Végétation urbaine et « îlots de fraîcheur »

La végétalisation des villes connaît ces dernières années un remarquable essor grâce à des programmes d’envergure. Parmi les plus ambitieux figurent ceux portés par la région Hauts-de-France [1] (plantation effective depuis 2020 de plus d’un million d’arbres sur le territoire régional) ou par l’intercommunalité de Bordeaux Métropole [2] (un million d’arbres également, entre 2020 et 2030, objectif atteint à 60 % en 2025). Les motivations de tels projets ? D’après leurs promoteurs [3], il s’agit de bénéficier du pouvoir rafraîchissant de la végétation, et notamment de l’arbre (un « climatiseur naturel »), de sa contribution à la qualité de l’air, la régulation hydraulique et la capture du dioxyde de carbone, et plus largement du sentiment de bien-être que les espaces verts procurent aux habitants en embellissant leur cadre de vie et en leur offrant des espaces récréatifs.

Nous n’aborderons ici que le rôle de la végétation sur le rafraîchissement de l’atmosphère urbaine et la limitation de « l’îlot de chaleur urbain » (voir l’article dédié dans ce dossier).

Les mécanismes de « rafraîchissement »

La végétation est présente en ville sous de multiples formes : grands parcs urbains plus ou moins arborés, jardins publics, squares, rondspoints végétalisés, jardins de particuliers, alignements d’arbres le long des rues, réseaux de noues (fossés plantés récupérant les eaux pluviales), coulées vertes, parcelles agricoles, toits et façades végétalisés. Son action sur le microclimat résulte de deux mécanismes principaux : ombrage et évaporation.

L’ombrage
Toute scène urbaine, végétalisée ou non, est un lieu d’échanges de rayonnement solaire et thermique, dont le bilan (les apports moins les pertes, ou « rayonnement net ») représente l’énergie radiative disponible au niveau des différentes surfaces considérées (feuilles, matériaux urbains, piétons, etc.). Un arbre au feuillage modérément dense réfléchit 15 % du rayonnement solaire incident et en absorbe 70 % ; il ne laisse donc passer que 15 % de l’énergie, qui rejoint la surface qu’il ombrage. La présence du feuillage a ainsi deux effets : elle limite localement l’échauffement des matériaux urbains (murs, trottoirs, chaussée…), et elle limite la quantité de rayonnement reçu par le piéton, sur sa peau et ses vêtements, lui procurant ainsi une moindre sensation de chaleur qu’au soleil. À l’ombre d’un arbre isolé, cette sensation n’est en effet pas due à une température de l’air plus basse, car cette dernière y est sensiblement identique à celle que l’on peut mesurer hors de l’ombre : il y a toujours suffisamment de vent pour uniformiser les températures (voir l’encadré).

L’évaporation
Sur une surface donnée, le rayonnement net est converti en chaleur sous plusieurs formes : une partie est cédée à l’atmosphère et la réchauffe, une partie chauffe le matériau lui-même, et une partie est utilisée pour transformer en vapeur l’eau liquide éventuellement présente. L’équilibre de ces différents termes détermine la température de la surface.

C’est ainsi que sur une scène urbaine où sont présentes des plantes bien alimentées en eau, une part importante du rayonnement net est utilisée pour générer un flux de vapeur d’eau, alimenté par plusieurs sources : évaporation de l’eau du sol, de celle des surfaces végétales après une pluie ou une rosée, et transpiration des plantes ¹. Ce mécanisme a trois conséquences : il humidifie l’atmosphère ; il limite le stockage de chaleur dans les matériaux et baisse leur température de surface ; il limite aussi l’échauffement de la masse d’air puisque seule une faible partie de l’énergie incidente reste disponible à cet effet. Il s’agit là d’un mécanisme bien connu, mais fréquemment sujet à des interprétations fantaisistes ( voir l’encadré). Si en revanche la végétation souffre de sécheresse, cas relativement fréquent en été, le flux de vapeur d’eau est faible ou nul et les plantes ne peuvent limiter leur échauffement par évapotranspiration.

Les végétations urbaines

Effet de la végétation à l’échelle de la ville
De nombreuses études ont été menées en superposant des cartographies thermiques de villes entières, obtenues depuis des avions ou des satellites, à des cartes d’occupation du sol à fine résolution. De manière générale, elles montrent, en journée, une corrélation négative entre la température « de surface » (ou température moyenne des éléments urbains) et la densité locale de végétation (quantité de biomasse, fraction d’espaces verts…). Dans un exemple obtenu sur Rotterdam [4], dans des conditions estivales typiques et en milieu de journée, on passe ainsi d’une température de 30 °C dans des zones comportant 5 % d’espaces verts à 22 °C pour 65 %. Dans une étude similaire menée sur l’agglomération parisienne pendant la canicule de 2003 [5], on observe également une baisse d’environ 10 °C entre les zones les plus bâties et celles qui sont les plus végétalisées. Ces fortes baisses de température des surfaces observées, dues principalement à l’effet de l’évaporation, ne se traduisent pas par des variations aussi fortes de la température de l’air, qui est plus « tamponnée » en raison de l’homogénéisation de l’atmosphère par le vent.

Parcs urbains
Le parc urbain, surtout s’il est arboré, est emblématique des îlots de fraîcheur, car il combine effets radiatifs (ombrage du feuillage) et évaporatoires (si la végétation est suffisamment alimentée en eau). Si ce cas, bien documenté, montre une grande variété de résultats selon la latitude, le contexte urbain, la taille et la nature des parcs (notamment les proportions de pelouse et de couvert arboré), plusieurs revues de la littérature permettent de tirer quelques grandes tendances (voir par exemple [6, 7]).

De manière générale, plus la couverture arborée d’un parc est grande, plus il est frais : les effets d’ombrage sont plus importants, et un arbre peut transpirer plus d’eau qu’une pelouse occupant la même surface au sol, car ses racines lui permettent de puiser l’eau plus profondément et retarder ainsi une éventuelle sécheresse. Une pelouse continue et bien irriguée a elle-même une température de surface basse, parfois inférieure à celle de l’air. Par rapport à l’espace bâti autour du parc, les baisses de température de l’air à hauteur de piéton sont ainsi comprises, typiquement, entre 0,2 et 2 °C en milieu de journée, et peuvent dans certains cas atteindre 5 à 6 °C. Un parc peut toutefois s’avérer plus chaud que l’extérieur (avec un gazon sec et peu d’arbres, par une journée d’été bien ensoleillée, et si dans les rues adjacentes, l’ombre des bâtiments limite suffisamment l’échauffement du sol et des parois). Enfin, pour un parc donné, la baisse est souvent plus forte la nuit que le jour, non par effet évaporatoire (les plantes ne transpirent quasiment pas la nuit) mais parce que les zones bâties alentour ont absorbé plus de chaleur pendant la journée, qu’elles restituent progressivement la nuit) ; cette baisse est d’autant plus sensible que le parc est peu arboré, car le sol y est exposé à un plus fort refroidissement radiatif par la voûte céleste.

L’effet rafraîchissant augmente avec la taille du parc, mais de façon non linéaire car la température tend à se stabiliser au-delà d’une certaine taille, variable selon les études (0,5 à 5 ha, parfois un peu plus). La zone d’influence du parc s’étend dans les rues adjacentes, suivant le sens du vent lorsque celui-ci est significatif. La portée du rafraîchissement à l’extérieur du parc augmente elle aussi avec sa taille (elle est de l’ordre de sa longueur) ; dans cette zone, la température remonte au fur et à mesure que l’on s’éloigne du parc, fortement d’abord, plus progressivement ensuite. Il semblerait que quelques grands parcs arborés provoquent un plus grand rafraîchissement urbain que de nombreux petits parcs : pour des surfaces affectées similaires, les baisses de température au sein du parc sont plus fortes dans le premier cas, et se répercutent sur de plus grandes distances dans son voisinage. Enfin, la forme du parc joue également un rôle : des parcs allongés ou de forme irrégulière ont un moindre effet rafraîchissant car leur longue interface avec les rues adjacentes favorise la pénétration d’air chaud.

Arbres de rue
À l’échelle de la ville, l’ensemble des arbres de rue, isolés ou en alignements, contribue à limiter l’intensité de l’îlot de chaleur urbain, à la fois par leur ombrage qui entraîne une baisse locale de la température de surface des bâtiments et de la voirie – limitant ainsi les besoins en climatisation –, et par leur transpiration. En contexte urbain, cette dernière peut être faible car il n’est pas rare que les arbres souffrent d’un stress hydrique, entraînant une fermeture partielle ou totale de leurs stomates.

Pour le piéton, l’effet le plus sensible est celui de l’ombre – qui s’ajoute à celle des bâtiments –, dont l’intensité dépend de la densité du feuillage, de la taille des feuilles, de la géométrie de la couronne. À l’échelle d’un arbre, cet effet d’ombrage diminue la charge radiative sur le passant mais reste très limité spatialement et ne modifie la température de l’air que de manière anecdotique. Avec un ensemble d’arbres d’alignement, comme il en existe dans de nombreuses avenues, l’impact sur la température de l’air peut être de 1 à 2 °C si la circulation automobile n’est pas intense [8]. Mais l’effet principal porte sur la température radiante ressentie par le piéton, qui est significativement plus basse (exposition plus faible à des parois chaudes ou réfléchissantes) [9]. L’effet rafraîchissant peut se propager dans les rues adjacentes à la zone arborée ; il y décroît rapidement avec la distance à l’avenue et disparaît au bout de quelques dizaines de mètres au maximum.

Si l’effet de son ombrage sur le rafraîchissement est positif, la canopée arborée peut aussi avoir des effets négatifs. Par exemple, la présence dans une avenue d’une grande densité d’arbres d’alignement, aux couronnes jointives, peut fortement limiter la circulation d’air au sol et contribuer à augmenter la température ressentie [10]. Un couvert arboré dense dans une rue tend aussi à limiter le rafraîchissement nocturne en masquant le ciel, dont la température radiative est plus basse que celle du feuillage.

« Micro-forêts » de Miyawaki
Parmi les actions de végétalisation urbaine, la méthode dite de Miyawaki, du nom d’un botaniste japonais, rencontre un certain succès auprès de collectivités locales ou d’associations prônant le verdissement des villes. Il s’agit de planter, sur des espaces très réduits (de l’ordre de 100 à 300 m²), un ensemble très dense et varié d’essences d’arbres, arbustes et petites plantes, dans l’idée d’installer rapidement des écosystèmes forestiers autonomes en zone urbaine et de favoriser la biodiversité. Parmi les nombreux bienfaits vantés par les promoteurs de ces micro-forêts, leur rôle rafraîchissant supposé est en bonne place. Mais cela est faux : compte tenu de sa taille, ce type d’aménagement ne peut avoir qu’un effet minime sur le microclimat. Tout juste peut-on bénéficier localement de l’ombre des éléments végétaux les plus hauts ; mais une micro-forêt, par exemple de 10 m sur 15 m, n’a aucune capacité à « faire baisser la température d’un degré dans un rayon de 100 mètres », contrairement à ce qu’a pu affirmer un édile [11].

Toitures et façades vertes
Quelques points sont à retenir des nombreuses études menées ces dernières années (voir par exemple [12, 13]).

Si la végétation y est suffisamment dense, les façades et toitures végétales sont de bons isolants qui, pour des bâtiments non isolés, diminuent de façon significative la consommation énergétique, aussi bien en hiver pour le chauffage qu’en été pour la climatisation.

Même si leur température de surface est plus basse que celle de toitures classiques, les toitures végétales ont peu d’effet sur la température de l’air, compte tenu de leur surface souvent limitée à quelques bâtiments ; comme elles sont situées en hauteur, elles n’ont en outre pas d’impact direct sur le confort du piéton.

Les façades vertes peuvent améliorer ce confort thermique, non par un effet direct sur la température de l’air (sauf à proximité immédiate), mais en exerçant sur lui une moindre charge radiative : une paroi végétalisée réfléchit moins le rayonnement solaire (son albédo est plus faible) et émet moins de rayonnement thermique (sa température est plus basse) qu’une paroi nue. À l’échelle de la ville et à moins d’une végétalisation massive, l’impact de façades végétales sur la température de l’air est faible.

Enfin, l’alimentation des façades et toitures végétales consomme beaucoup d’eau, ce qui, en plus de lourdes contraintes techniques liées à l’étanchéité, peut poser des problèmes dans les régions où la ressource n’est pas abondante, ce qui semble être le cas du climat futur dans une bonne partie de la France hexagonale.

Végétalisation des sols urbains
Au-delà des cas déjà vus, la végétalisation d’autres types de surfaces urbaines peut sembler une solution complémentaire pour abaisser la température de la ville. À titre d’exercice, des simulations ont par exemple été réalisées pour déterminer ce qui se serait passé à Paris pendant la canicule de 2003 si 25 %, 50 % ou 75 % des surfaces disponibles de type trottoir ou rond-point (toute surface au sol hors chaussée) avaient été engazonnées [14], l’idée étant qu’un sol enherbé ne s’échauffe pas autant qu’une portion de bitume au soleil (sa température reste proche de celle de l’air). Les résultats de l’étude, hélas menée sans simulation d’arrosage, ont montré que même avec 75 % de surface végétalisée, la température de l’air minimale ne diminuerait que d’environ 0,5 °C, tandis que la maximale, elle, diminuerait de 1 à 2 °C. Si les baisses obtenues par engazonnement des surfaces disponibles sont donc réelles, elles restent toutefois modérées à l’échelle de la ville. Une pelouse ne produit en outre pas d’ombrage et exerce peu d’effet local sur la température de l’air ; elle n’apporte ainsi guère d’avantage au piéton.

Penser la ville verte

Sous ses différentes formes, la végétation urbaine joue donc un rôle à la fois sur la limitation de l’îlot de chaleur urbain et sur le confort des piétons : il n’est pas abusif de parler d’« îlots de fraîcheur » dans une ville, si l’on définit bien de quoi l’on parle, c’est-à-dire de zones où le microclimat ressenti par le piéton lui est plus agréable que dans des zones minérales où l’exposition au soleil estival peut s’avérer pénible. Il faut pour cela soit un effet local d’ombrage qui diminue la charge radiative, soit un effet évaporatoire qui se manifeste à plus grande échelle et conduit à une baisse appréciable de la température. La combinaison des deux effets s’opère particulièrement bien dans un parc urbain arboré de grande taille.

Les différentes formes de végétation urbaine doivent être pensées comme complémentaires, certaines étant plus aptes à améliorer l’environnement immédiat des citadins, d’autres exerçant une action plutôt à l’échelle de la ville. Cette complémentarité doit aussi être considérée par le biais d’autres solutions, qu’elles soient « grises » (formes urbaines, revêtement des sols et parois, mobilier urbain comme les fontaines et les structures d’ombrage…) ou « vertes » (plans d’eau, rivières, ouvrages de gestion des eaux pluviales…) [15]. Outre leur côté récréatif et esthétique, les plans d’eau et les rivières sont des atouts intéressants, dans des parcs urbains comme ailleurs : certes, ces espaces ne produisent pas d’ombrage, mais leur effet sur la fraîcheur de l’air est réel. Ils convertissent en évaporation une part majeure de l’énergie solaire incidente et, comme on peut le voir sur les images thermiques, présentent les températures de surface les plus basses de la ville ; en période de canicule, leur température est souvent bien inférieure à celle de l’air. Dans le cas d’un plan de grande taille ou d’une rivière de bonne largeur, l’effet rafraîchissant peut être ressenti au-delà de son voisinage immédiat. Comme on l’a évoqué, l’augmentation résultante de l’humidité de l’air peut cependant dégrader le confort thermique si l’air environnant est déjà chaud et humide.

Enfin, il est capital dans les futures études de penser les scénarios de verdissement urbain en termes de compromis : comment favoriser l’ombrage des rues sans restreindre trop fortement leur ventilation ? comment végétaliser la ville sans conduire à une consommation d’eau qui pourrait s’avérer problématique dans des contextes de restriction ? comment éviter certains effets secondaires que nous n’avons pas abordés ici (émission de pollens allergènes ou de composés organiques susceptibles d’entraîner une augmentation de la teneur en ozone) ? Ces questions demandent de toute évidence une approche transdisciplinaire de la végétalisation des villes car elles débordent largement le seul cadre du microclimat. La végétation remplit notamment des fonctions plus subjectives liées à l’esthétique, au bien-être du citadin, au lien social que peuvent favoriser les espaces verts. C’est bien l’ensemble des services écosystémiques procurés aux êtres humains par la végétation urbaine qu’il faut prendre en compte dès lors qu’on imagine des schémas de verdissement [16].