Wer an einem heißen Sommerabend durch eine Großstadt läuft, kennt den Effekt: Während es außerhalb dicht bebauter Gebiete bereits merklich kühler wird, geben Straßen, Fassaden und Plätze noch lange Wärme ab.
Das Phänomen der städtischen Wärmeinsel ist seit Jahrzehnten bekannt. Doch ein Teil des Problems liegt dort, wo ihn Passanten nicht sehen können – unter ihren Füßen.
Böden unter dicht bebauten Stadtgebieten können sich über lange Zeiträume erwärmen. Keller, Tiefgaragen, U-Bahn-Tunnel, Fernwärmeleitungen und andere unterirdische Infrastrukturen geben Energie an ihre Umgebung ab. Gleichzeitig verändert die dichte Bebauung den natürlichen Wärmehaushalt des Bodens.
Für die Wissenschaft eröffnet sich damit ein Forschungsgebiet, das Klimaforschung, Geologie, Stadtplanung und Energietechnik miteinander verbindet.
Eine zweite Wärmeinsel unter der Stadt
Bei städtischer Hitze denken die meisten Menschen zunächst an dunklen Asphalt und Betonflächen, die sich während des Tages in der Sonne aufheizen.
Unterirdisch läuft der Prozess wesentlich langsamer ab.
Der Boden reagiert träger auf Temperaturänderungen als die Luft. Wärme kann gespeichert werden und sich über längere Zeiträume im Untergrund ausbreiten. In dicht bebauten Gebieten entsteht dadurch eine Art unterirdisches Wärmegedächtnis.
Besonders interessant ist für Forscher, dass diese Entwicklung nicht ausschließlich von hohen Außentemperaturen verursacht wird.
Auch Gebäude selbst produzieren Wärme.
Beheizte Keller, technische Anlagen, unterirdische Verkehrssysteme und Leitungsnetze können kontinuierlich Energie an den umliegenden Boden abgeben.
Was Temperaturmessungen im Boden verraten
Um solche Veränderungen zu verstehen, reichen klassische Wetterstationen nicht aus.
Forscher benötigen Messpunkte unter der Erdoberfläche. Temperaturfühler können beispielsweise in Bohrlöchern installiert werden und erfassen, wie sich unterschiedliche Bodenschichten über Monate oder Jahre verändern.
Die Daten ermöglichen eine Art thermisches Profil des Untergrunds.
Dabei interessiert Wissenschaftler nicht nur die aktuelle Temperatur. Entscheidend ist auch, wie schnell Wärme in größere Tiefen gelangt und wie lange sie dort gespeichert bleibt.
Aus vielen einzelnen Messungen können anschließend dreidimensionale Modelle entstehen, die zeigen, wie sich Wärme unter einem Stadtgebiet verteilt.
Gebäude verändern den Boden stärker als gedacht
Eine Stadt besteht unterhalb der Straßen keineswegs nur aus Erde.
Fundamente reichen teilweise tief in den Boden. Dazu kommen Tunnel, Kanalisation, Kabel, Wasserleitungen, Tiefgaragen und technische Schächte.
Diese Infrastruktur verändert die natürlichen Bedingungen erheblich.
Grundwasser kann anders fließen, verschiedene Materialien leiten Wärme unterschiedlich gut und große unterirdische Bauwerke können selbst als Wärmequellen wirken.
Für Stadtplaner ist dieses Wissen relevant, weil der Untergrund zunehmend intensiver genutzt wird.
Je dichter Städte werden, desto größer wird auch der Wettbewerb um den Raum unterhalb der Oberfläche.
Grundwasser spielt eine entscheidende Rolle
Besonders komplex wird die Situation dort, wo Grundwasser vorhanden ist.
Fließendes Grundwasser kann Wärme transportieren. Dadurch bleibt sie nicht zwangsläufig dort, wo sie ursprünglich entstanden ist.
Eine lokale Wärmequelle kann deshalb theoretisch auch die Temperaturen in einem größeren unterirdischen Gebiet beeinflussen.
Für Wissenschaftler bedeutet das: Geologie, Wasserbewegung und Bebauung müssen gemeinsam betrachtet werden.
Zwei Stadtviertel mit ähnlich dichter Bebauung können sich unterirdisch vollkommen unterschiedlich verhalten, wenn ihre geologischen Voraussetzungen verschieden sind.
Aus einem Problem könnte eine Energiequelle werden
Die gespeicherte Wärme wirft eine spannende Frage auf: Kann man sie nutzen?
Prinzipiell lässt sich Wärme aus dem Untergrund mithilfe von Wärmepumpen auf ein höheres Temperaturniveau bringen und beispielsweise für Gebäude verwenden.
Damit bekommt die Forschung eine zweite Dimension.
Die unterirdische Erwärmung wird nicht nur als Folge menschlicher Aktivität untersucht, sondern möglicherweise auch als bislang wenig genutztes Energiepotenzial.
Das bedeutet allerdings nicht, dass sich die Wärme unter jeder Stadt automatisch wirtschaftlich nutzen lässt. Temperatur, Bodenbeschaffenheit, Grundwasser, Energiebedarf und technische Infrastruktur unterscheiden sich erheblich.
Auch U-Bahn-Systeme werden zum Forschungsobjekt
Unterirdische Bahnhöfe gehören zu den auffälligsten künstlichen Wärmequellen einer Großstadt.
Züge, Bremsvorgänge, elektrische Anlagen und die große Zahl an Fahrgästen erzeugen Wärme. In tief gelegenen Anlagen kann diese Energie nur begrenzt entweichen.
Ingenieure untersuchen deshalb zunehmend, wie überschüssige Wärme aus Verkehrsinfrastruktur abgeführt oder anderweitig genutzt werden könnte.
Damit verändert sich auch die Vorstellung davon, was Infrastruktur eigentlich ist.
Ein Tunnel transportiert dann nicht ausschließlich Menschen. Er wird gleichzeitig Teil des thermischen Systems einer Stadt.
Warum das Thema mit heißeren Sommern wichtiger wird
Die Temperatur einer Stadt entsteht aus vielen miteinander verbundenen Faktoren.
Vegetation, Bebauungsdichte, Wasserflächen, Wind, verwendete Baumaterialien und Verkehr beeinflussen das Klima oberhalb der Erde. Der Untergrund ergänzt dieses System um eine Komponente, deren Veränderungen deutlich langsamer ablaufen.
Gerade diese Trägheit macht ihn wissenschaftlich interessant.
Während sich die Lufttemperatur innerhalb weniger Stunden verändern kann, reagieren tiefere Bodenschichten über wesentlich längere Zeiträume.
Was eine Stadt heute baut, kann deshalb ihren unterirdischen Wärmehaushalt noch lange beeinflussen.
Stadtplanung bekommt eine dritte Dimension
Moderne Klimaanpassung konzentriert sich häufig auf sichtbare Maßnahmen: mehr Bäume, entsiegelte Flächen, begrünte Dächer oder zusätzliche Wasserflächen.
Die Forschung am urbanen Untergrund zeigt jedoch, dass nachhaltige Stadtplanung möglicherweise tiefer denken muss.
Wo entstehen unterirdische Wärmequellen? Wie beeinflussen neue Tunnel oder Tiefgaragen das Grundwasser? Wo könnte gespeicherte Wärme genutzt werden? Und welche Bereiche sollten thermisch möglichst wenig verändert werden?
Solche Fragen könnten bei der Planung zukünftiger Stadtviertel eine größere Rolle spielen.
Der Boden als wissenschaftliches Archiv
Besonders faszinierend ist, dass der Untergrund gewissermaßen die Entwicklung einer Stadt dokumentieren kann.
Über Jahrzehnte eingebrachte Wärme verschwindet nicht unmittelbar. Temperaturprofile können deshalb Hinweise darauf geben, wie stark menschliche Aktivitäten bestimmte Bereiche beeinflusst haben.
Damit wird der Boden zu einer Art langsamem Archiv der Urbanisierung.
Während Gebäude abgerissen, Straßen erneuert und Stadtviertel umgebaut werden, können ihre thermischen Spuren deutlich länger bestehen bleiben.
Fazit
Unter der sichtbaren Stadt existiert eine zweite Landschaft aus Fundamenten, Tunneln, Grundwasser, Leitungen und verschiedenen Bodenschichten. Und diese Landschaft besitzt ihren eigenen Wärmehaushalt.
Für Wissenschaftler wird der urbane Untergrund deshalb zunehmend interessant. Er kann helfen, besser zu verstehen, wie Städte auf langfristige Erwärmung reagieren – und gleichzeitig neue Möglichkeiten für eine effizientere Nutzung vorhandener Energie eröffnen.
Die vielleicht spannendste Erkenntnis dabei ist überraschend einfach: Um das Klima unserer Städte besser zu verstehen, reicht der Blick auf Dächer und Straßen nicht mehr aus. Manchmal muss die Forschung nach unten schauen.