🌆 Ilot de chaleur urbain : définition, causes et conséquences

L’îlot de chaleur urbain (ICU) : définition et fonctionnement

Les Hommes de sciences se sont depuis l’Antiquité intéressés aux relations entre le climat et la ville, que ce soit tout d’abord dans la prise en compte des conditions climatiques d’un site pour l’implantation et la conception architecturale des cités ou, plus tard, dans l’influence de la ville sur ses habitants et son environnement, notamment en matière de pollution de l’air.
Cependant, la mise en évidence d’un climat spécifiquement urbain n’intervient qu’au début du XIXe siècle, lorsque le pharmacien britannique Luke Howard publie entre 1818 et 1820 Le climat de Londres, ouvrage qui étudie, à partir d’une série de relevés météorologiques d’une période de neuf ans, la température, les précipitations et le brouillard, le fameux smog, de la capitale anglaise. Il note ainsi une différence des températures nocturnes de l’ordre de 3,70 °C entre le centre de Londres et sa campagne, ce que l’on nomme aujourd’hui « îlot de chaleur urbain ».

L’îlot de chaleur urbain est un effet de dôme thermique, créant une sorte de microclimat urbain où les températures sont significativement plus élevées : plus on s’approche du centre de la ville, plus il est dense et haut, et plus le thermomètre grimpe.

Selon une étude publiée en mars 2018 dans Physical Review Letters, aux États-Unis, le phénomène d’îlot de chaleur urbain (ICU) – urban heat island (UHI) – concerne plus de 80 % de la population vivant dans les zones urbaines.

Facteurs qui influent sur l’îlot de chaleur urbain

Les différentes études sur les îlots de chaleur urbains ont montré que ces différences de températures sont un phénomène assez complexe où s’entremêlent causes et effets. L’îlot de chaleur urbain, très variable, est dépendant du « type de temps » mais aussi de la situation géographique, climatique, de la couverture végétale et de la topographie de la ville.

Le moment de la journée

L’îlot de chaleur est tout d’abord dépendant du moment de la journée. Comme Howard l’avait déjà remarqué, l’îlot de chaleur urbain est surtout marqué la nuit lors des minima de températures. « En général, l’îlot de chaleur urbain commence à croître en fin d’après-midi et augmente au coucher du soleil pour atteindre son maximum au milieu de la nuit. Par nuit calme, il se crée alors une sorte de « bulle de chaleur » sur la ville », précise Météo-France.

A Paris la différence peut parfois dépasser les 10 °C à l’échelle journalière entre le centre de la ville et la campagne la plus froide comme se fut le cas le 30 septembre 1997 où l’on a repéré une différence de 11,4 °C[1].

Cela est directement dû à l’urbanisation car la chaleur urbaine provient du bâti et du sol qui restituent l’énergie emmagasinée dans la journée.

L’occupation du sol et son albédo

En effet, le bâti, selon son albédo (indice de réfléchissement d’une surface) absorbe ou réfléchi l’énergie solaire. Ainsi, la ville absorbe pendant la journée 15 à 30 % d’énergie de plus qu’une aire urbaine[2]. Cette énergie est ensuite restituée lentement la nuit sous forme d’infrarouge (chaleur). Or, la géométrie du bâti piège cette énergie thermique.

La minéralité des villes et la densité du bâti sont donc des éléments fondamentaux dans la formation des îlots de chaleur.

L’eau et la végétation constituent des moyens de rafraîchissement : par évaporation et évapotranspiration, elles rafraîchissent l’air dans la journée. Cependant, l’eau ruisselle tellement rapidement vers les émissaires artificiels (égoûts…) à cause de l’imperméabilité du sol urbain qu’ellle n’a pratiquement pas le temps de s’évaporer. Or l’évaporation entraîne un rafraîchissement de l’air car le passage de l’état liquide à l’état gazeux consomme des calories (environ 600 par gramme d’eau évaporé).

La végétation « transpire », évaporant l’eau présente en profondeur dans le sol. Grâce à cette évapotranspiration, végétaux et sols n’accumulent pas l’énergie solaire reçue au cours de la journée. Ainsi, selon les conclusions du projet de recherche MUSCADE, rendues publiques début octobre 2014, la végétalisation de pleine terre est plus efficace que celle des toits pour rafraîchir l’air de la ville. Les toits végétalisés ont une influence limitée sur le confort extérieur mais peuvent améliorer l’isolation du bâti. Dans tous les cas, la végétation doit être suffisamment arrosée pour avoir un effet rafraîchissant en été, ce qui implique de développer des systèmes de gestion de l’eau à l’échelle locale (récupération d’eau à l’échelle du quartier ou du bâtiment).

« En ville, l’énergie solaire est au contraire emmagasinée dans les matériaux des bâtiments et le bitume des routes et des parkings, des surfaces imperméables empêchant l’évaporation de l’eau des sols. Lorsque la nuit arrive, cette énergie est restituée à l’atmosphère urbaine. La nuit, l’air au-dessus de la ville se refroidit donc moins vite qu’à la campagne » explique Météo-France.

Bien sûr, l’ombre des arbres permet de conserver une certaine fraîcheur et plus le houppier est développé, mieux c’est. Ainsi, le projet COOLTREES a montré qu’en plein soleil, la température mesurée est 7 °C plus faible sous les arbres à 13 heures.
Toutefois, cet avantage reste limité à leur environnement immédiat. Les zones dépourvues d’arbres présentaient des températures radiantes moyennes nettement plus élevées, et l’effet des arbres sur la température de l’air diminuait à mesure que l’on s’éloignait du couvert végétal (Hashemi et al. PA. Buildings 2023).

La circulation d’air

L’îlot de chaleur urbain dépend également des vents. Un vent fort va favoriser la circulation de l’air et donc diminuer le réchauffement du substratum urbain par un air chaud. A l’inverse, un vent faible entraîne une stagnation des masses d’air qui ont alors le temps de réchauffer le bâti : ainsi, plus le temps est calme et dégagé, plus l’îlot de chaleur urbain est intense. De plus, la forme urbaine joue sur le régime des vents : une rue étroite et encaissée, formant un canyon, empêchent les vents de circuler et fait alors stagner les masses d’air.

Les activités humaines

Enfin, il est important de noter ici l’importance de la chaleur anthropique, notamment en hiver : chauffage, climatisation, industries, circulation automobile, éclairage, etc. sont autant de facteurs qui font augmenter les températures et la pollution (qui elle aussi indirectement par effet de serre réchauffe l’atmosphère au niveau mondial) et donc favorisent l’apparition d’un îlot de chaleur[3] mais aussi plus simplement réchauffe la ville, même en l’absence d’îlot de chaleur urbain.
Par exemple, une route éclairée aura une température d’1°C supérieure par rapport à une route non éclairée.

Ville étendue ou ville compacte ?

l’îlot de chaleur urbain est peu influencé par l’expansion urbaine. Toutefois, le confort thermique des habitants est dégradé en ville compacte, du fait de la concentration de population dans le centre de l’agglomération, indiquent les résultats du projet MUSCADE. Plus une ville est organisée, comme la plupart des villes nord-américaines, plus l’effet des îlots de chaleur urbains est important et plus la chaleur reste piégée, et inversement pour les villes « désorganisées », dont les cœurs de villes historiques où la chaleur s’évacue facilement montre l’étude publiée dans Physical Review Letters en mars 2018[6].

Mais ce n’est pas si simple car « l’utilisation de bâtiments plus hauts et plus denses ainsi que de surfaces de chaussée avec un albédo plus élevé pourrait être envisagée pour favoriser des conditions thermiques plus confortables, en particulier dans les blocs urbains avec une couverture végétale moins importante » explique Guangqing Chi, professeur de sociologie rurale, de démographie et de sciences de la santé publique qui a étudié le cas de la ville de Philadelphie (USA).

De plus, dans un contexte de réchauffement climatique, les consommations d’énergie du bâti restent similaires pour les villes étendues et compactes. Ainsi, l’impact d’une politique de contrôle de l’étalement urbain a peu d’influence sur les émissions de gaz à effet de serre résultant des consommations d’énergie des bâtiments. Ces émissions sont essentiellement conditionnées par les choix des technologies pour les moyens de transport.

L’exploitation de l’énergie solaire

L’utilisation de panneaux solaires permet de diminuer très légèrement l’îlot de chaleur urbain indique le projet MUSCADE. En outre, dans la perspective d’un climat de plus en plus chaud, la production d’énergie solaire résultant de l’implantation massive de panneaux photovoltaïques sur les toits pourrait compenser à l’échelle annuelle la consommation d’énergie des bâtiments pour le chauffage et la climatisation.

Conséquences de l’îlot de chaleur urbain

Les îlots de chaleur sont à leur tour à l’origine de transformations de phénomènes météorologiques. Ainsi, ils font diminuer l’humidité relative, le nombre de jour de gel et les brouillards. De plus, ils modifient le régime des pluies en faisant diminuer les perturbations en hiver lorsque le temps est stable, mais, lorsque le temps est instable, l’îlot de chaleur urbain provoque une augmentation de l’intensité des précipitations provoquant parfois de violents orages car « la ville perturbe principalement la circulation convective des masses d’air. Son influence est ainsi marquée sur les phénomènes violents comme les fortes averses, les orages ou encore les chutes de grêle. Les journées d’orage peuvent ainsi augmenter de 20 à 30 % (Duchêne-Marullaz, 1980)« [4].

De plus, les îlots de chaleur urbains influencent des paramètres qui dans une interrelation vont le renforcer. Ainsi, les différences de chaleur entre centre et périphérie (tout comme entre des lieux chauds comme les rues et des lieux frais comme les parcs à plus petite échelle) sont à l’origine de « brises de campagne », c’est-à-dire des vents thermiques faibles qui vont des zones froides aux zones plus chaudes, favorisant ainsi la concentration de polluants dans les secteurs les plus urbanisés et les plus denses, autrement dit les secteurs qui souffrent déjà le plus des îlots de chaleur.

Notons enfin que si les îlots de chaleur urbain ne sont ni une cause, ni une conséquence du changement climatique, les effets de l’un sur l’autre aggravent les impacts de chacun. Ainsi, le réchauffement climatique accentue l’effet de l’îlot de chaleur urbain. De même, dans une bien moindre mesure toutefois, les dynamiques qui président à la formation des îlots de chaleur urbain et leurs conséquences (consommations d’énergie pour se réchauffer ou se rafraîchir, pollutions…) contribuent au changement climatique.

Dans les pays aux climats chauds ou tempérés, l’effet « ICU’ augmente significativement la facture énergétique. En revanche, pour des régions aux climats froids, il peut potentiellement permettre de réduire la demande énergétique.

Comment lutter contre l’îlot de chaleur urbain ?

Le meilleur moyen de diminuer l’effet d’îlot de chaleur urbain, et favoriser l’abaissement des températures tant diurnes que nocturnes, difficilement soutenables pendant les périodes de canicule, est de végétaliser les villes et diminuer l’imperméabilisation du sol. Malheureusement, l’artificialisation des sols ne cesse de progresser en Europe.

L’Observatoire des villes vertes rappelle que la végétalisation de la ville reste le moyen le plus simple, pérenne et efficace pour lutter contre la chaleur excessive.
Planter des arbres va apporter de l’ombre et de la fraîcheur tout en absorbant une grande quantité d’énergie solaire. Les arbres assurent en effet une régulation naturelle des températures. En outre, ils purifient l’air, l’eau et les sols, et assurent une évacuation et un filtrage naturels des eaux pluviales.

La végétalisation et « renaturation » peut aussi se faire sur les murs et les toitures, même si beaucoup pensent que cela « fait sale », par exemple en laissant le lierre pousser.

Les étendues d’eau participent également à la régulation thermique des villes. A titre d’exemple, la Seine qui traverse Paris, rafraîchit jusqu’à 30 mètres au-delà de ses rives ; mais son impact est souvent annihilé par la bétonisation des berges.

Alors que les conséquences de l’îlot de chaleur urbain sont de plus en plus marquées et insoutenables, les aménageurs et promotteurs continuent de construire des lotissements toujours plus denses, avec de moins de moins d’espaces verts et de jardins, pour multiplier leurs revenus profitant ainsi de l’indifférence, voire la complaisance des élus locaux. En outre, les jardins des nouveaux lotissements sont de plus en plus petits et de plus en plus artificiels. En effet, le peu d’espace vert privé est quasi systématiquement imperméabilisé : gravillons, pelouse synthétique, goudron, terrasse… La végétation spontanée n’est pas la bienvenue et de nombreuses haies chez les particuliers sont également détruites pour être remplacées par des murs.

Des matériaux de construction innovants

Plusieurs projets de matériaux plus adaptés au réchauffement urbain sont en cours de développement comme l’éco-pavé développé dans le cadre du projet FRESH-ECOPAVERS.

Les travaux porteront sur l’optimisation des revêtements de pavés drainants à base de coproduits coquilliers brevetés dès 2015 par l’ESITC Caen. La propriété de rétention d’eau de ce matériau, conçu initialement pour améliorer l’évacuation des précipitations et prévenir les risques d’inondations, devrait être en mesure de restituer la fraîcheur du sol en condition de forte chaleur et créer des îlots de fraîcheur. L’ESITC Caen et ses partenaires vont s’attacher à mieux comprendre le fonctionnement des pavés poreux dans la gestion de la chaleur, à l’échelle des laboratoires, puis à travers des réalisations pilotes implantées sur le territoire de la Vallée de Seine. Ce projet s’inscrit dans le principe d’économie circulaire puisqu’il répond à une demande locale de recyclage des coquillages disponibles en grandes quantités sur le littoral normand.

De la pollution de l’air au changement climatique

Les années 1970 : le prisme de la pollution atmosphérique

L’étude de J. Dettwiller, « Evolution séculaire du climat de Paris, Influence de l’urbanisation », paru en 1970 et qui semble être l’une des premières références françaises, décrit, à partir des relevés des stations météorologiques, les différences entre le centre de l’agglomération parisienne et les limites de la zone urbaine tant en ce qui concerne les températures, que les précipitations, les vents, l’humidité relative ou les brouillards. Il montre alors bien les difficultés pour réaliser de telles études dues au manque de données (le nombre de stations météorologiques de l’agglomération parisienne est largement insuffisant).
Si Dettwiller ne fait pas encore ressortir concrètement les conséquences et les usages de ses observations, il commence à apparaître que cela pourrait servir à l’aménagement, notamment pour situer certaines installations polluantes en fonction du climat : « C’est un apport considérable au dossier du climat des villes. […] Elle nous enseigne que nous avons beaucoup à apprendre encore sur ces climats, constatation peu réconfortante puisque la connaissance de ces derniers aurait (ou devrait) servir de fondements à la mise en place des zones industrielles, résidentielles et d’affaires » (Loup, 1971).

Ce mouvement qui lie climat urbain et environnement ne fait que grandir avec les craintes de plus en plus précises et médiatiques, notamment en matière de pollution atmosphérique. La demande sociale de connaissance permet alors à la climatologie urbaine, en s’orientant vers ces questions, de sortir de son carcan et de trouver un écho dans les mouvements environnementalistes et écologistes qui naissent à cette époque.

A Paris, la pollution atmosphérique demeure très problématique. Ainsi, G. Escourrou fait directement le lien entre îlot de chaleur et diffusion des polluants (1986) et préconise alors, comme le suggérait J. Loup en 1971, des lieux d’implantation pour les industries polluantes. Cette étude, basée sur les relevés des stations météorologiques d’Ile-de-France et sur des relevés effectués à divers endroits, souligne encore une fois le manque de moyens techniques pour mesurer efficacement les variations climatiques entre deux points. Les images satellites n’ont alors pas encore réellement fait leur entrée sur la scène scientifique française qui semble alors en retard sur les études étrangères et particulièrement américaines.

Une perte d’intérêt dans les années 1990

Ancienne usine d’incinération d’Issy Les Moulineaux
© C. Magdelaine / notre-planete.info

Mais cette fois encore, l’intérêt retombe car les problématiques qui avaient porté la lumière sur le climat urbain vont être en partie réglées. En effet, la pollution atmosphérique va être prise très au sérieux et des mesures vont être mises en place. En 1979, est créé Airparif, chargé de la surveillance de la qualité de l’air. Mais c’est durant les années 1990 que la loi sur l’air de 1996 va fixer les base d’une vraie politique de limitation de la pollution atmosphérique. Elle vise ainsi à « renforcer de manière significative les volets observation et information sur la qualité de l’air » en instaurant les plans régionaux pour la qualité de l’air (PRQA) et les plans de protection de l’atmosphère (PPA). De même, le 1er octobre 1997 lors d’un pic de pollution au dioxyde d’azote, est mise en place une circulation alternée limitant la circulation des véhicules trop polluants. Bien que cette opération n’ait fait diminuer les émissions que de 20 %, aujourd’hui la qualité de l’air de l’agglomération parisienne s’est quelque peu améliorée depuis une vingtaine d’années. Ainsi, les émissions de dioxyde de soufre (SO2) ont été divisées par 20 et les particules (« fumées noires ») par huit en 40 ans. Cependant, les particules, l’oxyde d’azote (NOx) et les composés organiques volatils (COV) stagnent ou reculent très lentement alors que l’ozone (O3) augmente quelque peu (ADEME).

Plus que par les réglementations, la baisse de la pollution, et par la même de l’attention pour la climatologie urbaine, provient de la désindustrialisation, particulièrement en région parisienne, des années 1980 et 1990. Les études qui entraient dans la thématique « îlot de chaleur » par le prisme de la pollution atmosphérique ne semblent plus se justifier au regard du grand public et des décideurs. Toutefois, cette problématique va ressurgir avec le changement climatique.

La reprise en compte du climat urbain dans la perspective du changement climatique

© C. Magdelaine / notre-planete.info

La grande rupture en France est marquée, au tournant du siècle, par l’entrée sur la scène politique et médiatique du changement climatique d’une part, et, d’autre part, par un événement sanitaire inédit en France jusqu’alors, la canicule du mois d’août 2003, qui entraîne une surmortalité de près de 60 %, soit près de 14 800 personnes en France entre le 1er et le 20 août. La région parisienne est quant à elle encore plus touchée puisque l’on a enregistré une surmortalité de 134 % sur la région Île-de-France soit plus de 4 800 décès excédentaires par rapport au nombre attendu (ORS, 2003a).

Ces deux éléments vont faire passer l’îlot de chaleur urbain du domaine de la nuisance au domaine du risque. L’îlot de chaleur urbain n’est plus une simple gêne pour les citadins, ce n’est plus une question d’inconfort lors des fortes chaleurs estivales sans réelles conséquences. A présent, il s’agit d’un risque, c’est-à-dire la combinaison entre un aléa (ici la canicule), sa probabilité d’occurrence et un enjeu, dans ce cas de santé publique pour les populations vivant en ville. Les différents travaux sur le changement climatique, et notamment ceux du GIEC qui revêt une importance politique singulière (Dahan Dalmedico, 2006), montrant que les épisodes caniculaires devraient se multiplier dans les zones tempérées dans les années à venir, l’îlot de chaleur urbain passe alors au centre des préoccupations politiques et sociales afin de limiter les conséquences sanitaires des canicules.

La question des pollutions passe alors clairement au second plan dans les études sur le climat urbain, toutes se concentrant sur les moyens d’adaptation et d’atténuation pour prévenir le risque canicule. C’est donc, finalement, après de nombreuses apparitions et disparitions, par ce biais que les îlots de chaleur urbains prennent aujourd’hui toute leur importance dans la recherche en climatologie, et la recherche de moyens pratiques de prévention vont permettre d’ouvrir la question à d’autres domaines de compétence.

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