Îlot de chaleur urbain

Les terrasses et toitures végétalisées, grâce à leur capacité à temporairement stocker un peu d'eau, et l'évapotranspiration du tapis de plantes, sont un des moyens de limiter et tamponner les pics de chaleur urbaine[10].

Exemple d'adaptation, avec des panneaux photovoltaïques exposés au sud et installés de manière à servir aussi de brise-soleil limitant l'échauffement des bureaux.

Selon l'Observatoire national sur les effets du réchauffement climatique (ONERC), la population urbaine française a plus que doublé de 1936 à 2006. Elle est passée de 22 millions à près de 47 millions d'urbains ; une personne sur deux résidait en ville en 1936 contre plus de trois sur quatre vers 2010[11]. Or, les villes présentent des enjeux particuliers, car « plus vulnérables du fait du grand nombre de personnes qui y vivent et de la concentration des établissements et des infrastructures[11] ». Les bulles de chaleur peuvent affecter la qualité de vie de ces citadins, ainsi que leur santé. L'adaptation au changement climatique, par la végétalisation des sols, murs, toitures et terrasses, et par un urbanisme différent, est un enjeu pour l'urbanisme du XXI^e siècle.

Certaines villes ont été pionnières en matière d'expérimentation dont Chicago (États-Unis), Durban (Afrique du Sud), Keene (États-Unis), Londres (Royaume-Uni), New York (États-Unis), Port Phillip (Australie), Rotterdam (Pays-Bas), Toronto (Canada)[11].

Les villes se réchauffent plus vite que le reste du territoire. Une modélisation et des cartes interactives faites par l'Agence européenne pour l'environnement montrent les villes européennes les plus affectées par les évolutions climatiques, sur la base de données collectées dans environ 500 villes. Outre les vagues de chaleur, des cartes de pollution sonore, de qualité de l’air ou de qualité des eaux de baignade européennes complètent l'outil, ainsi qu'un rapport[12].

Ces « bulles de chaleur » sont induites par le croisement de deux facteurs :

• des activités humaines plus intenses et surtout concentrées dans les villes. Certaines de ces activités sont des sources importantes et chroniques de chaleur comme les usines, moteurs à explosion, moteurs à réaction des avions (tout particulièrement au décollage), chaudières (individuelles ou collectives), systèmes de climatisation[13], eaux chaudes circulant dans les égouts, réseaux de chaleur anciens parfois mal isolés, etc. ;
• une modification de la nature de la surface du sol, l'urbanisation rendant la ville plus absorbante de rayonnement solaire que ne le fait un milieu naturel ou cultivé. Les surfaces noires (goudron, terrasses goudronnées, matériaux foncés, et nombre de bâtiments vitrés) se comportent comme des capteurs solaires ou des serres qui renvoient ensuite cette énergie sous forme de rayonnement infrarouge, lequel réchauffe l'air urbain et, en l'absence de vent, tout l'environnement urbain. La ville a comme effet sur les régimes des vents de diminuer leur vitesse à cause des nombreux obstacles qu'elle crée, ce qui réduit l'action rafraîchissante des vents qui dissipent le cumul de chaleur, évacuent les surchauffes, et favorisent l'évapotranspiration[14].

Ces îlots atténuent fortement les effets du froid en ville, mais posent plusieurs problèmes.

• Aux échelles locales (cours intérieures en particulier) la climatisation électrique peut exacerber le phénomène ; les climatiseurs rafraîchissent l'intérieur du bâtiment, mais en rejetant les calories dans des lieux parfois peu ventilés qu'ils échauffent, ce qui entretient une surchauffe du bâtiment.
• Ils diminuent les rosées, brumes et brouillards urbains (hors communes littorales et de vallées profondes). Or les rosées et brumes, si elles contribuent aux problèmes d'attaques acides du bâti dans les zones où l'air est acide, contribuent aussi à épurer l'air des aérosols et de certaines poussières et pollens en suspension.
• Ils renforcent la pollution de l'air en aggravant les smogs et les effets d'inversion atmosphérique (sources de confinement de pollutions sous le plafond urbain). Ils en aggravent les effets sanitaires.
• Ils peuvent contribuer à modifier la composition physico-chimique de l'air, favorisant certaines pollutions photochimiques.
• Ils renforcent les effets sanitaires et socio-économiques des canicules.
• Ils perturbent le relevé des moyennes des températures régionales et locales et donc les prévisions météorologiques, car beaucoup de stations météorologiques ont été entourées au cours du XX^e siècle par un tissu urbain de plus en plus dense et « chaud ».
• Les précipitations augmentent au-dessus des villes[15]. Comme l'air est légèrement plus chaud au-dessus des zones urbaines, les cumulonimbus se développeront en priorité dans ces régions et donc les orages se formeront en priorité au-dessus des villes[15].

L'urbanisme comme cause et solution

Divers albédos de l'environnement urbain. La minéralité des villes, la densité et la géométrie du bâti sont des éléments fondamentaux dans la formation des îlots de chaleur. La végétalisation participe à la formation d'un îlot de fraîcheur urbain, principalement grâce au rôle de l'évapotranspiration et surtout de la transpiration végétale qui rafraîchissent le microclimat extérieur proche[16].

La structure et l'albédo des villes, ainsi que leur manque de végétation (qui en outre, quand elle existe, diffère souvent fortement de la flore naturelle et des zones rurales) prédisposent les villes aux bulles de chaleur. Des milieux à taux de substrats minéraux (falaises rocheuses) ou végétal presque comparables existent dans la nature (falaises, canyon...), mais certains matériaux (verre, métal) et surtout les infrastructures de types routes imperméabilisées n'y sont pas présents. L'accélération et la forte artificialisation du cycle de l'eau sont des caractéristiques urbaines qui ont d'importants impacts climatiques.

Deux facteurs importants sont :

• l'albédo, c'est-à-dire la mesure de la capacité d'une surface à renvoyer l'énergie solaire incidente (qui arrive à la surface de la terre). C'est un chiffre compris entre 0 et 1, 0 correspondant à une surface parfaitement noire qui absorbe la totalité de l'énergie incidente, et 1 au miroir parfait qui renvoie la totalité de l'énergie incidente. Les surfaces sombres absorbent donc une quantité importante d'énergie solaire, et se réchauffent donc très vite. Les villes majoritairement bétonnées et goudronnées, présentent des surfaces sombres qui se réchauffent ainsi très rapidement au soleil, et qui absorbent pendant la journée 15 à 30 % d'énergie de plus qu'une aire urbaine. Les après-midis ensoleillés permettent donc au thermomètre d'afficher des maximums largement supérieurs aux zones rurales environnantes. L'effet disparaît évidemment avec la tombée de la nuit, ce qui explique que les températures maximales soient généralement les plus affectées. La nuit, les matériaux qui ont accumulé la chaleur diurne en relarguent une partie (restitution lente de la chaleur par radiation infrarouge) , limitant leur possibilité de se rafraîchir là où l'air circule peu[17] ;
• le potentiel d'évapotranspiration : la végétation joue un rôle de régulateur thermique très important, un peu par l'ombre portée, mais surtout par l'évapotranspiration, qui rafraîchit l'air, et la rosée, qui a un effet thermohygrométrique « tampon ». Mais le faible taux de végétation urbaine, arborée notamment, limite ce potentiel. La pelouse a un albédo variant de 0,25 à 0,30 (à comparer avec l'albédo moyen terrestre qui est d'environ 0,3). Cependant, une végétalisation partielle de la ville peut être optimisée par l'envoi des eaux de ruissellement vers les plantations, concept connu sous le terme de jardin de pluie ou biorétention. Le département de Seine-Saint-Denis et la Ville de Paris, ont calculé qu'un jardin de pluie de 100m², qui reçoit les eaux de ruissellement d'une surface imperméable d'au moins 500m², permettait de réduire la température moyenne de 1 degrés sur un rayon de 100 m[18]. Ainsi, une implantation de plus de 400m² de jardins de pluie par hectare (soit une densité de plus de 4%) permettrait, par temps de canicule, d'avoir une température moyenne similaire à celle d'un milieu rural.

Les urbanistes s’appuient sur des modélisations régionales et locales de micro-climat urbains. Les modèles tridimensionnels prennent mieux en compte l'ensoleillement, la réflexion du Soleil et les ombres portées, la nature et l'albédo des matériaux, la circulation de l'air. Ils permettent donc théoriquement de mieux positionner et hiérarchiser les besoins en isolation extérieure et en écotechnie alternative (aménagements de type « murs végétalisés » ou « terrasses végétalisées » ou écrans végétaux d'arbres feuillus en été, mais qui laissent passer le soleil en hiver) afin de bio-climatiser la ville.

Exemple de Paris

Comparaison du réchauffement urbain entre Paris et Londres (2019).

Les modélisations récentes (2012[19]) de Météo-France et Paris (scénario tendanciel, c'est-à-dire « moyennement pessimiste » concernant les émissions mondiales de gaz à effet de serre) confirment que le nombre et la gravité des canicules devraient augmenter d'ici 2100 (de 2 à 4 °C d'ici à la fin du siècle par rapport à la moyenne 1971-2006), surtout en juillet-août (3,5 à 5 °C de plus que la normale), avec environ 12 fois plus de jours de canicules dans l'année[20]. Dans le dôme de chaleur de la région Île-de-France, quartiers et arrondissements seront plus ou moins exposés, selon la largeur des rues, la hauteur, la couleur et le type de bâtiments présents, le couvert végétal, la proximité ou présence d'eau[20] ; les 2^e, 3^e, 8^e, 9^e, 10^e et 11^e arrondissements se réchauffent le plus (comme en 2003 avec 4 à 7 °C de plus qu'en petite couronne, en fin de nuit, et avec différence de 2 à 4 °C selon les arrondissements parisiens). Un effet de « panache de chaleur » modifie aussi la géographie de la bulle chaude[20]. Réduire la température de quelques degrés pourrait améliorer la qualité de vie et épargner des vies ; en 2003, quelques degrés de plus que la moyenne ont induit une surmortalité de 15 000 morts en France et près de 70 000 en Europe[20].

Concernant les adaptations urbanistiques possibles à Paris, selon les mêmes modèles :

• pour le centre-ville dense, la végétalisation et une augmentation d'albédo n'abaisseraient la température que de 1 °C en moyenne pour la durée d'une canicule et de 3 °C au mieux localement à un moment donné)[20] ;
• la végétalisation des sols nus de Paris associée à un taux de 50 % de voies de plus de 15 mètres de large recouverte par des arbres (1 160 hectares au total) permettraient une chute de 3 à 5 °C de la température diurne, tant que la flore ne manque pas d'eau (car c'est l'évapotranspiration qui rafraîchit le plus l'air)[20] ;
• l'humidification des chaussées (arrosage 14 h/jour) de la capitale via son réseau d'eau non potable contribuerait à diminuer l'empoussièrement, mais aurait un moindre effet sur la température (-0,5 °C en moyenne entre 8 et 13 août 2003, avec au mieux −1 à −2 °C en journée). Une brumisation serait sans doute plus efficace, mais injecterait des microbes dans l'air si elle utilisait de l'eau non potable[20]. Cependant, l'humidification des chaussées permet des baisses de températures dans des zones où il est difficile voire impossible d'augmenter le taux de végétalisation (notamment dans les 2^e, 9^e et 10^e arrondissements)[21].

Ils peuvent se révéler graves, notamment en termes d'allergies, de problèmes respiratoires et cardiovasculaires qui peuvent se traduire par une surmortalité significative en période de canicule[22], notamment dans les grandes agglomérations[23].

Les ICU dégradent la qualité de vie urbaine en association avec la pollution atmosphérique, dit smog, mot valise venant de l'anglais smoke (fumée) et fog (brouillard).

L'effet brumisateur des fontaines et jets d'eau a un impact limité alors que les plans d'eau ont un effet de rafraîchissement sur le microclimat urbain[24].

La lutte contre les ICU nécessite une réévaluation des politiques d'urbanisme et des stratégies de court, moyen et long terme. Elle passe notamment par la restauration d'îlot de fraîcheur[25], et implique notamment :

• de favoriser la climatisation passive (type puits canadien), les systèmes-tampon (ex : mur Trombe), l'architecture bioclimatique (avec les pergolas bioclimatiques par exemple) et une isolation intelligente, et limiter les climatiseurs électriques;
• de préférer les surfaces blanches ou de couleur claire et les matériaux réfléchissants de manière à augmenter l'albédo urbaine ;
• de végétaliser et de reboiser les villes et leurs abords (ex : trame verte urbaine, terrasse végétalisée[10], mur végétalisé, etc.), si possible en pleine terre (plus efficace qu'une végétation sur les toits[26]). En période de canicule, cette végétalisation permet un refroidissement en moyenne de 2 °C, avec des effets locaux autour des parcs de 5 à 6 °C[27] ;
• de mieux conserver et gérer l'eau pluviale (ville éponge, systèmes de noues ou zones humides, toitures et terrasses végétalisées[10] qui peuvent ré-évaporer cette eau, l'évaporation étant facteur de rafraîchissement) ;
• de développer des transports en commun ne favorisant pas le smog ;
• de changer les habitudes (modification des horaires de travail, siestes...) en fonction des pics de chaleur[27] ;
• de veiller à ce que des prescriptions d'aménagement garantissent une forme urbaine où la circulation de l'air est optimale, en adaptant les bonnes pratiques et règlements d'urbanisme aux conditions locales (par exemple, des systèmes de rafraîchissement passif, des systèmes de régulation thermique naturelle dans les bâtiments inspirés de la circulation de l'air dans les termitières, une rue étroite peut être un « piège à calories » si elle comprend des sources chaudes (chaudières, véhicules, usines, climatiseurs...), et au contraire une garantie de fraîcheur dans un pays très chaud où elle protège des ardeurs du soleil. En effet, le design des villes actuelles « casse la circulation de l'air » selon Anne Ruas, chercheuse à l'Ifsttar[27].

En France, l'étude EPICEA a porté sur la prospective climatique pour l'agglomération parisienne, « l’étude particulière de la situation extrême de la canicule 2003 » et les liens entre tissu urbain (géométrie, matériaux…) et climat urbain, ainsi que sur l'évaluation de l’« impact de l’urbanisme sur la météorologie »[28]. Elle a eu recours à la simulation des panaches de chaleur et de la brise urbaine selon l'architectonique (largeur de rues, hauteur et forme des bâtiments...) et les matériaux (albédo...) pour croiser les modèles avec les données de surmortalité (de l’InVS et de l'Inserm, CépiDc), afin de proposer des « stratégies d’adaptation des zones urbaines »[29]. Végétaliser de l'espace urbain (murs, terrasses, pergola...) et contrôler certains rejets de chaleur anthropique (par l'isolation et l'albédo ou des économies d'énergie et la maîtrise de la climatisation) sont les deux paramètres sur lesquels il est le plus facile d'agir rapidement. La géométrie urbaine est en effet relativement figée aux échelles humaines de temps, dans Paris en particulier.

Dans les années 2000, des travaux de recherche et développement envisagent des trottoirs (‘cool pavement’) ou chaussées froides, selon deux principes : soit des matériaux de couleur claire renvoient la lumière solaire (mais s'accompagnant d'éventuels problèmes d'éblouissement et de réchauffement du bâti environnement, et aggravant la production d'ozone troposphérique si le matériau renvoie aussi les UV solaires) ; soit en absorbant l'eau et en l'évaporant (l'évaporation rafraîchit l'air, mais présente l'inconvénient d'une consommation d'eau qui rend cette solution inapplicable dans les zones arides ; de plus ,l'eau de mer ou salinisée ne peut être utilisée, car des croûtes de sel colmateraient rapidement les pores du matériau[30].

Certains auteurs ont estimé que la pertinence des données climatiques considérées comme des indices de réchauffement climatique étaient biaisées par les ICU, tout au moins si on les attribue entièrement à une cause telle que l'émission de gaz à effet de serre[31].

Le Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat, sur la base d'une Lettre à Nature de 1990[32], a conclu dans son troisième rapport, que leur effet ne pouvait excéder 0,05 degré Celsius au niveau mondial. Une étude de 2008 des P.D. Jones, D.H. Lister et Q. Li estime la part du ICU dans le réchauffement mesuré en Chine. Dans cet article intitulé « Urbanization effects in large-scale temperature records, with an emphasis on China », paru dans le Journal of Geophysical Research Atmospheres, ils estiment à 0,1 °C par décennie la hausse des températures due aux îlots urbains en Chine entre 1950 et 2004, pour une hausse totale de 0,81 °C, alors que, dans les pays déjà industrialisés, l'effet de l'urbanisation est constant depuis des décennies. Selon les trois auteurs, l'effet des îlots de chaleur urbains représente donc la majorité du réchauffement climatique mesuré jusqu'alors en Chine mais pas dans les pays industrialisés[33].

Le flux de chaleur sensible au-dessus d'une zone urbanisée est supérieur au flux de chaleur dans la campagne environnante. Ainsi, à Paris, le flux de chaleur sensible est supérieur de 25 à 65 W/m² par rapport à la banlieue rurale environnante. Ainsi, il est supérieur de 20 à 60 % au flux de chaleur « normal »[34].

À l'intérieur des villes, la température peut être 10 °C plus élevée que dans les zones environnantes. Cela peut aussi provoquer une augmentation significative des précipitations[34].