Pourquoi la forêt est-elle plus fraîche que la ville ?
― Les arbres refroidissent l'air comme s'ils transpiraient
Un jour d'été, quand on quitte l'asphalte brûlant pour entrer dans un parc ou une forêt, on sent parfois l'air fraîchir d'un coup. Une fraîcheur que la simple ombre ne suffit pas à expliquer. Les arbres ne font pas que bloquer le soleil : ils évaporent sans cesse de l'eau et prélèvent ainsi de la chaleur directement dans l'air ambiant, semble-t-il.
Un après-midi de plein été, après avoir marché sur une route d'asphalte qui renvoie une chaleur intense, on entre dans un parc bordé d'arbres ou dans une forêt dense, et la sensation de fraîcheur change nettement.
Entrer dans l'ombre d'un immeuble rafraîchit aussi, certes, mais la fraîcheur de la forêt semble souvent aller un cran plus loin.
Dans les deux cas, le soleil direct est pourtant bloqué. D'où vient alors cette différence ?
L'ombre d'un immeuble comme celle de la forêt bloquent toutes deux le soleil direct. Pourtant, la fraîcheur ressentie diffère.
L'arbre puise de l'eau par ses racines et la rejette en permanence sous forme de vapeur d'eau par ses feuilles. Cette évaporation prélève de la chaleur alentour.
La « transpiration » végétale évoquée dans comment l'arbre fait monter l'eau si haut agit ici comme un véritable dispositif de refroidissement.
L'ombre seule ne suffit pas à l'expliquer
L'ombre d'un immeuble et celle des arbres d'une rue ont ceci en commun qu'elles bloquent toutes deux le soleil direct. Mais les murs des immeubles et l'asphalte absorbent le rayonnement solaire là où ils sont exposés, et continuent d'en stocker la chaleur. Et comme on l'a vu dans le mécanisme des îlots de chaleur urbains, ils restituent cette chaleur accumulée à l'air ambiant, de jour comme de nuit. Même à l'ombre, on subit donc l'influence de cette chaleur environnante.
En forêt, en revanche, la quantité de rayonnement solaire qui atteint le sol et les troncs est déjà plus faible, et les « surfaces dures qui réfléchissent la chaleur », principales responsables du stockage thermique, sont rares. Mais cela seul ne suffit pas à expliquer le niveau supplémentaire de fraîcheur de la forêt.
Les arbres « transpirent » sans relâche
L'arbre puise de l'eau par ses racines et la rejette en permanence sous forme de vapeur d'eau, par de minuscules pores des feuilles appelés stomates. C'est ce qu'on appelle la transpiration. La quantité d'eau qu'un arbre rejette en une journée varie selon sa taille, son espèce et le climat, mais elle peut dépasser 100 litres pour un grand arbre, semble-t-il.
Cette transpiration repose sur le même principe de base que la sueur qui abaisse la température du corps humain. Elle exploite le fait que l'eau, en passant de l'état liquide à l'état gazeux (vapeur d'eau), absorbe de la chaleur ambiante.
mais aussi de ce « prélèvement de chaleur » par l'évaporation.
L'évaporation de l'eau prélève de la chaleur ambiante
Pour que l'eau devienne vapeur, il faut une énergie suffisante pour vaincre les forces qui lient les molécules entre elles. Cette énergie s'appelle la chaleur latente de vaporisation (ou d'évaporation).
Si l'on frissonne juste après être sorti d'une piscine, c'est parce que l'eau sur la peau, en s'évaporant, prélève la chaleur du corps. Lorsque la vapeur d'eau s'échappe des feuilles d'un arbre, c'est exactement le même mécanisme qui prélève de la chaleur à l'air environnant.
À l'échelle de la forêt entière, une multitude de feuilles répètent sans cesse ce « refroidissement par chaleur latente ». Cet effet s'ajoute à celui de l'ombre et rendrait la forêt encore plus fraîche que la ville. Le volet dépliable suivant permet d'estimer, avec des chiffres, la quantité de chaleur réellement prélevée.
La différence avec l'asphalte joue aussi un rôle
Le sol et les feuilles de la forêt absorbent et stockent beaucoup moins de rayonnement solaire que l'asphalte. De plus, la forêt bloque certains courants d'air ou modifie, à l'inverse, la circulation de l'air près du sol, ce qui atténuerait dans une certaine mesure l'arrivée directe de l'air réchauffé venu des zones urbaines. Il semble que la réalité soit plutôt que l'ombre, la transpiration, le faible stockage de chaleur et les changements de circulation de l'air se combinent pour créer la fraîcheur de la forêt.
Les espaces verts urbains, comme les parcs ou les arbres d'alignement, sont plus petits qu'une forêt, mais on rapporte qu'ils rafraîchissent aussi leur environnement par le même mécanisme de transpiration. C'est notamment pour cette raison que l'aménagement d'espaces verts et l'entretien des arbres de rue sont envisagés comme mesures contre les fortes chaleurs estivales.
Une expérience à faire soi-même
- Déposer un peu d'eau sur le dos d'une main (laisser l'autre sèche)
- Attendre quelques dizaines de secondes, sans éventail ni ventilateur, mains immobiles
- Constater que la main mouillée paraît plus fraîche
- Agiter un éventail pour accélérer l'évaporation, et constater que la sensation de froid s'intensifie encore (plus l'évaporation est rapide, plus la chaleur est prélevée vite)
Quand la vapeur d'eau s'échappe des feuilles d'un arbre, c'est exactement cette même « chaleur latente » qui prélève la chaleur ambiante.
En résumé
Si la forêt est plus fraîche que la ville, c'est parce que les arbres ne se contentent pas de bloquer le soleil : ils évaporent sans cesse de l'eau (transpiration) et prélèvent ainsi de la chaleur à l'air ambiant, semble-t-il. C'est le même mécanisme de chaleur latente que celui qui refroidit le corps par la sueur. De plus, le fait de ne pas stocker la chaleur comme l'asphalte, et de modifier la circulation de l'air, jouerait aussi un rôle dans cette fraîcheur.
La forêt ne fait pas qu'éviter le soleil.
Elle refroidit sans cesse l'air lui-même, en évaporant de l'eau en permanence.
Pour aller plus loin ― vocabulaire, chiffres, liens avec les manuels scolairesDu niveau collège aux sujets encore en recherche, le niveau de chaque partie est indiqué
- CollègeProgramme de sciences du collège
- LycéeProgramme de « chimie » et « physique » de base au lycée
- Lycée+Programme de « biologie » au lycée, ou contenu approfondi / encadré du manuel
- UniversitéNon vu au lycée : matière spécialisée universitaire (sciences de l'environnement, météorologie)
- RechercheSujet que même l'université n'enseigne pas comme « établi » : une question encore étudiée par les chercheurs
CollègeVocabulaire : les mots de la fraîcheur forestière
- Transpiration (végétale) : fonction par laquelle une plante rejette de l'eau sous forme de vapeur, via les stomates de ses feuilles.
- Chaleur latente de vaporisation (ou d'évaporation) : chaleur absorbée à l'ambiance lorsqu'un liquide devient gaz.
- Îlot de chaleur : phénomène par lequel la température d'une zone urbaine devient plus élevée que celle des environs.
LycéeVérification par le calcul : combien de chaleur un arbre prélève-t-il en une journée ?
En multipliant la quantité d'eau qu'un arbre transpire en une journée par la chaleur latente de vaporisation de l'eau, on peut estimer la quantité de chaleur qu'un seul arbre prélève à son environnement.
Chaleur prélevée = masse d'eau évaporée × chaleur latente de vaporisation
| Masse d'eau évaporée | Unité : kg. 1 litre d'eau pèse environ 1 kg |
| Chaleur latente de vaporisation | Valeur de référence bien connue : environ 2,26×10⁶ J/kg (valeur type à 100 °C) |
| Chaleur prélevée | Unité : J (joule) |
La chaleur latente réelle varie un peu selon la température, mais on utilise ici une valeur type couramment employée dans les manuels pour donner un ordre de grandeur.
On prend, à titre indicatif, 100 litres (100 kg) d'eau transpirée par jour pour un grand arbre.
| Chaleur prélevée | 100 × 2,26×10⁶ = 2,26×10⁸ |
| Chaleur prélevée par jour | environ 2,26×10⁸ J |
Ce chiffre étant difficile à se représenter, convertissons-le en unité d'électricité (kilowattheure, kWh). 1 kWh vaut 3,6×10⁶ J.
| Conversion en kWh | (2,26×10⁸) ÷ (3,6×10⁶) ≈ 62,8 |
| Chaleur prélevée par jour (en kWh) | environ 62,8 kWh |
En prenant, à titre indicatif, 2,2 kW comme puissance frigorifique d'un climatiseur domestique, on peut convertir ainsi :
| Conversion en durée de fonctionnement | 62,8 ÷ 2,2 ≈ 28,5 |
| Durée équivalente | environ 28,5 heures |
La seule transpiration quotidienne d'un grand arbre prélève donc à l'air ambiant une quantité de chaleur comparable à celle qu'un climatiseur domestique retirerait en fonctionnant plus d'une journée entière. Pour une forêt entière, cet effet se multiplie par le nombre d'arbres.
※ La quantité de transpiration, la chaleur latente et la puissance du climatiseur sont toutes des valeurs indicatives. Les valeurs réelles varient beaucoup selon l'espèce, la taille de l'arbre, le climat et le modèle de l'appareil.
Lycée+La transpiration n'est pas toujours la même
La quantité d'eau transpirée par un arbre varie selon de nombreux facteurs : température, humidité, ensoleillement, vent, humidité du sol. On sait aussi que, lorsque le sol est sec, l'arbre ferme ses stomates pour limiter la transpiration et éviter de perdre trop d'eau. En sciences de l'environnement, on distingue la quantité théorique de transpiration possible selon les conditions météorologiques (évapotranspiration potentielle) et la quantité réellement transpirée (évapotranspiration réelle), qui ne coïncident pas forcément.
UniversitéLa notion de « répartition » de l'énergie reçue par le sol
En météorologie et en sciences de l'environnement, on étudie la façon dont l'énergie solaire reçue par la surface terrestre se répartit. Le rapport entre la « chaleur sensible », qui réchauffe directement l'air, et la « chaleur latente », utilisée pour évaporer l'eau, est exprimé par un indicateur appelé rapport de Bowen. On observe une tendance générale : plus un lieu est richement végétalisé et disposant d'eau, plus l'énergie sert de chaleur latente (évaporation), et moins la part de chaleur sensible (qui réchauffe directement l'air) est importante. C'est l'un des fondements quantitatifs qui expliquent pourquoi les forêts et espaces verts paraissent frais.
RechercheCe qui reste encore incertain
- Comment disposer les forêts et espaces verts en ville pour diffuser l'effet rafraîchissant le plus efficacement possible à l'ensemble de la ville reste un sujet de recherche en climatologie urbaine. L'effet varierait selon la forme, la taille de l'espace vert et la disposition des bâtiments alentour, mais des principes de conception optimaux restent encore à établir.
- L'impact de la hausse des températures et de l'assèchement liés au changement climatique sur la capacité de transpiration des forêts et espaces verts urbains eux-mêmes fait aussi l'objet de recherches en cours. On avance que l'assèchement pourrait limiter la transpiration et affaiblir l'effet rafraîchissant lui-même, mais l'ampleur de cet effet varierait selon la région et l'espèce d'arbre.
- Déterminer précisément, selon le lieu et la saison, quelle part de l'effet rafraîchissant de la forêt revient à l'ombre, à la transpiration, aux changements de circulation de l'air et au faible stockage de chaleur constitue également un thème de recherche en sciences de l'environnement.
La sensation de fraîcheur en forêt nous est familière, mais mesurer précisément cet effet et l'exploiter dans l'aménagement urbain reste un domaine de recherche actif.
Liens avec les manuels scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Passage correspondant de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences : changements d'état et fonctions des plantes | Vocabulaire de base : transpiration, chaleur latente |
| Lycée | Chimie / physique de base, changements d'état | Calcul de la chaleur prélevée par un arbre à partir de la chaleur latente |
| Lycée+ | Biologie, physiologie hydrique des plantes | Ouverture/fermeture des stomates et variation de la transpiration |
| Université | Météorologie, sciences de l'environnement | Répartition chaleur sensible / chaleur latente, rapport de Bowen |
| Recherche | Climatologie urbaine (en cours) | Optimisation de l'aménagement des espaces verts, changement climatique et capacité de transpiration |
- Document explicatif du ministère japonais de l'Environnement (環境省) sur les effets de la végétalisation dans la lutte contre les îlots de chaleur.
- Explications, dans des manuels de foresterie et sylviculture, sur la transpiration et l'effet modérateur des forêts sur le climat.
- Explications, dans des manuels de météorologie, sur la répartition entre chaleur sensible et chaleur latente (rapport de Bowen).
- Revue de recherche en climatologie urbaine (sur l'effet rafraîchissant des espaces verts urbains et la décomposition de ses facteurs).
- Mention, dans des manuels de chimie de base, de la valeur type de la chaleur latente de vaporisation de l'eau.
※ Les valeurs de transpiration, de chaleur latente et de puissance frigorifique de climatiseur sont des ordres de grandeur indicatifs ; les valeurs réelles varient fortement selon les conditions.
※ Cet article est une vulgarisation scientifique à destination du grand public. Pour des données et effets précis concernant l'aménagement d'espaces verts ou la planification urbaine, veuillez consulter les informations officielles du ministère de l'Environnement ou des collectivités locales.