Îlot de chaleur urbain : causes et impacts

Parmi les impacts du changement climatique, la hausse des températures menace particulièrement les populations urbaines. On observe déjà une augmentation de l’intensité, de la fréquence et de la durée des vagues de chaleur et les projections climatiques indiquent une aggravation supplémentaire au cours des prochaines décennies [1].

En ville, l’intensité des vagues de chaleur est exacerbée par le phénomène d’îlot de chaleur urbain (ICU) se traduisant par une température plus élevée qu’à la campagne, particulièrement la nuit mais aussi en journée, et pouvant dégrader le confort et la santé des habitants. Les nuits chaudes empêchent les organismes, déjà éprouvés pendant la journée lors des épisodes caniculaires, de se reposer correctement pendant le sommeil.

Causes de l’îlot de chaleur urbain

Dans un environnement urbain, les matériaux des bâtiments et des surfaces urbaines emmagasinent l’énergie apportée par le rayonnement solaire le jour et la restituent à l’atmosphère urbaine une fois le soleil couché. L’air au-dessus de la ville se refroidit de ce fait moins qu’à la campagne, contribuant ainsi à l’ICU. Ce phénomène, essentiellement nocturne, conduit à un écart de température de quelques degrés entre une agglomération et les zones moins urbanisées aux alentours.

Une deuxième cause majeure est la faible présence de végétation et d’eau. Dans les milieux naturels, une grande partie de l’énergie solaire est utilisée par l’évapotranspiration (évaporation de l’eau des sols et transpiration des plantes), ce qui limite l’échauffement de l’air. En ville, les surfaces imperméabilisées dominent et la végétation est peu présente. Une faible part de l’énergie solaire est donc convertie pour l’évaporation, ce qui contribue à un échauffement supplémentaire de l’air.

La géométrie urbaine joue également un rôle important. Les rues étroites bordées d’immeubles forment des « canyons urbains » qui renforcent l’absorption du rayonnement solaire et limitent les échanges d’air avec l’atmosphère environnante. De plus, le rayonnement infrarouge émis par les surfaces est partiellement réabsorbé entre les façades, ce qui réduit le refroidissement nocturne.

S’ajoute à cela la chaleur directement produite par les activités humaines, appelée chaleur anthropique. Les moteurs des véhicules, l’eau chaude sanitaire, la consommation électrique, l’activité économique et même l’activité du corps humain contribuent à un apport thermique supplémentaire. Cette source est particulièrement significative dans les centres denses. La climatisation est particulièrement intense pendant les périodes de canicule et contribue à réchauffer l’air extérieur d’environ 0,5 °C pour une ville comme Paris [2] (voir l’encadré ci-dessous).

Enfin, les bâtiments réduisent la circulation du vent, ce qui peut limiter la dispersion de la chaleur et des polluants. En conditions anticycloniques, fréquentes lors des canicules, cette mauvaise ventilation accentue fortement l’îlot de chaleur.

Impacts de l’îlot de chaleur urbain

Météo-France et le CNRS ont modélisé les effets d’ICU dans 42 villes françaises [3]. Les résultats confirment que toutes les villes sont touchées par ce phénomène, mais son intensité dépend de la morphologie urbaine (concentration et forme des bâtiments par exemple), la nature des matériaux urbains utilisés et le mode d’occupation des sols (surface imperméable, végétation…). La plage horaire où l’ICU est le plus fort se situe entre 4 et 6 heures du matin. Il est assez faible en journée.

Ces intensités peuvent être encore plus fortes en cas de situation anticyclonique par vent faible et ciel clair, comme durant les canicules. Avec son tissu urbain très dense, Paris génère ainsi un ICU qui se traduit par des différences de températures nocturnes avec les zones rurales voisines de l’ordre de 2,5 °C (en moyenne annuelle). Ces différences peuvent atteindre 10 °C pendant une canicule estivale.

Sous l’effet du changement climatique, que ce soit en ville ou à la campagne, les températures vont augmenter. Les périodes pendant lesquelles la température est inconfortable vont devenir plus fréquentes, et l’effet sur la santé et le confort des habitants est renforcé par l’ICU. Les simulations indiquent que, dans le cadre du changement climatique, l’évolution de son amplitude sera négligeable devant l’augmentation des températures moyennes [4]. L’évolution de l’ICU va surtout dépendre de l’expansion urbaine et des actions menées pour limiter son amplitude.

Réduire l’îlot de chaleur urbain

Les actions visant à réduire l’ICU reposent sur quatre grands principes : moins stocker la chaleur, plus évaporer, mieux ventiler et moins produire de chaleur. Ces solutions sont connues dans leur principes, éprouvées sur quelques sites, même si leur mise en œuvre dépend du contexte local.

La première famille de solutions consiste à introduire du végétal et de l’eau en ville (voir l’article « Végétation urbaine et “îlots de fraîcheur” » dans ce dossier). Les arbres, parcs, jardins, toitures et façades végétalisées permettent de refroidir l’air par ombrage et par évapotranspiration. Une partie de l’énergie solaire est alors utilisée pour évaporer l’eau plutôt que pour chauffer l’air. Les arbres sont particulièrement efficaces car ils combinent ombre et évapotranspiration, conduisant à une amélioration du confort thermique des piétons. Cette solution nécessite une désimperméabilisation des sols pour que l’eau des précipitations soit stockée dans le sol plutôt qu’évacuée par le réseau de gestion des eaux pluviales. Les surfaces en eau (bassins, fontaines, rigoles) peuvent également contribuer à un refroidissement local, à condition d’être bien intégrées pour éviter les effets indésirables (consommation d’eau, humidité excessive, présence de moustiques et de crapauds).

Un deuxième levier important est le choix des matériaux urbains. Les surfaces claires ou réfléchissantes (toitures dites cool roofs, revêtements clairs) absorbent moins le rayonnement solaire que l’asphalte ou les matériaux sombres. Cela réduit directement le stockage de chaleur pendant la journée et donc les températures nocturnes. De même, certains matériaux perméables ou à faible capacité thermique (bois, laine de roche) limitent l’accumulation de chaleur par rapport aux surfaces minérales classiques (pierre, béton).

La forme urbaine et l’architecture jouent également un rôle. Une meilleure orientation des rues, des hauteurs de bâtiments adaptées et des espaces ouverts bien répartis peuvent améliorer la ventilation naturelle et faciliter l’évacuation de la chaleur, notamment la nuit. À l’échelle du bâtiment, l’isolation, les protections solaires (brise-soleil, volets), la limitation des surfaces vitrées exposées et la ventilation naturelle réduisent la surchauffe intérieure et donc le recours à la climatisation qui refroidit l’intérieur mais chauffe l’air extérieur.

Un autre levier souvent sous-estimé est la réduction des sources de chaleur anthropique. Le trafic automobile, le chauffage, la climatisation et toutes les consommations électriques rejettent directement de la chaleur dans l’espace urbain. Pendant les périodes de canicule, le chauffage est faible et réduit à l’eau chaude sanitaire et à la cuisson pour lesquels les leviers d’action sont limités. L’apport calorique dû au trafic peut être limité d’une part par une réduction des usages, mais aussi par le passage d’une motorisation thermique à l’électrique compte tenu du gain en efficacité très important (facteur d’au moins 3). Limiter les apports énergétiques de la climatisation passe par une modération des usages (température de consigne élevée, limitation des volumes refroidis) et par l’isolation thermique des bâtiments.

Une autre option pour limiter les impacts thermiques de la climatisation individuelle est le développement de réseaux mutualisés de froid qui, sur le principe de la climatisation, optimisent la production et la distribution d’eau glacée, et rejettent la chaleur récupérée de manière moins impactante (systèmes humides, ressource naturelle, réseaux de chaleur, etc. ). Un tel réseau est déployé à Paris depuis plus de 30 ans [5].

Utiliser une ressource naturelle comme la Seine pour évacuer la chaleur collectée est une solution efficace. La température de rejet, de l’ordre de 3 à 4 °C de plus que la température en amont, est minutieusement contrôlée selon des normes environnementales strictes. Le maillage du réseau permet en outre de solliciter les centrales utilisant d’autres exutoires (tour aéroréfrigérante) en cas de nécessité pour respecter les limitations.

L’usage d’un réseau de froid, plutôt que des systèmes de climatisation individuels, permet de réduire l’impact de ces systèmes sur les températures extérieures [6] et donc de limiter l’amplitude de l’ICU.

Conclusion

Avec le réchauffement climatique, toute la population française sera exposée à des canicules plus fréquentes, plus intenses et plus longues. Les conséquences de ces canicules peuvent être exacerbées en ville du fait du phénomène d’ICU qui se manifeste surtout la nuit, ce qui limite d’une part la possibilité d’un refroidissement passif des logements, et d’autre part impacte fortement la qualité de sommeil des citadins. Des solutions existent pour limiter l’intensité de l’ICU, mais elles ne peuvent pas l’annuler totalement, et les possibilités de mise en œuvre dépendent du contexte local.