Auf Satellitenfotos stechen die Gewächshäuser entlang der Südostküste Spaniens deutlich hervor, so hell strahlen sie. Seit den 1970er Jahren erweitern die Bauern in der Provinz Almería ihre Infrastruktur aus Treibhäusern stetig und bauen darin unter anderem Tomaten, Paprika und Wassermelonen für den Export an. Um die Pflanzen im Sommer vor Überhitzung zu schützen, malen sie die Dächer mit weißem Kalk an – so wird das Sonnenlicht besser reflektiert. Durch diese Maßnahme werden allerdings nicht nur die Nutzpflanzen gekühlt. Im Lauf der vergangenen 30 Jahren erwärmte sich die umgebende Region um ein Grad Celsius, während die durchschnittliche Lufttemperatur nahe den Gewächshäusern um 0,7 Grad Celsius absank.

Diesen Effekt würden Städte rund um den Erdball gerne nachahmen. Denn wenn sich das Klima in den kommenden Jahrzehnten wandelt, dürfte die globale Erwärmung die Metropolregionen besonders hart treffen: Gebäude und asphaltierte Flächen absorbieren das Sonnenlicht, heizen sich auf und erhöhen so die örtlichen Temperaturen – ein als "städtische Wärmeinsel" bekanntes Phänomen. Deshalb steigt die Wahrscheinlichkeit für extreme Hitzeperioden in Städten, die durchaus lebensbedrohlich sein können. "Hitzebedingte Sterbefälle überstiegen in den Vereinigten Staaten – in den letzten 30 Jahren – alle anderen Todesursachen durch extreme Wetterereignisse", berichtet Kim Knowlton, Gesundheitswissenschaftler an der Columbia University in New York. "Dieses Problem verschwindet nicht mehr."

Einige Städte bemühen sich bereits, diese heiße Zukunft abzuwenden: Sie pflanzen beispielsweise Bäume und legen Parks an. Das Hauptaugenmerk liegt jedoch auf den Dächern – riesigen ungenutzten Flächen, die das Sonnenlicht schlucken und sich aufheizen. Seit 2009 ist Toronto die erste Stadt in Nordamerika, die Richtlinien für Gründächer erließ. Demnach müssen neue Gebäude ab einer bestimmten Größe begrünt sein, damit die Pflanzen das Regenwasser speichern und die Temperaturen in der Stadt absenken können, so die Hoffnung. In Kalifornien verfügte Los Angeles 2014, dass neue und renovierte Wohnhäuser so genannte "cool roofs", also "kühle Dächer", aus hellen Materialien haben sollen, die das Sonnenlicht reflektieren. Und in Frankreich müssen die Dächer von Neubauten in Gewerbegebieten gemäß einem im März 2015 verabschiedeten Gesetz teilweise mit Pflanzen oder Solarmodulen bedeckt sein.

Doch vor lauter Tatendrang lassen die Städte oft die Wissenschaft hinter sich. Denn obwohl stark reflektierende oder begrünte Dächer die Temperaturen am oberen Ende der Gebäude absenken können, bringen sie nicht unbedingt auch Vorteile auf Straßenniveau. Möglicherweise führen sie sogar zu unerwünschten Effekten, vermindern mancherorts etwa die Regenmenge. "Man nahm einfach an, die Forschergemeinde sei zu einem abschließenden Ergebnis gelangt und es gebe eine Patentlösung", erläutert Matei Georgescu von der Arizona State University in Tempe. "Aber das ist nicht der Fall", so der Nachhaltigkeitswissenschaftler.

Darüber hinaus ist unklar, ob sich die gegenwärtigen Programme überhaupt messbar auf die Temperatur – und die Gesundheit der Bürger – auswirken werden und ob die Städte ihre Bemühungen genügend ausweiten, um tatsächlich Ergebnisse zu erzielen. "Wenn man begrünte Dächer nur auf dem Rathaus und auf Schulen realisiert, bringt das so gut wie gar nichts", weiß Städteforscher Brian Stein Jr. vom Georgia Institute of Technology in Atlanta.

Heiße Zeiten in der Stadt

Im August 2003 erfasste Westeuropa zehn Tage lang eine Hitzewelle, die alle Rekorde der vergangenen fünf Jahrhunderte brach. Die Tagestemperaturen schossen in Paris bis auf 40 Grad Celsius, und auch die Nächte blieben unerträglich heiß. Bis Ende August war die Zahl der Todesopfer durch Dehydrierung, Hyperthermie, Hitzschlag und Atemprobleme in ganz Europa auf mehr als 70 000 gestiegen, wobei insbesondere die Stadtgebiete um Paris und Moskau viele Opfer zu beklagen hatten.

Dies ist nur ein Vorgeschmack auf die bevorstehenden Verhältnisse. Laut regionalen Klimamodellen könnten bis 2050 einwöchige Hitzeperioden – ähnlich wie im August 2003 oder im Sommer 2015 – einmal pro Jahrzehnt in Osteuropa und alle 15 Jahre in Westeuropa auftreten. Auf der gesamten Welt dürfte die Anzahl, Dauer und Häufigkeit von Hitzewellen zunehmen, so die Prognose. "Dies ist eines der wenigen Extremereignisse, bei dem alle Modelle miteinander übereinstimmen", sagt Klimaforscher Dan Li von der Princeton University in New Jersey.

Sobald die Temperaturen steigen, leiden Städte auf Grund ihrer Bauweise überproportional darunter: Dunkle Dächer, Straßen und andere Konstruktionen absorbieren die eintreffende kurzwellige Sonnenstrahlung und geben die aufgenommene Energie in Form langwelligerer Wärmestrahlung wieder ab, wodurch sich die umgebende Luft aufheizt. Klimaanlagen verstärken das Problem, indem sie zwar das Innere von Gebäuden und Fahrzeugen kühlen, doch dabei warme Luft nach außen abführen und die Temperaturen in der Stadt so weiter erhöhen.

Zudem breiten sich die Wärmeinseln weiter aus: Bis 2050 wird sich die Stadtfläche in den USA voraussichtlich um ein Drittel ausdehnen. Gleichzeitig wächst die Weltbevölkerung bis dahin laut Prognosen auf 9,6 Milliarden Menschen, wobei zwei Drittel in städtischen Gebieten leben werden – heute ist es nur gut die Hälfte. Durch diese Entwicklungen speichern die Städte künftig noch mehr Wärmeenergie, und immer mehr Menschen werden von extremer Hitze betroffen sein. Trotz dieser Gefahr haben nur wenige Metropolen derzeit konkrete Pläne, wie sie das Problem der Wärmeinseln angehen wollen. In den Vereinigten Staaten, so Stone, "ignorieren die meisten Ballungsgebiete das Klimathema".

Los Angeles gehört nicht dazu. Seit 1878 stieg die Jahresdurchschnittstemperatur in der Stadt um mehr als zwei Grad Celsius. Bis zur Mitte des Jahrhunderts könnte der Innenstadtbereich alljährlich mit 22 Tagen extremer Hitze (mit Temperaturen über 35 Grad Celsius) konfrontiert sein, das entspricht fast dem Vierfachen des Langzeitdurchschnitts. Um der Erwärmung entgegenzuwirken, will die Stadt bis 2017 10 000 dunkel gefärbte Dächer in "cool roofs" umwandeln und zudem vermehrt auf Straßenbepflanzungen und reflektierende Bodenbeläge setzen. Bis 2035 hofft man mit diesen Ansätzen den Effekt der städtischen Wärmeinseln um 1,65 Grad Celsius abzumildern.

Auch Chicago nimmt auf diesem Gebiet eine führende Rolle ein: Während einer fünftägigen Hitzewelle im Jahr 1995 kamen dort 700 Menschen zusätzlich ums Leben – diese Tragödie soll sich nicht noch einmal wiederholen. Und so bemüht man sich seither um begrünte oder stark reflektierende Dächer sowie Straßenbepflanzungen – und gestaltete asphaltierte Spielplätze in Rasenflächen um. Nicht zuletzt dank finanzieller Anreize verfügen mittlerweile mehr als 509 Gebäude in der Stadt über begrünte Dächer, mit einer Gesamtfläche von mehr als 516 000 Quadratmetern.

Toronto holt derweil schnell auf. In der kanadischen Stadt müssen Neubauten mit mehr als sechs Stockwerken und mehr als 2000 Quadratmetern Dachfläche 20 bis 60 Prozent davon mit Pflanzen bedecken. Seit 2010 entstanden durch diese Vorgabe 260 begrünte Dächer auf insgesamt 196 000 Quadratmetern. Manche der klimafreundlichen Dachtypen sind preislich vergleichbar mit herkömmlichen Dächern. Das Anlegen eines Gründachs ist dagegen teurer, und auch die Instandhaltungskosten fallen höher aus. Dafür bieten begrünte Dächer andere Vorteile, indem sie etwa den Abfluss von Regenwasser verlangsamen, Lebensraum für bestäubende Insekten bieten und die Städte einfach schöner machen.

Das richtige Dachgrün muss es sein

Auf dem Dach der Architekturfakultät der University of Toronto sausen Hummeln von einer gelben Blüte zur nächsten. Das Gebäude liegt mitten im Stadtzentrum und beherbergt einen Flickenteppich aus 33 rechteckigen Hochbeeten, in denen neben heimischen Gräsern und Blumen auch exotische Gewächse namens Fetthennen mit wachsartigen, Wasser speichernden Blättern gedeihen. In jedem Beet findet sich eine andere Kombination aus Pflanzen, Erde und Bewässerungstechnik, überwacht von 270 Sensoren, die Luft- und Bodentemperatur, Bodenfeuchte und Regenwasserabfluss erfassen. Der Dachgarten ist Teil des Green Roof Innovation Technology Laboratory (GRIT Lab) – der einzigen Einrichtung dieser Art in Kanada –, das den Nutzen von Gründächern und anderen Maßnahmen im Kampf gegen den Klimawandel unter die Lupe nimmt.

Begrünte Dächer reflektieren mehr Sonnenlicht als herkömmliche Teer- oder Kiesdächer, doch die Feuchtigkeit in Pflanzen und Boden sorgt für einen Kühleffekt: Wasser aus Blättern und Erde verdampft und gibt die Wärme auf diese Weise an die Atmosphäre ab, wodurch die Temperatur der umgebenden Luft sinkt. Nach demselben Prinzip kühlen auch Sportler ihren Körper ab, wenn ihr Schweiß verdunstet. An einem heißen Sommertag kann ein Gründach durch diesen Effekt um bis zu 40 Grad Celsius kälter sein als ein schwarzes. Begrünte Dächer wirken zudem wie eine Isolierschicht für das Haus und senken so die mit der Klimatisierung verbundenen Energiekosten.

Das kühlste Testbeet auf dem Gründach des GRIT Lab wird bewässert, enthält organische Erde und ist mit Fetthennen bepflanzt, die eine dicke Matte bilden und bereits über den Beetrand hinauswuchern. Das Nachbarbeet ist dagegen mit einem porösen Gesteinsmaterial ausgekleidet, das auf vielen Gründächern zum Einsatz kommt. Die darin wachsenden Wiesengräser bekommen kein zusätzliches Wasser und gedeihen sehr ungleichmäßig. Über dem Fetthennenbeet liegt die Temperatur vier Grad unter der Lufttemperatur, berichtet Liat Margolis, während das spärlich bepflanzte Grasbeet bis zu 14 Grad Celsius wärmer sein kann. "Man könnte also genauso gut darauf verzichten auf seinem Dach", so die Direktorin des GRIT Lab. Experimente wie diese zeigen, fügt Margolis hinzu, wie schwierig sich die richtige Kombination aus Substrat, Pflanzenbewuchs und Bewässerung finden und so die Temperatur auf einem Dach beeinflussen lässt.

Und selbst mit den besten Gründächern bleibt unklar, inwieweit sich dieser Ansatz auf die Temperatur einer ganzen Stadt auswirkt. Nur wenige Simulationen haben den Einfluss begrünter Dächer in diesem Maßstab abgeschätzt. Ein zehn Jahre altes Gutachten für Toronto legt beispielsweise nahe, dass sich die Außenlufttemperatur um 0,5 bis 2 Grad Celsius absenken ließe, wenn man die insgesamt 50 Quadratkilometer an verfügbaren Dachflächen begrünen würde. Seitdem die Verordnung in Kraft trat, wurden allerdings weniger als 0,5 Prozent der vorhandenen Areale in Gründächer umgewandelt. In der Baltimore-Washington-Metropolregion könnte die maximale Tagestemperatur während einer dreitägigen Hitzewelle laut einer 2014 veröffentlichten Studie um 0,5 Grad Celsius gesenkt werden, wenn 90 Prozent der Dächer bepflanzt würden.

Sobald die Sonne allerdings untergeht, verdunstet weniger Wasser, und dementsprechend kühlen die Gründächer längst nicht mehr so gut – bei Hitzewellen wird die Nacht so zu einer unerträglichen Zeit. Zudem setzen Dachbepflanzungen die tagsüber gespeicherte Wärme nach Sonnenuntergang wieder frei. "Damit lassen sich zwar am Tag die Temperaturen absenken, aber in der Nacht könnten sie sich sogar erhöhen", schildert David Sailor, Stadtklimaforscher an der Portland State University in Oregon.

Ob begrünte Dächer, die sich ja in luftiger Höhe befinden, den Menschen unten auf der Straße Abkühlung verschaffen, ist ebenfalls unklar. Wissenschaftler simulierten einen Tag während der Hitzewelle in Europa 2003 und kamen zu einem ernüchternden Ergebnis: Eine Bepflanzung von 25 Prozent der Dachfläche entlang einer Straße im Zentrum von Arnheim in den Niederlanden hätte demnach keinen Einfluss auf die Temperaturen auf Straßenniveau – denn der Wind blies die kühlere Luft fort, bevor diese den Boden erreichen konnte. Auch die Evaluation von bepflanzten Dächern in Chicago stellt deren Vorteile in Frage. Forscher untersuchten anhand von Satellitenbildern aus den Jahren 1995 und 2009 die Oberflächentemperaturen an solchen Plätzen in der Stadt, wo man dunkle Dächer und Flächen entweder begrünt oder durch helle Beläge ersetzt hatte: Im Gegensatz zu stark reflektierenden Dächern veränderten Gründächer die Temperaturen nicht wesentlich, so das Resultat. "Cool roofs" erhöhten das Reflexionsvermögen oder die Albedo der Stadt um 1,6 Prozent – das entspricht der Kühlleistung von 65 000 fenstergroßen Klimaanlagen, die den gesamten Sommer über mit voller Auslastung laufen. Das Pflanzen von Bäumen und Umwandeln von asphaltierten Flächen in Rasenflächen erwies sich ebenfalls als wirksamer verglichen mit Gründächern.

Kehrseite der Medaille

In Almería ist der Effekt sogar noch größer. Nachdem die Landwirte die Gewächshausoberflächen im Sommer mit Löschkalk weißten, werfen diese 35 Prozent des einfallenden Sonnenlichts zurück. Die nahe gelegenen Weideflächen reflektieren dagegen nur 15 Prozent, ebenso wie die meisten Städte. Hellere Straßen und Dächer könnten Städte tatsächlich erheblich abkühlen, wie Simulationen zeigen. Verdoppelte man etwa das Reflexionsvermögen der Dächer von Los Angeles, das im Schnitt bei 17 Prozent liegt, ließen sich die Temperaturen in einigen Gegenden um 0,5 Grad Celsius und in anderen sogar um bis zu zwei Grad Celsius reduzieren, berichtet Haider Taha als Vorstandsvorsitzender des Meteorologieunternehmens Altostratus im kalifornischen Martinez. "Ein Grad Celsius ist nicht zu viel verlangt – und laut den Modellen ist das durchaus machbar", so der Wissenschaftler.

Je nach Lage haben stark reflektierende Dächer aber möglicherweise auch einige nachteilige Folgen. Erhöht man die Albedo zu stark, schwächt das möglicherweise den Meereswind ab, vermindert die Luftqualität oder wärmt in Windrichtung liegende Regionen auf, erläutert Taha. "Jede Stadt hat einen bestimmten Schwellenwert, und wenn man den überschreitet, kippt die Situation." "Cool roofs" könnten zudem die Regenmenge verringern. Denn in vielen Regionen erwärmt sich tagsüber der Boden, wodurch feuchte Luft aufsteigt und so die Wolkenbildung antreibt und schließlich für Niederschläge sorgt. "Wenn das ausbleibt, dann haben wir keine Niederschläge mehr", kommentiert Georgescu. Würde man die "kühlen Dächer" in Stadtgebieten von Florida bis in den Nordosten der USA großflächig umsetzen, fand der Wissenschaftler in einer Studie heraus, könnte der mittlere Tagesniederschlag im Sommer bis 2100 um zwei bis vier Millimeter sinken.

Trotz dieser Unsicherheiten, so die Ansicht vieler Forscher, würden Metropolen die verschiedenen Kühlkonzepte nicht rasch genug verfolgen – in Anbetracht des schnell fortschreitenden Klimawandels sowie Städtewachstums. Andere halten dagegen, dass sowohl Gründächer als auch stark reflektierende Bedeckungen in einigen Situationen bereits Linderung gebracht haben und eine sorgfältige Planung deren Effizienz sogar verbessern könne. Und laut Stuart Gaffin von der Columbia University in New York solle man Studien, die unerwünschte Nebeneffekte wie eine verminderte Wolkenbedeckung und weniger Regen vorhersagen, nicht überbewerten. Denn zum einen gehören Wolken zu den komplexesten Dingen, die man modellieren kann, und zum anderen erhöhen Städte bereits die Niederschlagsmenge, so der Klimawissenschaftler, indem sie Feinstaub in die Luft blasen.

Ungeachtet all der hitzebedingten Gefahren, mit denen Städte künftig konfrontiert sein dürften, haben nur wenige von ihnen Strategien zur Eindämmung des Problems vorgestellt. Louisville in Kentucky ist eine solche Ausnahme: Als erste Großstadt in den USA wird die Stadt ein Konzept zur Anpassung an die steigenden Temperaturen entwickeln, sagt Stone, der das Projekt leitet. Das Engagement wird durch die Not getrieben. Die urbane Wärmeinsel in Louisville erwärmt sich schneller als alle anderen in den Vereinigten Staaten: Seit 1961 stiegen die Temperaturen um mehr als vier Grad Celsius. Dass die Stadt jährlich rund 54 000 Bäume durch Insekten, Schneestürme und mangelnde Pflege verlor, ist sicherlich ein Teil des Problems.

Stone sammelt derzeit die nötigen Basisdaten – diese fehlen den meisten Städten, bevor sie sich um das Problem der steigenden Temperaturen kümmern. Der Forscher erfasst den Baumbestand in und um Louisville, macht besonders betroffene Gebiete ausfindig und identifiziert Bezirke mit schutzbedürftigen Anwohnern. In einem nächsten Schritt soll dann ein genauer Plan erstellt werden, wie sich stark reflektierende sowie begrünte Dächer, Baumpflanzungen und helle Bodenbeläge am besten kombinieren lassen, um die am stärksten gefährdeten Bewohner der Stadt vor Hitze zu schützen. Stone geht in seinen Modellen von realistischen Annahmen aus – etwa davon, dass 100 Gebäude mit Gründächern ausgestattet werden. Gleichzeitig möchte die Stadt die Zahl der Bäume erhöhen.

Sollte Louisville die von Stone empfohlenen Maßnahmen tatsächlich umsetzen, könnte die Stadt zu einem Versuchsfeld werden und zeigen, wie sich ein Wandel des urbanen Erscheinungsbilds auf Wärmeinseln auswirkt. Dieses Pilotprogramm könnte dann den Weg für andere Städte weisen. "Wir überschreiten bereits jetzt kritische Grenzwerte", sagt Stone. "Städte beginnen nun allmählich, über offensivere Maßnahmen nachzudenken. Und sie können die Geschwindigkeit, mit der sie sich im Lauf von ein oder zwei Jahrzehnten erwärmen, messbar verlangsamen." Denn selbst wenn wir schon morgen die Treibhausgasemissionen einstellen, fügt der Forscher hinzu, heize sich die Erde auch in den kommenden Jahrhunderten noch weiter auf.