinigenden Stoffen, modifizierte Klima.« Faktoren, die das Stadtklima prägen, sind vor allem die Umwandlung der natürlichen Bodenoberfläche in ein überwiegend versiegeltes Stadtgebiet, die Veränderung der Biosphäre durch eine Reduzierung der mit Vegetation bedeckten Fläche und die anthropogene Einwirkung durch technische Einrichtungen. Zu Letzteren zählen die thermischen und lufthygienischen Auswirkungen des Kraftfahrzeugverkehrs, der Industrie, des Gewerbes und des Hausbrands.

 

Die städtische Strahlungs- und Energiebilanz wird hauptsächlich durch folgende Faktoren beeinflusst: die Veränderung der Globalstrahlung durch die städtische Dunstglocke, das Reflexionsvermögen (Albedo) eines Stadtkörpers hinsichtlich der einfallenden Strahlung, die auf Verbrennungsprozessen unterschiedlicher Art beruhende anthropogene Wärmeproduktion sowie der Einfluss der Bebauungsdichte auf fühlbare und latente (durch Gefrieren, Schmelzen, Verdunsten, Kondensieren oder Sublimieren entstehende) Wärmeströme.

 

Durch die große Zahl von Stäuben und Aerosolen werden die Sonnenstrahlen teils reflektiert, teils gestreut, sodass der Anteil der direkten Sonnenstrahlung in der Stadt gegenüber dem Umland abnimmt. Demgegenüber steigt der Anteil der diffusen Strahlung. Dies wird in der Stadt als Trübung empfunden, die die Konturen von Gebäuden und anderen Gegenständen unschärfer erscheinen lässt. Die Partikel in der Stadtluft streuen kurzwelliges (blaues) Licht stärker als langwelliges (rotes). Dadurch überwiegt — besonders bei tief stehender Sonne — der Rotanteil gegenüber dem blauen Spektralbereich. Noch größere Strahlungsdefizite als im Blaubereich ergeben sich im ultravioletten Bereich, da hier die absorbierende Wirkung von Ozon, Wasserdampf und verschiedenen Spurenstoffen hinzukommt. So sinkt der UV-Anteil der Sonnenstrahlung im Vergleich zum Umland während des Sommers durchschnittlich um 5 bis 10 %, im Winter sogar um bis zu 30 %. Bei dichtem Smog mit besonders hohem Aerosolgehalt in der Stadtluft ergaben Messungen UV-Verluste von 58 bis 90 %.

 

Dem Verlust an Globalstrahlung ist die Energieeinbuße nicht proportional. Dafür gibt es verschiedene Ursachen. Das einfallende Sonnenlicht wird an senkrechten Häuserwänden vielfach reflektiert. Dabei wird jeweils ein kleiner Teil der einfallenden Strahlungsenergie absorbiert. Daraus ergibt sich ein höherer absorbierter Energiebetrag pro Grundflächeneinheit der Stadt gegenüber dem Land. Weiterhin wird der Energieeintrag durch die Tatsache erhöht, dass einige Baumaterialien in der Stadt besonders im kurzwelligen Spektralbereich ein anderes Reflexionsvermögen aufweisen als natürliche Böden oder Vegetationflächen. So weisen Städte im Durchschnitt ein Rückstrahlungsvermögen auf, das bei 15 % liegt und damit gegenüber vielen natürlichen Oberflächen um etwa 10 % niedriger ist.

 

Einen erheblichen Energiezuwachs erhalten Städte aus der anthropogenen Wärmeproduktion. Dazu zählen die Abwärme aus Kraftwerken, Industriebetrieben, Wohnraumheizungen, Kraftfahrzeugen sowie die Stoffwechselwärme des Menschen. In den gemäßigten Breiten ist die anthropogene Wärmeproduktion im Winterhalbjahr größer als im Sommerhalbjahr. Dazu trägt vor allem der im Winter höhere Elektrizitäts- und Heizölverbrauch bei. Je nach Größe und geographischer Lage der Stadt variieren diese Werte sehr stark.

 

Die städtische Energiebilanz wird in erheblichem Maß durch die Vegetationsarmut in dicht bebauten Gebieten und durch die weitgehende Versiegelung der Oberflächen beeinflusst. Die überwiegend mit Baumaterialien versiegelten, pflanzenfreien Böden können sehr wenig Wasser speichern. Hinzu kommt ein relativ rascher Regenwasserabfluss. Die Wasserdampfabgabe des Pflanzenbestands an die Atmosphäre, die Evapotranspiration, wird stark eingeschränkt. So werden in der Stadt durchschnittlich etwa 44 Prozent weniger Energie für die Wasserverdunstung verbraucht als im Umland. Denn je mehr natürliche, Wasser speichernde Oberflächen vorhanden sind, umso geringer ist der Abfluss und umso höher die Verdunstung. Dadurch wird den benetzten Oberflächen etwa 2,5 Kilojoule pro Gramm Wasser Verdunstungswärme entzogen. Damit steht ein entsprechend kleinerer Beitrag zur Erhöhung der Lufttemperatur in Form des fühlbaren Wärmestroms zur Verfügung.

 

 Städtische Überwärmung und innerstädtische Luftbewegungen

 

Die anthropogene Wärmeproduktion, das verringerte Reflexionsvermögen vieler künstlicher Oberflächen und vor allem die Erhöhung der fühlbaren Wärmeströme führen dazu, dass Städte Wärmeinseln für ihr Umland darstellen. Die zwischen bebauten Gebieten und deren nicht oberflächenversiegelter Umgebung auftretenden Temperaturdifferenzen variieren in weiten Grenzen. In der Regel steigt die Temperaturdifferenz mit zunehmender Einwohnerzahl. Sehr kompakte Baumassen können jedoch schon in kleinen Städten oder Stadtteilen beträchtliche Überhitzungen verursachen. Als Beispiel seien Trabantenstädte genannt, die mit ihren Betonhochhäusern viel Wärme speichern.

 

Die Wärmeinsel Stadt ist je nach Bebauungsdichte, Grünflächenanteil, Baumaterialien und Farbgebung wiederum aufgeteilt in ein Mosaik wärmerer und kühlerer Bereiche. Die Temperatur nimmt also nicht vom Stadtrand zum Zentrum hin kontinuierlich zu, sie wechselt vielmehr ständig. Die Temperaturdifferenz zwischen Stadt und Umland erreicht meist erst nachts ihr Maximum, weil dann die in den Baumaterialien tagsüber gespeicherte Wärme an die Umgebung abgegeben wird. Vormittags ist der Temperaturunterschied hingegen am geringsten, da sich die Baumaterialien langsamer erwärmen als das Umland.

 

Die hohe Bebauungsdichte der Stadt verändert nicht nur den Wärmehaushalt, sondern auch die Luftbewegungen. Die Gebäude stellen sehr wirksame Hindernisse für den Wind dar, sodass ein Teil des Winds von den Gebäuden in die Höhe und zur Seite abgelenkt wird. Die Windenergie wird teilweise auch durch den erhöhten Reibungswiderstand an den Häusern in Wärme umgewandelt. Die Windgeschwindigkeiten sind in der Stadt im Durchschnitt um etwa 25 Prozent gegenüber dem Umland vermindert. Am deutlichsten nimmt die Windgeschwindigkeit zwischen den Häusern in Bodennähe ab. Dies ist vielfach die Ursache für die schlechte Belüftung der Städte, die mit negativen Folgen für die Bewohner verbunden ist. Erst in beträchtlicher Höhe über dem Dächerniveau stellt sich wieder die im Freiland herrschende Windgeschwindigkeit ein.

 

 Innerstädtische Grün- und Wasserflächen

 

Freiflächen in Innenstadtgebieten können in vielfältiger Weise zu einer Verbesserung der stadtklimatischen Situation beitragen. Dies gilt insbesondere für Städte in südlichen Regionen. Die positive Wirkung von Grünanlagen auf das Klima und die Luftqualität in Städten wird durch deren Größe, Aufbau und Zusammensetzung bestimmt. Besonders hohe bioklimatische Effekte gehen auf das Vorhandensein von Sträuchern und Schatten spendenden Bäumen zurück. Diese bewirken eine Zunahme des latenten auf Kosten des fühlbaren Wärmestroms. Hierdurch und aufgrund der Schatten spendenden Eigenschaften stellt sich eine niedrigere Lufttemperatur gegenüber der Umgebung ein. Ferner bewirken die durch den Kronenraum der Bäume strömenden Luftmassen eine effektive Filterung der Luft. Auch zeichnen sich Grünflächen durch eine höhere relative Luftfeuchtigkeit gegenüber versiegelten Flächen aus.

 

Da Grünflächen aus den genannten Gründen insbesondere bei Wetterlagen, die im Wesentlichen durch Strahlungsvorgänge geprägt sind, niedrigere Lufttemperaturen aufweisen als ihre bebaute Umgebung, können lokale Ausgleichszirkulationen zwischen Freifläche und bebautem Gebiet entstehen. Die Stärke dieses Effekts hängt jedoch von der Größe der Grünflächen und der Art der sie umgebenden Bebauung ab, wobei sich die größten Effekte an der windabgewandten Seite von Grünflächen beobachten lassen. Neben der klimatischen Bedeutung der Grünflächen sei hier auch deren Bedeutung als Erholungsraum erwähnt. Diese Funktion kann zur Reduzierung des Tages- und Wochenendreiseverkehrs führen, wenn entsprechende wohnungsnahe Angebote vorhanden sind.

 

Bezogen auf die Gesamtfläche führt die urbane Nutzung und die damit verbundene Versiegelung zu einer Verringerung der Grundwasserneubildung und der Verdunstung sowie zu einer Erhöhung des Oberflächenabflusses. Kleinräumig sind allerdings beträchtliche Unterschiede bei den einzelnen Beiträgen zum Wasserhaushalt der Städte möglich. So wird die Neubildung von Grundwasser auf bebauten Flächen und bei wasserundurchlässigen Oberflächen vollständig unterbunden. Im Extremfall werden Gewässerabschnitte städtischer Ökosysteme in niederschlagsarmen Perioden trocken, eine Erscheinung, die sonst nur in semiariden oder ariden Gebieten zu beobachten ist. Des Weiteren wird Regenwasser schnell von Straßen und Gebäuden weg- und über Kanäle abgeleitet, um Überflutungen zu vermeiden; das Wasser fließt nicht mehr durch den Boden dem natürlichen Vorfluter zu. Damit verliert aber der Boden wichtige Funktionen bei der Regulierung des Wasserhaushalts. Die Folgen sind eine Zunahme des Hochwasserabflusses und Grundwasserabsenkungen aufgrund der geringeren Grundwasserneubildung.

 

 Die Bedeutung des Grundwassers

 

Aber nicht nur die verringerte Versickerungs- oder die erhöhte Abflussrate in Städten beeinflussen das Grundwasser. So wird beispielsweise der Grundwasserspiegel auch durch Tiefbaumaßnahmen abgesenkt, denn der Grundwasserspiegel muss während der gesamten Bauzeit unterhalb der Bausohle gehalten werden. Dies wirkt sich zum einen auf die Pflanzenwelt aus, zum andern aber auch auf Straßen und Gebäude. Der austrocknende Boden kann nämlich nachsacken und dadurch Risse verursachen. Mit neueren Techniken lassen sich diese Grundwasserabsenkungen während der Bauphase jedoch vielfach vermeiden.

 

Um Trinkwasser in hoher Qualität zu erhalten, entnimmt man Grundwasser meist in der Umgebung und nicht in der Stadt selbst. Als Folge davon kann auch in Wassergewinnungsgebieten, trotz vergleichsweise ungehinderter Versickerung außerhalb der Großstädte, der Grundwasserspiegel rapide sinken. Im Hessischen Ried kam es beispielsweise in den letzten 15 bis 20 Jahren zu einer Absenkung um 7 bis 8 Meter. Die Grundwasserentnahmen führen zu großräumigen Veränderungen im Wassergewinnungsgebiet, die nicht durch technische Kunstgriffe kompensierbar sind. Abhilfe können nur effektive Wassergewinnung und rigorose Sparmaßnahmen beim Trinkwasserverbrauch schaffen.

 

Die Wasserversorgung in Städten wird jedoch nicht allein durch Grundwasserabsenkungen beeinträchtigt, sondern auch durch die Schadstoffbelastung von Grund- und Oberflächenwasser. Städte werden aus den verschiedensten Quellen mit Schadstoffen verunreinigt, die unter anderem mit dem Niederschlag ins Grund- und Oberflächenwasser gelangen. Folgende Quellen kommen für die Schadstoffeinträge infrage:

 

— Straßenverkehr (Abrieb von Reifen, Bremsen und Straßenbelägen, Auspuffgase, Ölverluste sowie Streumaterial);

 

—Korrosion an Bauten und chemisches Injektionsmaterial für Dichtungswände;

 

—starker Einsatz von Dünge- und Pflanzenschutzmitteln in Hausgärten;

 

—unsachgemäßer Umgang und Unfälle mit wassergefährdenden Stoffen;

 

—unsachgemäße Lagerung von Abfällen, insbesondere von Sondermüll auf Deponien, die teilweise keine Abdichtung an der Deponiebasis haben;

 

—undichte Kanalisation und Haarrisse in Gas- und Fernwärmeleitungen.

 

Einträge, die nicht durch Selbstreinigungs- und Filterwirkungen des Bodens abgebaut werden können, wie zum Beispiel Schwermetalle und halogenierte Kohlenwasserstoffe, führen zu nicht mehr umkehrbaren Beeinträchtigungen der Grundwasserqualität. Eine Verringerung der Schadstoffbelastung kann nur an den Quellen selbst ansetzen.

 

Prof. Dr. Hans-Dieter Haas

 

Weiterführende Erläuterungen finden Sie auch unter:

 

Straßenverkehr: Ökologische Aspekte

 

Grundlegende Informationen finden Sie unter:

 

Landschaftszerstörung durch Zersiedlung

 

Literatur:

 

Bossel, Hartmut: Umweltwissen. Daten, Fakten, Zusammenhänge. Berlin u. a. ²1994.

 

Öko-Lexikon. Stichworte und Zusammenhänge, herausgegeben von Hartwig Walletschek u. a. München ⁵1994.

 Olsson, Michael / Piekenbrock, Dirk: Gabler-Kompakt-Lexikon Umwelt- und Wirtschaftspolitik. Wiesbaden ³1998.

 

Umweltdaten Deutschland 1995, herausgegeben vom Umweltbundesamt u. a. Berlin u. a. 1995.