¿Cómo se observa el calor en los espacios que caminamos?

Resumen

¿Sabías qué uno de los grandes desafíos para la comunidad de investigadores es integrar las mediciones del nivel de afectación que produce el cambio climático y cómo de manera habitual se refleja día con día, en los lugares que recorremos? Por este motivo, te invitamos a descubrir cuándo suceden y cómo se miden estas condiciones. A continuación, te compartiremos cómo se filtra el sol sobre las superficies que caminamos y cómo veríamos la cantidad de luz solar si tuviéramos una visión termográfica, para luego conocer qué sucede con los materiales debido a la cantidad de calor sobre las superficies en las que caminamos. De esta forma, obtendremos juntos una mirada al impacto que tiene el clima sobre nuestro entorno cotidiano.
Palabras clave: materiales, microclima, factor de cielo visible, termografía.

How is heat observed in the spaces we walk on?

Abstract

Did you know that one of the greatest challenges for the research community is integrating measurements of the impacts caused by climate change and understanding how they are reflected in the surfaces we walk on daily? For this reason, we invite you to explore when these conditions arise and how they are measured. Next, we will show you how sunlight interacts with the surfaces we walk on and how the intensity of sunlight would appear if we had thermographic vision. This will help us understand what happens to materials due to the heat levels on these surfaces. Together, we will gain insight into the impact of climate on our everyday environment.
Keywords: materials, microclimate, sky view factor, thermography.

Efectos del calor en las ciudades

El cambio climático (cc) es un fenómeno complejo, esto quiere decir que cuando nos referimos a él no sólo estamos hablando del clima, sino que también ha traído impactos importantes a los sistemas naturales y humanos a nivel mundial. El aumento del nivel del mar, el calentamiento global y los cambios en la capa de hielo son quizá los cambios ambientales más conocidos (Paredes-Chi et al., 2022; Gemitzi et al., 2019).

Y es que un aumento de la temperatura ambiente puede afectar negativamente a la comodidad, es decir, que las personas ya no se sienten bien en el exterior por el calor y, por lo tanto, prefieren quedarse en espacios cerrados con aire acondicionado. Por esta razón las ciudades son fuentes importantes de emisiones antropogénicas de gases de efecto invernadero (gei) y las cifras actuales son las más altas de la historia. Los efectos de la urbanización masiva sobre el medio ambiente ahora se han hecho evidentes y existen grandes oportunidades dentro de estos espacios para abordar el cc.

Uno de esos efectos es la isla de calor urbana, que es un fenómeno en el que las ciudades son, en promedio, más cálidas que las áreas rurales circundantes. Así, al retirar las superficies naturales y utilizar materiales altamente absorbentes de calor —como los pavimentos para construir carreteras, los bloques de los que están hechas las casas y el concreto de las banquetas—, el fenómeno de la isla de calor urbana crece y es responsable de malestar y muertes por incidentes relacionados al calor en las ciudades.

En este artículo te compartimos cómo se observa el calor en los espacios que caminamos, con el objetivo de comprender sobre la absorción del calor dependiendo del material utilizado, la influencia de la vegetación en los espacios y la forma en que estos factores pueden ayudar a que las personas se sientan cómodas o incómodas en los espacios donde vivimos, por su influencia en el microclima. Se describen conceptos y se muestran ejemplos de un caso de estudio evaluado durante la estación de primavera, en la ciudad de Ensenada, Baja California, México, así como una prueba de un material hecho a base de carbonato de calcio obtenido de conchas marinas.

¿Cómo se filtra el sol a las superficies que caminamos?

Para evaluar cómo se filtra el sol a las superficies en las cuales caminamos, se realiza un análisis a partir de lo que se conoce como Sky View Factor (svf), en el cual se aprecia la fracción del cielo visible, visto desde un punto determinado, y su valoración oscila de 0 a 1 unidades. “0” representa que el cielo está totalmente cubierto por obstáculos aparentes, como árboles, edificaciones, techumbres, entre otros elementos constructivos y naturados; mientras que la valoración “1” equivale a cielo abierto o libre (Matzarakis et al., 2018).

Así se filtra el sol en un espacio

Cuando realizamos este tipo de análisis de svf en una calle, para este caso ubicado en Ensenada, Baja California, México, colocamos una cámara fotográfica profesional, con una lente “ojo de pez”, lo que nos permite generar una vista esférica. Luego ajustamos la base de la cámara a una altura entre 1.20 y 1.50 m de acuerdo con Matzarakis (2017), para enseguida, utilizar esa imagen e ingresarla a un programa de modelado micro climático conocido como RayMan. En este software se indica que partes de las fotografías son cielo visible y cuales son obstrucción, es decir, edificios, árboles o cualquier elemento que evite el paso de la radiación solar (Matzarakis, 2017).

Así, del ejercicio anterior, para el caso de Ensenada, obtenemos que el espacio cuenta con un valor de 0.717 de nivel de filtración de los rayos solares, lo cual equivale a una exposición mayormente a cielo abierto, con pocos elementos que puedan generar sombras. Por lo tanto, llegan de forma directa los rayos del sol (ver figura 1).

Figura 1. Análisis de SVF en Ensenada, Baja California. Crédito: procesado con el software, RayMan (Matzarakis et al., 2017).

Observa el calor en este espacio

Las ciudades se caracterizan por estar construidas con materiales poco permeables (que absorben poca agua) y absorbentes de calor. Con esto nos referimos al reemplazo de superficies naturales por superficies grises, como el concreto, asfalto, entre otros materiales. Esta cuestión ha conducido a una serie de problemas relacionados a la isla de calor urbana, ya que estas superficies tienden a almacenar más energía (en forma de calor) ocasionando la elevación de la temperatura, a diferencia de las superficies naturales, que liberan la energía, usualmente en las noches. Para fines del siglo xxi, se pronostica que la temperatura media mundial aumentará hasta 5.5 ºC debido al calentamiento global (Fu et al., 2022), por lo que es conveniente poner atención al proceso de urbanización y su crecimiento.

El calor emitido por los materiales es fácil de observar a través de una cámara termográfica. Esta cámara permite obtener imágenes térmicas de las superficies, sin necesidad de contacto, a partir de las emisiones de radiación infrarroja que emiten los materiales (ver figura 2).

Figura 2. Imágenes térmicas de superficies en fraccionamiento Pedregal Playitas, Ensenada, Baja California, México, construido con materiales como el concreto y piedra en pavimentos y muros. Los colores más oscuros indican menor temperatura y los más claros una mayor. Las imágenes fueron tomadas en primavera, el día 19 de abril del 2023 a las 11:30 horas, un día soleado y despejado de nubosidad, con condiciones de temperatura del aire de 28.8 °C, humedad relativa 35.3% y una velocidad del viento de 1.8 mph. Crédito: autoría propia con cámara FLIR One Pro.

¿Cómo se visualiza el calor en las superficies verdes?

Es necesario buscar otras alternativas de materiales más aislantes, es decir que retarden el mayor tiempo posible la transmisión del calor, con el fin de combatir a la isla de calor urbana. Para ello, los investigadores de distintas disciplinas como la arquitectura o la ingeniería estudian soluciones de diseño para los espacios urbanos (morfología, materiales, tecnologías constructivas, entre otros). La utilización de vegetación ha sido una estrategia muy efectiva y aceptada por las personas en las ciudades.

Es importante cuidar y mantener las áreas verdes en los espacios por sus múltiples beneficios. En la figura 3 se aprecia cómo el sombreado de la vegetación, en este caso un árbol, contribuye a una disminución considerable de la temperatura, lo cual es un punto positivo para que las personas se sientan cómodas, principalmente en temporada de verano. Por el contrario, en la imagen térmica se contempla la forma en la que los pavimentos sin sombreado y en especial el metal de los automóviles emiten una gran cantidad de calor en el espacio. Según Gemitzi et al. (2019), la vegetación terrestre es reconocida como un recolector de CO2 incluso mayor que los océanos. En particular en áreas urbanas ofrece un valioso servicio para generar efectos refrescantes y mejorar el confort térmico, especialmente durante el día.

Figura 3. Imagen térmica de superficies en patio de la Universidad Autónoma de Baja California. Crédito: autoría propia con cámara FLIR One Pro.

¿Qué pasa con los materiales?

Como ya se mencionó en apartados anteriores, las superficies de entornos naturales han sido modificadas con superficies impermeables, lo que ha llevado a temperaturas más altas en las ciudades. Por esta razón es importante mejorar las características de los materiales tradicionales, como el concreto, que es muy utilizado para construir la infraestructura de las ciudades (Hernández-Moreno, 2015).

El uso de carbonato de calcio como agregado en las mezclas de concreto es una gran alternativa dentro de la construcción, debido a su durabilidad. Además, es un excelente aislante térmico y acústico, sin mencionar que es de naturaleza no tóxica y biodegradable. Dadas sus propiedades físicas y químicas, se trata de un material versátil y valioso para la utilización y realización de concretos, yesos, pinturas, adhesivos y otros productos más que se pueden utilizar dentro de la construcción (Mo et al., 2018; Flores-Salazar y Mazza-Callirgos, 2014).

Realicemos una prueba

Las conchas marinas están hechas de un compuesto llamado carbonato de calcio y se sabe que puede utilizarse para hacer concretos con mejores propiedades térmicas que las del tradicional (Villarrial y Córdova, 2021). Con la intención de comprobar estas características, fue elegido un concreto a base de carbonato de calcio, que puede ayudar a aportar significativamente a la disminución de la temperatura durante el verano y así analizar sus posibles efectos en el medio ambiente.

Se realizaron seis probetas con dimensiones de 40 x 40 x 160 mm. Estas probetas fueron hechas con una cubeta de 19 litros y creando una mezcla de arena (50%), cemento Portland CPC 30 R (23%), cal (27%) y agua (37%) (ver figura 4).

Figura 4. Proceso de creación de probetas. Primero se cortan y ensamblan los moldes para verter la mezcla; seguido, se realiza la mezcla para vaciar en el molde; por último, se deja secar para posteriormente desmoldear y obtener las probetas. Crédito: autoría propia.

Para el análisis de las propiedades del concreto a base de carbonato de calcio, en el proceso de elaboración de los moldes, se hicieron dos pequeños agujeros en los extremos de las probetas. Esto para poder colocar sensores de un dispositivo de mano que se usa para medir propiedades térmicas, llamado KD2 Pro (ver figura 5).

Figura 5. Instrumento de medición KD2 Pro y probetas con molde para sensores. Crédito: autoría propia.

Se compararon probetas con la mezcla de carbonato de calcio contra la de cemento convencional. El material se caracterizó térmicamente y las probetas de carbonato de calcio muestran una excelente resistencia al fuego. Al mismo tiempo, su alto grado de transpiración impide filtraciones, por lo que permite el paso del vapor; además, debido a su alcalinidad, evita las humedades y que prolifere el moho en las construcciones. Y, en lo que respecta a la disminución de islas de calor urbanas, las probetas con carbonato de calcio presentan una menor temperatura superficial después de haber sido expuesta al sol por dos horas (ver figura 6).

Figura 6. Comparación de probeta de concreto a base de carbonato de calcio con probeta de concreto convencional. Hay una diferencia significativa de temperatura superficial al exponer ambas probetas durante 2 horas bajo el sol. Crédito: autoría propia.

¿Hacia dónde vamos?

La isla de calor urbana es un fenómeno que trae distintas consecuencias negativas asociadas al uso de los espacios exteriores, puede ser la banqueta que utilizas para llegar a la escuela, el parque cercano a tu casa o el corredor donde te ejercitas. En el presente trabajo se lograron destacar las alteraciones a la temperatura provocadas por distintas características de las ciudades, como los materiales con los que mayormente se construye (concreto).

Los ejemplos antes mostrados consideran relevante cómo impactan los elementos del clima en los entornos que nos encontramos y recorremos todos los días, más allá de lo que podemos observar a simple vista, así como reconocer cómo inciden los rayos solares en los espacios urbanos, observar la condición de temperatura para cada superficie y el nivel de reacción que tiene un material de acuerdo con las condiciones del clima, durante un día habitual.

Es de vital importancia generar herramientas, modelos o materiales que representen un valor significativo para resolver las necesidades que impactan en la comodidad y la calidad de vida de las personas. Basados en las condicionantes que nos rodean es importante observar el entorno para poder mitigar los posibles retos que se nos presentan y los que se presentarán. Te invitamos a formar parte de esta lucha que nos ayudará a lograr un mejor mañana para nosotros y las futuras generaciones.

Referencias

• Fu, J., Dupre, K., Tavares, S., King, D., y Banhalmi-Zakar, Z. (2022). Optimized greenery configuration to mitigate urban heat: A decade systematic review. Frontiers of Architectural Research, 11(3), 466-491. https://doi.org/10.1016/j.foar.2021.12.005
• Gemitzi, A., Banti, M. A., y Lakshmi, V. (2019). Vegetation greening trends in different land use types: natural variability versus human-induced impacts in Greece. Environmental Earth Sciences, 78, 172. https://doi.org/10.1007/s12665-019-8180-9
• Hämmerle, M., Gál, T., Unger, J., y Matzarakis, A. (2014, julio). Different aspects in the quantification of the Sky View Factor in complex environments. Acta Climatologica et Chorologica, 47-48, 53-62. https://tinyurl.com/yvu6jfdy
• Hernández-Moreno, S. (2015, enero-junio). Diseño por durabilidad en las ciudades. Arquiteturarevista, 11(1), 22-30. https://tinyurl.com/b6e6n86u
• Matzarakis, A., Programming, F. R., Rutz, L. F., Chen, Y.-C., Fröhlich, D., y Fröhlich, M. D. (2017). RayMan manual. https://www.urbanclimate.net/rayman/RayManManual.pdf
• Paredes Chi, A. A., Vidal Hernández, L., de Yta Castillo, D., Cuevas Jiménez, A., y Hernández Herrera, I. C. (2022, julio-agosto). ¿Qué podemos hacer para afrontar el cambio climático en la zona costera? Revista Digital Universitaria, 23(4). https://doi.org/10.22201/cuaieed.16076079e.2022.23.4.8
• Villarrial, R. A. M., y Farfan Cordova, M. G. F. (2021). Structural concrete modified with scallop shell lime. Revista Ingeniería de Construcción, 36(3), 380-388. https://ojs.uc.cl/index.php/ric/article/view/56525