Pourquoi les villes ont-elles si chaud ?
― La nuit, plus que le jour
Le même jour, sous le même temps, la température diffère de plusieurs degrés entre le centre-ville et la banlieue. Et c'est la nuit, pas le jour, que l'écart est le plus grand. Si les villes ont chaud, ce n'est pas « parce que le soleil y tape plus fort ». C'est parce qu'elles n'arrivent pas à se défaire, la nuit, de la chaleur accumulée.
Une nuit d'été, en marchant en ville, alors que le soleil s'est couché depuis des heures, la chaleur monte encore du sol. Si on approche la main de l'asphalte, il est encore tiède.
Pourtant, la même nuit, près d'un parc ou d'une rizière en banlieue, il fait frais. Dans une même ville, la sensation change complètement selon l'endroit.
Les relevés de température le confirment nettement. Ce n'est pas l'écart des températures maximales de la journée qui est le plus grand, mais l'écart des températures minimales, à l'aube.
La chaleur du jour, elle, est partout la même. Le problème des villes, c'est qu'elles ne refroidissent pas.
La terre et les plantes évacuent la chaleur en évaporant de l'eau. L'asphalte et le béton n'ont pas d'eau à évaporer. Sans cette échappatoire, la chaleur reste stockée telle quelle.
Par nuit claire, le sol rejette sa chaleur vers l'espace. Mais entouré de bâtiments, on ne voit qu'une petite portion de ciel, et la chaleur rejetée heurte les murs et revient.
À cela s'ajoute la chaleur rejetée par les climatiseurs et les voitures. Beaucoup de chaleur entre, peu en sort. Cet écart, c'est la chaleur de la ville. Voyons cela dans l'ordre.
Le facteur le plus déterminant : l'absence d'eau
Par temps clair, l'énergie solaire qui atteint le sol a deux destinations possibles. Chauffer le sol et l'air, ou évaporer de l'eau.
Quand l'eau s'évapore, elle absorbe une grande quantité de chaleur de son environnement. C'est exactement le même principe que la fraîcheur ressentie quand la sueur sèche. Sur la terre et l'herbe, une bonne part de l'énergie reçue est ainsi consacrée à l'évaporation. C'est pourquoi la température ne monte pas tant que ça.
Mais l'asphalte et le béton n'ont pas d'eau à évaporer. Même s'il pleut, l'eau part dans les égouts et disparaît. L'énergie, privée d'exutoire, sert entièrement à faire monter la température.
Par une journée d'été ensoleillée, la surface de l'asphalte peut, dit-on, dépasser 60 °C. Si elle devient brûlante au point qu'on ne peut plus la toucher, ce n'est pas seulement parce qu'elle est noire. C'est qu'il n'existe aucun mécanisme pour la refroidir.
Le sol urbain ne le peut pas.
Pourquoi la chaleur ne peut pas s'échapper la nuit
Par nuit claire, le sol rejette sa chaleur vers l'espace. C'est le refroidissement radiatif, le même phénomène qui fait apparaître le givre par les matins d'hiver.
Mais une condition s'impose : il faut que le ciel soit visible. Si la chaleur rejetée heurte des nuages, elle revient (c'est pour cela que les nuits nuageuses refroidissent moins bien). Et il se passe la même chose quand elle heurte des bâtiments.
Depuis une rue encaissée entre des immeubles, on ne voit du ciel qu'une bande étroite. L'essentiel de la chaleur qu'on voudrait rejeter est absorbé par les murs alentour, puis renvoyé. Et comme ces murs se sont eux aussi réchauffés pendant la journée, ils renvoient en plus leur propre chaleur.
De surcroît, les bâtiments des villes bloquent le vent. Le vent qui pourrait emporter la chaleur n'entre pas.
Résultat : la ville ne refroidit pas, même la nuit venue. C'est pour cette raison que l'écart de l'îlot de chaleur urbain s'accentue la nuit.
Un climatiseur ne fait pas disparaître la chaleur : il évacue vers l'extérieur la chaleur qui se trouve dans la pièce. Et comme il consomme de l'électricité pour ce transport, cette électricité ressort elle aussi sous forme de chaleur. La chaleur rejetée par l'unité extérieure est toujours supérieure à celle prélevée dans la pièce.
Un seul appareil n'a qu'un effet minime, mais quand tous les climatiseurs d'une ville fonctionnent en même temps, ce n'est plus négligeable. On a chaud, donc on utilise le climatiseur, et sa chaleur rejetée réchauffe encore plus la ville : c'est ce cercle-là.
Attention à ne pas mal comprendre. Il ne s'agit pas de dire qu'il faudrait se priver de climatiseur. Un coup de chaleur peut mettre la vie en danger. À l'intérieur, l'utiliser correctement reste la priorité ; les mesures à l'échelle de la ville (plus de verdure, changer les revêtements, mieux gérer la chaleur rejetée) relèvent d'un tout autre sujet.
De combien la chaleur a-t-elle augmenté ?
Les relevés de température sur le long terme montrent une hausse frappante en ville.
La température moyenne annuelle de Tokyo aurait augmenté d'environ 3 °C par siècle. En revanche, si l'on choisit des points peu affectés par l'urbanisation et qu'on fait la moyenne, on obtient environ 1,5 °C.
Cet écart serait attribuable à l'urbanisation elle-même. Autrement dit, les habitants des villes subissent, en plus du réchauffement climatique mondial, une chaleur supplémentaire.
Le changement le plus marqué concerne les températures minimales nocturnes. Les nuits où la température ne descend pas sous 25 °C (nuits tropicales) augmenteraient nettement dans les grandes villes. Ne pas pouvoir rafraîchir son corps pendant le sommeil accroît le risque de coup de chaleur.
Les mesures efficaces découlent du mécanisme
- Planter davantage de verdure ― Les arbres et les pelouses évaporent de l'eau et créent de l'ombre. En plus de « faire de l'ombre », ils « transpirent », ce qui les rend plus rafraîchissants qu'un simple toit ou pare-soleil
- Blanchir les toits et les murs ― En réfléchissant la lumière du soleil, la chaleur n'entre même pas. Les peintures très réfléchissantes abaisseraient nettement la température des toits
- Utiliser des revêtements qui retiennent l'eau ― Des revêtements capables d'absorber l'eau de pluie et de la laisser s'évaporer lentement sont déjà utilisés. C'est une façon de faire « transpirer » le sol
- Arroser les trottoirs (uchimizu) ― La méthode la plus directe, qui exploite la chaleur d'évaporation. Arrosé en plein soleil à midi, l'effet s'évapore vite et dure peu ; mieux vaut arroser le matin ou le soir, à l'ombre
- Préserver des couloirs d'air ― Utiliser les berges de rivière et les larges avenues comme couloirs par lesquels l'air frais peut pénétrer. La disposition des bâtiments y joue un rôle
À l'inverse, construire plus de bâtiments pour créer de l'ombre ne rend pas forcément la ville plus fraîche. On gagne de l'ombre, mais la chaleur s'évacue moins bien la nuit. La forme souhaitable diffère entre le jour et la nuit : c'est là toute la difficulté du problème.
Ce qu'on peut vérifier dehors
- Par une après-midi bien ensoleillée, sortez (n'oubliez pas chapeau et eau)
- Approchez la paume de la main de l'asphalte en plein soleil (attention, ne le touchez pas, c'est brûlant)
- Faites la même chose sur de la terre ou de l'herbe au soleil, tout près
- Essayez aussi avec de l'asphalte à l'ombre et de la terre à l'ombre, pour comparer les quatre
- Si possible, refaites la même chose deux heures après le coucher du soleil
Au soleil, l'écart entre l'asphalte et l'herbe est étonnant. Mais c'est l'observation nocturne qui marque le plus les esprits. L'herbe est déjà toute fraîche, alors que l'asphalte est encore tiède. C'est qu'il est en train de restituer la nuit la chaleur accumulée le jour. Limitez vos observations en extérieur par temps chaud, et surveillez votre état. En cas de suspicion de coup de chaleur, déplacez-vous à l'ombre, buvez et prenez du sel, et si les symptômes sont graves, n'hésitez pas à appeler les secours.
En résumé
Si les villes ont chaud, c'est la combinaison de ① l'incapacité du sol à évaporer de l'eau, si bien que la chaleur reçue se transforme directement en hausse de température, ② l'impossibilité, la nuit, pour la chaleur de s'échapper vers le ciel à cause des bâtiments environnants, et ③ la chaleur supplémentaire rejetée par les climatiseurs et les voitures. C'est surtout à cause du point ② que l'écart se creuse la nuit.
Ce n'est pas que les villes ont chaud le jour.
C'est qu'elles perdent leur moment pour refroidir.
La température exacte que peut atteindre un sol goudronné sous le même soleil est détaillée dans Il fait 32 °C dans l'air, alors pourquoi l'asphalte dépasse-t-il 60 °C ?.
Pour aller plus loin ― termes, chiffres et liens avec les manuels scolairesDu niveau collège jusqu'aux questions encore en recherche, chaque niveau est indiqué
- CollègeProgramme de sciences du collège
- LycéeProgramme de « physique de base » et « sciences de la Terre de base » du lycée
- Lycée+Programme de « physique » ou « sciences de la Terre » du lycée, ou contenu approfondi/encadré des manuels
- UniversitéContenu non enseigné au lycée, relevant d'une discipline universitaire spécialisée (climatologie urbaine)
- RechercheContenu qui n'est même pas encore un « acquis établi » à l'université, mais fait l'objet de recherches en cours
CollègeVocabulaire : les mots pour décrire la chaleur urbaine
- Îlot de chaleur urbain : phénomène par lequel la température en ville est plus élevée qu'aux alentours. Le nom vient du fait que, sur une carte à isothermes, la ville apparaît comme une île.
- Chaleur d'évaporation (chaleur latente) : chaleur que l'eau absorbe à son environnement lorsqu'elle s'évapore. C'est pourquoi l'arrosage et la transpiration rafraîchissent.
- Refroidissement radiatif : refroidissement du sol par rejet de chaleur sous forme d'infrarouge vers l'espace. Ce phénomène est fort par nuit claire.
- Nuit tropicale : nuit dont la température minimale ne descend pas sous 25 °C. Ce type de nuit augmenterait nettement en ville.
- Albédo : proportion de lumière solaire réfléchie. Plus une surface est blanche, plus il est élevé ; plus elle est noire, plus il est faible.
LycéeVérification par le calcul : combien de minutes d'ensoleillement un litre d'eau d'arrosage compense-t-il ?
L'arrosage des trottoirs est-il efficace, ou n'est-ce qu'un geste symbolique ? Il suffit de chiffrer « à quel point c'est efficace » pour obtenir la réponse. On n'utilise que la quantité de chaleur que l'eau absorbe en s'évaporant.
Chaleur absorbée ＝ Chaleur d'évaporation × Quantité d'eau
| Chaleur absorbée | en J (joules) |
| Chaleur d'évaporation | environ 2260 J par gramme d'eau |
| Quantité d'eau | en g |
Quand l'eau s'évapore, elle emporte de la chaleur avec elle. C'est un mécanisme différent du simple « refroidir avec de l'eau froide ». C'est le même principe que la fraîcheur due à la transpiration : ce n'est pas une baisse de température qui refroidit, c'est l'évaporation elle-même qui emporte la chaleur.
Ce chiffre de 2260 J fait partie des valeurs particulièrement élevées parmi les propriétés de l'eau. Cela représente plus de 500 fois la chaleur nécessaire pour élever d'1 °C la même quantité d'eau.
| Eau versée sur 1 m² | 1 L ＝ 1000 g |
| Chaleur absorbée | 2260 × 1000 ＝ 2 260 000 J |
| Ensoleillement estival | environ 1000 W/m² (1000 J par seconde) |
| Équivalent en secondes | 2 260 000 ÷ 1000 ＝ 2260 s |
| Converti en minutes | 2260 ÷ 60 ≒ 38 min |
En versant 1 litre sur 1 m², on compense environ 38 minutes d'ensoleillement estival. Ce n'est pas un geste symbolique. Mais ce ne sont que 38 minutes. Cela ne dure pas toute la journée.
C'est pourquoi il est logique d'arroser « le soir, une fois le soleil incliné ». Aux heures où l'ensoleillement est faible, l'effet de ces 38 minutes dure plus longtemps. Arrosé en plein midi, l'eau s'évapore vite et l'effet cesse aussitôt. La sagesse populaire rejoint ici le calcul.
Un autre facteur important est la proportion de rayonnement solaire que le sol réfléchit. Une surface noire absorbe, une surface blanche réfléchit.
| Proportion réfléchie par un asphalte ordinaire | environ 0,1 |
| Proportion absorbée | 1 − 0,1 ＝ 0,9 |
| Chaleur absorbée | 1000 × 0,9 ＝ 900 W/m² |
| Proportion réfléchie par un revêtement clair | environ 0,4 |
| Chaleur absorbée | 1000 × 0,6 ＝ 600 W/m² |
| Écart | 900 − 600 ＝ 300 W/m² |
En changeant simplement la couleur, on obtient un écart de 300 W par m². Cela représente 30 % de l'ensoleillement. Et de surcroît, cet effet n'a pas besoin d'être renouvelé.
Comparons avec l'arrosage. Pour compenser 300 W/m² par arrosage, il faudrait 2 260 000 ÷ 300 ≒ 7533 s, soit verser 1 litre toutes les deux heures, en continu.
On voit ici l'écart entre ce qu'un individu peut faire (arroser) et ce que la ville peut faire (revêtements, verdure). L'arrosage fonctionne, mais son effet est bref. Pour changer la chaleur de toute une ville, modifier le sol lui-même est bien plus efficace.
※ L'ensoleillement et l'albédo varient fortement selon le temps et les matériaux, et le vent ou l'ombre des bâtiments jouent aussi un rôle réel. Ce calcul ne vise qu'à donner un ordre de grandeur.
LycéeChiffres : les différences entre ville et banlieue
| Albédo de l'asphalte | environ 0,05 à 0,1 (plus de 90 % de la lumière reçue est absorbée) |
| Albédo du béton | environ 0,2 à 0,3 |
| Albédo de l'herbe | environ 0,2 à 0,25 (mais avec un refroidissement par évaporation) |
| Toit peint en blanc | environ 0,6 ou plus |
| Température de surface de l'asphalte par temps clair en été | peut dépasser 60 °C |
L'effet de l'arrosage des trottoirs se calcule aussi. La chaleur absorbée lors de l'évaporation de l'eau est d'environ 2 400 joules par gramme.
| Chaleur absorbée | 2 400 × 1 000 ＝ 2,4 millions de J (2,4 MJ) |
| Ensoleillement estival (par mètre carré) | environ 1 000 W ＝ 1 000 J par seconde |
| Durée compensée | 2 400 000 ÷ 1 000 ＝ environ 2 400 secondes (environ 40 minutes) |
※ En pratique, cela dépend du vent et de l'humidité. Ce calcul ne vise qu'à donner un ordre de grandeur.
Ce calcul révèle la nature de l'arrosage : efficace, mais de courte durée. C'est pourquoi il vaut mieux arroser à l'ombre ou le matin et le soir plutôt qu'en plein soleil à midi. Une évaporation plus lente prolonge la durée du refroidissement.
Lycée+L'équilibre entre la chaleur qui entre et celle qui sort
Le bilan énergétique de la surface du sol s'écrit ainsi :
(Rayonnement solaire reçu) − (réfléchi) − (rejeté en infrarouge) ＝ (part servant à chauffer l'air) + (part servant à évaporer l'eau) + (part stockée dans le sol)
En banlieue, la « part servant à évaporer » est importante à droite de l'équation, ce qui réduit d'autant la « part servant à chauffer l'air ». En ville, l'évaporation étant quasi nulle, la même énergie se répartit entre « chauffer l'air » et « stocker ».
Le rapport entre cette « part servant à chauffer l'air » et la « part servant à évaporer » s'appelle le rapport de Bowen. Ce rapport est élevé en ville et faible en banlieue. Un seul chiffre résume ainsi l'essence même de la chaleur urbaine.
Et la « part stockée » est libérée la nuit. L'asphalte et le béton, capables de stocker beaucoup de chaleur et bons conducteurs, chauffent en profondeur et continuent à rejeter leur chaleur toute la nuit.
UniversitéLa part de ciel visible ― le facteur de vue du ciel
En climatologie urbaine, la proportion de l'angle solide sous lequel le ciel est visible depuis un point donné s'appelle le facteur de vue du ciel (sky view factor), un indicateur important pour expliquer l'intensité de l'îlot de chaleur urbain.
Dans une vaste prairie, ce facteur est proche de 1, et le refroidissement radiatif fonctionne pleinement. Dans une rue encaissée entre des immeubles (canyon urbain), il peut descendre sous 0,3 : une grande partie de l'infrarouge rejeté est absorbée par les murs, puis renvoyée. On observe une relation nette entre l'intensité nocturne de l'îlot de chaleur urbain et ce facteur.
L'atmosphère urbaine se comporte de façon particulière dans une couche de quelques centaines de mètres au-dessus du sol (la couche limite urbaine). Le jour, elle est fortement brassée ; la nuit, contrairement à la banlieue, une couche stable se forme difficilement. En banlieue, l'air froid s'accumule au sol la nuit, mais ce phénomène se produit difficilement en ville.
Par ailleurs, l'écart de température entre ville et banlieue engendre lui-même un vent local. Un courant ascendant se forme au-dessus de la ville plus chaude, aspirant l'air de la banlieue. Cette circulation influence aussi la dispersion des polluants.
RechercheCe qui reste difficile
- Séparer clairement la part de l'urbanisation et celle du réchauffement climatique n'est pas simple. Le texte principal mentionne « environ 3 °C pour Tokyo, environ 1,5 °C pour les points peu affectés par l'urbanisation », mais le choix même de ces « points peu affectés » suppose un jugement. Les alentours des stations de mesure ont eux aussi changé au fil des décennies, et il existe très peu de relevés à long terme totalement épargnés par l'urbanisation. Le débat sur la méthode de séparation se poursuit.
- L'effet des villes sur la pluie n'est pas non plus tranché. Certains avancent que les courants ascendants urbains, la chaleur rejetée et les particules fines augmenteraient les fortes pluies localisées. Des rapports signalent une hausse des précipitations sous le vent des villes, mais les conditions varient d'une ville à l'autre, et il reste difficile de distinguer cet effet de la variabilité naturelle.
- Prévoir quantitativement l'effet de la végétalisation reste aussi un domaine en développement. Planter des arbres rafraîchit, c'est certain, mais où, en quelle quantité et selon quelle disposition planter pour obtenir quelle baisse de température dépend fortement des bâtiments environnants et des courants d'air. Des recherches visent à déterminer la disposition offrant le meilleur effet pour un budget limité, mais il n'existe pas encore de réponse standard.
- L'impact sanitaire de la chaleur ne se réduit pas non plus à la température. L'humidité, le vent, l'ensoleillement, ainsi que le comportement et le logement des personnes, entrent en jeu. La précision des prévisions sur « à partir de quelle température, qui est en danger » reste insuffisante. L'effet sur le corps du fait que la température nocturne ne baisse pas mérite en particulier davantage de recherches.
Liens avec les manuels scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Passage correspondant de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences ・ changements d'état et chaleur / météorologie / énergie solaire | Chaleur d'évaporation, refroidissement radiatif, observation de la température du sol |
| Lycée | Physique de base ・ quantité de chaleur et chaleur spécifique / Sciences de la Terre de base ・ atmosphère et bilan énergétique | Albédo, calcul de l'arrosage, stockage de chaleur |
| Lycée+ | Physique ・ rayonnement thermique / Sciences de la Terre ・ bilan radiatif | Équation du bilan énergétique, rapport de Bowen |
| Université | Climatologie urbaine ・ génie de l'environnement du bâtiment | Facteur de vue du ciel, couche limite urbaine, circulation locale |
| Recherche | Climatologie ・ urbanisme (non résolu) | Séparation des contributions, ville et précipitations, disposition optimale de la végétalisation |
| ― | Santé publique | Nuits tropicales et coup de chaleur, effet de l'absence de refroidissement nocturne |
- Agence météorologique japonaise (気象庁), « Rapport de suivi de l'îlot de chaleur urbain » et analyses sur l'effet de l'urbanisation.
- Oke, T. R., Boundary Layer Climates et Urban Climates (manuels de référence en climatologie urbaine ; facteur de vue du ciel et îlot de chaleur nocturne).
- Ministère de l'Environnement du Japon (環境省), lignes directrices sur les mesures contre l'îlot de chaleur urbain (végétalisation, peintures très réfléchissantes, revêtements retenant l'eau).
- Oke, T. R., City size and the urban heat island, Atmospheric Environment 7, 769–779, 1973.
- Informations sur la prévention des coups de chaleur, ministère de la Santé, du Travail et des Affaires sociales (厚生労働省) et ministère de l'Environnement (環境省).
※ Les valeurs de hausse de température, d'albédo, etc., varient selon les lieux et les conditions. Cet article présente des ordres de grandeur généralement cités.
※ Cet article est une vulgarisation scientifique à destination du grand public. Pour toute mesure face à la chaleur, suivez les informations du ministère de l'Environnement, du ministère de la Santé, du Travail et des Affaires sociales, et des collectivités locales. Limitez vos observations en extérieur à de courtes durées ; en cas de malaise, déplacez-vous dans un endroit frais et, si nécessaire, contactez un établissement médical ou les services d'urgence. Les valeurs indiquées ne sont que des ordres de grandeur destinés à faciliter la compréhension du mécanisme.