Généralités sur l’îlot de chaleur urbain et la qualité de l’air

L’îlot de chaleur urbain et la qualité de l’air sont interconnectés, influençant les conditions météorologiques en milieu urbain. Ce chapitre présente une analyse des mécanismes sous-jacents et des impacts sur l’environnement urbain.

CHAPITRE 2 :

GENERALITES SUR L’ILOT DE CHALEUR URBAIN ET LA QUALITE DE L’AIR

L’objectif de ce chapitre est de présenter les généralités sur l’îlot de chaleur urbain et la qualité de l’air dans le cadre de ce travail de recherche. Ce chapitre comprend la description de l’îlot de chaleur urbain et la description de la qualité de l’air.

2.1 DESCRIPTION GENERALE DE L’ILOT DE CHALEUR URBAIN

Plusieurs études ont montré qu’une ville de manière générale, modifie les conditions météorologiques, ce qui entraine l’accroissement de la température au sein de celle-ci (OKE, 1978 ; OKE, 1982 ; DUBREUIL et al, 2011 ; FABRIZI et al, 2010 ; AZEVEDO et al, 2016). Par conséquent, amène d’importantes répercussions négatives sur les dimensions sociales, environnementales et économiques de la ville (AKBARI et al., 2011). Nous pouvons particulièrement citer l’îlot de chaleur urbain (figure 11). Il s’avère essentiel ici d’explorer les causes et les impacts des ICU, de même que leurs effets sur la santé. Afin de présenter le cadre théorique et une connaissance générale des ICU.

Figure 11 : profil d’un îlot de chaleur urbain

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Source : AKBARI et al., 2011.

2.1.1 Formation de l’îlot de chaleur urbain

Pour comprendre comment fonctionne un îlot de chaleur urbain, il faut donc connaître les mécanismes et les paramètres physiques qui en sont à l’origine. Les différents paramètres météorologiques comme la température, l’humidité relative et le vent (des facteurs naturels) influencent le climat local.

Il y’a plusieurs causes de source anthropique (qui favorisent l’émergence et l’intensification des îlots de chaleur urbains). Ces facteurs anthropiques à l’origine de la formation des ICU sont généralement :

2.1.1.1 les émissions de gaz à effet de serre,

Une chaleur directe ou indirecte est produite par les activités humaines comme les transports, l’industrie, le chauffage ou la climatisation (MDDEP, 2006). Ces productions de chaleurs perturbent l’équilibre thermique de la planète Terre dont la température moyenne est de 15 °C. En effet, en expulsant des gaz à effets de serre (GES) dans l’atmosphère, les activités humaines augmentent la capacité de Terre à absorber le rayonnement infrarouge, et donc sa température (Figure 12).

A l’échelle d’une ville, la formation des ICU est également due à la sommation des chaleurs anthropiques avec la chaleur naturelle. Lorsque cette dernière est déjà élevée, notamment à cause du rayonnement infrarouge réfléchi de multiples fois, les chaleurs anthropiques accentuent le phénomène et rendent la ville difficilement supportable en terme de température¹.

Figure 12 : Les gaz à effet de serre

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Source : https://teteamodeler.ouest-france.fr/ecologie/environnement/enjeux/gaz-effet-serre.asp

2.1.1.2 la perte progressive du couvert forestier dans les milieux urbains

La perte de couvert forestier en milieu urbain est causée en grande partie par l’urbanisation et l’étalement urbain (développement résidentiel, commercial ou industriel). Autrement dit, la densification progressive d’une ville et le développement des infrastructures urbaines ces dernières décennies en sont les causes principales (AZEVEDO et al, 2016).

De cette perte de végétation découle une perte de fraîcheur en milieu urbain (GIGUERE, 2009). Il faut savoir que la végétation joue un rôle essentiel de protection contre la chaleur grâce au phénomène d’évapotranspiration et d’ombrage des sols et des bâtiments. Pendant le processus naturel d’évapotranspiration de la vapeur d’eau, l’air ambiant se refroidit. La végétation participe aussi à une bonne gestion des eaux pluviales et à une meilleure qualité de l’air dans une ville (English et al., 2007).

2.1.1.3 l’imperméabilité des matériaux;

Durant ses dernières décennies, l’amplification de l’urbanisation a occasionné la modification des types de recouvrement des sols (RUSHTON, 2001). Les sols naturels ont été remplacés par des matériaux imperméables. Des matériaux n’assurent pas de fonctions de filtration et d’absorption de l’eau, et modifient le parcours naturel des eaux pluviales. De manière générale, dans une ville, le taux d’infiltration des sols est de 15 % et la quantité ruisselée, de 55 % (USEPA, 2007). À l’opposé, en milieu naturel, environ 50 % des eaux de pluie sont infiltrées dans le sol et 10 % ruissellent vers les cours d’eau (Ibid.).

Par conséquent, les processus naturels rafraîchissants (comme l’évaporation de l’eau contenue dans les sols et l’évapotranspiration de la végétation) sont restreints et ne peuvent pallier le réchauffement urbain. De plus, les revêtements imperméables contribuent à la contamination des cours d’eau récepteurs, entre autres par le ruissellement qui entraîne les polluants chimiques (p. ex. les hydrocarbures et les pesticides) et par les débordements d’égouts causés par les pluies intenses.

2.1.1.4 certaines propriétés thermiques des matériaux

Les propriétés des matériaux qui composent les bâtiments, les voies de circulations et les infrastructures bâtiments stockent de la chaleur. Par conséquent, influencent le microclimat et les situations de confort thermique. L’inertie thermique et l’albédo sont des propriétés thermiques de matériaux.

2.1.1.4.1 L’inertie thermique

Le principe d’inertie thermique peut se résumer comme la capacité d’un matériau à accumuler puis à restituer un flux thermique. Plus le temps d’absorption et de restitution est long, plus le matériau a une grande inertie thermique (cas des bâtiments mal adaptés) (figure 13).

Ce principe d’inertie est une des premières raisons de la formation des îlots de chaleur urbains car les matériaux de construction ont une inertie thermique bien plus grande que la terre (GIGUERE, 2009). A titre d’exemple, le béton ordinaire à une capacité thermique de 2 400 à 2 640, la terre sèche de 1 350 (en KJ/m3. °C – Kilo Joule par mètre cube par degré Celsius) (RUSHTON, 2001).

Figure 13 : Le principe de l’inertie thermique

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Source : forumconstruire.com

2.1.1.4.2 L’albédo

L’albédo est la capacité d’une surface à réfléchir le rayonnement solaire (RAMADE, 1993). C’est le deuxième paramètre des matériaux qui influe sur leur comportement face à la chaleur. Il représente l’énergie solaire réfléchie par rapport à l’énergie solaire reçue (Energie réfléchie / Energie reçue) (figure 14 page suivante).

Figure 14 : L’albédo correspond au rapport entre énergie reçue et énergie réfléchie

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Source : Météo France : comprendre.meteofrance.com

L’albédo s’exprime en fraction de 0 à 1, où 1 représenterait une surface qui réfléchirait 100 % de l’énergie et 0 une surface qui absorberait entièrement les rayonnements sans aucune réflexion (COLOMBERT, 2008). Ainsi, une surface dont l’albédo est inférieur à 0,03 (ou 3 %) est perçue comme noire, celle dont l’albédo est supérieur à 0,8 (ou 80 %) est perçue comme blanche (figure 15). Une surface parfaitement blanche ou un miroir parfait réfléchi 100 % de la lumière, et a donc un albédo de 1, à l’inverse, une surface parfaitement transparente ou d’un noir parfait a un albédo de 0 (Ibid.). L’albédo est source de réchauffement des centres urbains (Ibid.).

Figure 15 : Les albédos de la ville

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Source : COLOMBERT, 2008

Concevoir et aménager un espace découlent aux choix des matériaux selon différentes exigences techniques, notamment en fonction des coûts et des besoins de sécurité et de durabilité (AIDA et GOTOH 1982 ; BRATTEBO et BOOTH, 2003). Il semble toutefois que les considérations environnementales, comme la lutte aux îlots de chaleur urbains, aient été généralement négligées jusqu’à maintenant (Ibid.).

2.1.1.5 Le modèle d’urbanisation

Le modèle d’urbanisation et de développement de la ville serait la cause principale des îlots de chaleur (OKE, 1988). La ville concentre naturellement plusieurs activités humaines émettrices de chaleur et des matériaux qui emmagasinent de la chaleur et qui le restituent plus tard (une fois que la température de l’air est redescendue). Ainsi, le flux thermique de l’atmosphère urbaine reste toujours positif (figure 16).

Figure 16 : Flux d’énergie et de rayonnement au-dessus d’une zone urbaine et d’une zone rurale

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Source : COLOMBERT, 2008

La densité de construction n’est pas un élément à négliger. Tout d’abord, parce que les bâtiments déploient des surfaces de réflexion des rayonnements infrarouge. Ensuite, parce ce qu’ils font obstacle aux écoulements d’air qui dissipent la chaleur (figure 11). Ensuite, au niveau du sol, la vitesse du vent est sensiblement plus faible qu’au-dessus des bâtiments qui freinent la circulation de l’air, ce que l’on appelle la longueur de rugosité (COLOMBERT, 2008).

La morphologie urbaine peut également influencer la circulation automobile, même l’encourager et contribuer ainsi à la formation îlots de chaleur urbains et à la dégradation de l’air engendrée par ce mode de transport (OKE, 1988). L’influence de la forme urbaine à l’échelle de la ville sur le climat se retrouve également à l’échelle de la rue et du quartier en fonction de la forme des îlots urbains et de leur orientation (Ibid.).

2.1.1.6 Les polluants

Les polluants présents dans l’atmosphère urbaine créent un dôme au-dessus d’une ville qui a un impact sur la température du milieu. En effet, il emprisonne la chaleur qui pénètre dans l’atmosphère urbaine et crée un effet de serre local qui emprisonne les rayons du soleil et influence les bilans radiatifs et d’énergie (MESTAYER et ANQUETIN, 1995)

2.1.2 Méthode d’observation de l’îlot de chaleur urbain

Pour chacun des trois types d’ICU, il y a une méthode d’observation particulière (GARTLAND, 2008) :

2.1.2.1 Mesures de l’îlot de chaleur urbain de surface

La mesure de la température de surface en milieu urbain se fait généralement via l’approche appelée télédétection (WENG, 2009). Ce terme renvoie aux informations recueillies sous forme d’images par les satellites et les avions (VOOGT et OKE, 2003).

La télédétection permet d’aboutir à une information concernant l’ICU de surface couvrant une grande zone urbaine à un instant donné (LAGOUARDE et al, 2010). Plusieurs échelles horizontales sont disponibles en fonction de la résolution d’image souhaitée. Autrement dit, le détail qu’il est possible de discerner sur une image dépend de la résolution spatiale du capteur utilisé (SOBRINO et al, 2004).

La télédétection par drone est en plein essor (LEBAUT, 2021). Cette télédétection de proximité offre l’avantage d’une grande flexibilité par rapport à la télédétection satellite. Son échelle spatiale (prise d’image à basse altitude, environ 50m) est de l’ordre de 100 à 300 m², ce qui en fait donc un outil particulièrement adapté aux échelles fines (DROGUE, 2020).

2.1.2.2 Mesure de l’îlot de chaleur de la canopée urbaine

Les mesures de la température de l’air dans les environnements urbains sont généralement effectuées en plaçant des capteurs dans la couche limite de la canopée urbaine (LEBAUT, 2021).

Dans cette méthode in situ, il est possible de distinguer ce que l’on appelle :

• activité « Stationnaire ou fixe » : qui consiste à localiser des stations météorologiques dans l’agglomération urbaine étudiée puis à enregistrer des variables climatiques (LEBAUT, 2021).
• activité dite « mobile » – c’est-à-dire des itinéraires de déplacement en ville à pied ou en utilisant les transports (ARNFIELD, 2003).

2.1.2.3 Mesure de l’îlot de chaleur de la couche limite urbaine

Les mesures de la température de l’air dans les environnements urbains sont également effectuées en plaçant des capteurs dans la couche limite urbaine (LEBAUT, 2021).

Les méthodes sont nombreuses pour observer le phénomène d’îlot de chaleur dans la couche limite. Les premières mesures ont été prises par le biais de plusieurs ballons captifs lancés simultanément en zone urbaine et rurale ou encore à l’aide de grandes tours instrumentées (OKE, 1976). Ultérieurement, les équipes de recherche se sont tournées vers l’utilisation d’hélicoptères ou d’avions instrumentés (LECONTE, 2014).

2.1.3 Impacts de l’îlot de chaleur urbain

Les îlots de chaleur urbains présentent des risques pour la santé et l’environnement.

2.1.3.1 Effet sur l’environnement

2.1.3.1.1 Dégradation de la qualité de l’air extérieur

Les îlots de chaleur urbains conduisent ordinairement au smog². En effet, le smog est un type de pollution de l’air, composé de particules fines et d’ozone troposphérique. Il se forme lors de la réaction du soleil, de la chaleur et des polluants (oxydes d’azote (NOx) et composés organiques volatils (Cov) (AKBARI et al., 2001).

2.1.3.1.2 Dégradation de la qualité de l’air intérieur

Les températures élevées peuvent également affecter la qualité de l’air intérieur. Cela favorise la croissance des acariens, des moisissures et des bactéries. Certains produits toxiques, tels que la colle utilisée pour fabriquer des meubles et des matériaux de construction, sont libérés lors de fortes chaleurs (SALOMON et AUBERT, 2004).

2.1.3.1.3 Effet sur la santé

Par temps chaud, les îlots de chaleur urbains sont sujets aux problèmes de stress thermique. Ainsi, la chaleur étouffante générée par les îlots de chaleur urbains pourrait entraîner malaises, faiblesses, troubles de la conscience, convulsions, évanouissement, coup de chaleur, et même exacerber les maladies chroniques existantes, telles que le diabète, l’insuffisance respiratoire, les maladies cardiovasculaires et cérébrovasculaires, les maladies du système nerveux et les reins jusqu’à la mort (HEMON et JOUGLA, 2003). La figure 17 ci-après présente les seuils de risques de la thermorégulation.

Figure 17 : Thermorégulation, seuils de risques et confort thermique

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Source : med.univ-angers.fr et smbh.univ-paris13.fr Modifié par : ZOLO-M’BOU Dergy-Strede

2.1.4 Mesures de lutte aux îlots de chaleur urbains

L’objectif primordial de la lutte contre le problème des îlots de chaleur urbains est de réduire les risques sanitaires qui y sont associés, notamment ceux liés aux vagues de chaleur, et les problèmes causés par la pollution urbaine, notamment les problèmes respiratoires. Afin d’augmenter l’albédo des revêtements, pour ainsi limiter l’effet sur environnement et la santé humaine, plusieurs solutions peuvent être envisagées :

• Limiter l’impact des matériaux : par des moyens tels que des revêtements par des couleurs pâles,
• L’asphalte et le béton coloré : La technique consiste à ajouter des pigments pour augmenter la réflectivité du matériau.
• Mesure de végétalisation : En rendant le sol perméable (parcs, arbres, espaces verts, etc.), l’air peut être refroidi par l’évaporation du sol et la transpiration des plantes.
• Intégrer à la planification urbaine la bonne circulation des vents : Mener des recherches sur le mouvement de l’air dans une ville, notamment dans ses rues et ses espaces publics, permet d’identifier les zones qui causent de l’inconfort. Ces informations peuvent ensuite être utilisées pour mettre en œuvre des mesures correctives dans l’urbanisme et la conception du territoire.
• Intégrer l’inertie thermique dans le choix des matériaux : La capacité d’une substance à accumuler de la chaleur et à retarder sa libération pendant une période déterminée (appelée temps de déphasage) est ce qui détermine son inertie thermique.

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¹ Plus de détail consulté : Ecole nationale supérieure d’architecture de Grenoble : Grenoble.archi.fr ↑

² Pour plus de detail consultez, Notre-planète-info http://www.notre-planete.info/ ↑