Lutter contre les îlots de chaleur urbains dans un contexte de changements climatiques

La hausse constante de la température observée et projetée accentue un problème déjà connu : l’effet d’îlot de chaleur urbain (ICU). Ce phénomène se caractérise par des températures estivales plus élevées en milieux urbains que dans les zones rurales environnantes. Cette différence de température, principalement attribuable au cadre bâti urbain, varie généralement entre 1  °C et 3  °C, et peut s’élever jusqu’à 12  °C à certains endroits (Oke et al., 2017), s’avérant ainsi particulièrement menaçante pour les populations urbaines. D’après les projections du Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC), il est très probable que de nombreuses villes du monde subiront une hausse de la fréquence et de la durée des vagues de chaleur (Pachauri et al., 2015), accentuant ainsi l’effet d’ICU. Selon le scénario d’émissions élevées (RCP 8.5, GIEC 2014), il est prévu que le nombre annuel de jours où la température maximale est supérieure à 30 °C triple à l’horizon 2041-2070 dans la plupart des villes du Québec, comparativement à la période de référence de 1981 à 2010 (Ouranos, 2020). La saison estivale de 2018 a été la plus chaude répertoriée en 146 ans d’observations météorologiques au sud du Québec, générant 86 décès supplémentaires¹ (Lebel, G., Dubé, M., & Bustinza, R., 2019). Des chercheurs ont estimé la valeur de l’augmentation des décès liés aux périodes de chaleur au Canada entre 2031 et 2080 comparativement à la période de 1971 à 2020. Ce chiffre varie entre 45 % et 455 % en fonction des différents scénarios considérant le taux d’émission de gaz à effet de serre (GES), la croissance démographique et la mise en œuvre de mesures d’adaptation (Santé Canada, 2020). Il importe ainsi de travailler à améliorer la résilience à la chaleur des villes au bénéfice de la santé de la population.

Impacts sanitaires

Les ICU peuvent aggraver les effets des grandes chaleurs, lesquelles peuvent provoquer des effets directs sur la santé, comme la déshydratation, l’hyperthermie, le syndrome d’épuisement par la chaleur ou encore le coup de chaleur. Des effets indirects venant aggraver une maladie sous-jacente comme le diabète, les pathologies chroniques débilitantes, l’insuffisance respiratoire, les maladies cardiovasculaires, cérébrovasculaires, neurologiques et rénales, au point de causer la mort (Bélanger et al., 2019). Les personnes âgées, de même que les personnes souffrant de troubles de santé mentale et celles ayant un faible revenu socio-économique ou n’ayant pas les moyens financiers de mettre en place des mesures d’adaptation (comme la climatisation) constituent les groupes les plus à risque lors d’épisodes de chaleur extrême (Santé Canada, 2012; Bélanger et al., 2019; Leal Filho et al., 2018). Selon une étude réalisée dans les zones les plus défavorisées de 9 grandes villes québécoises, la prévalence des effets néfastes autodéclarés sur la santé induits par la chaleur, était de 46 %, dont un quart a conduit à une consultation médicale. Les auteurs de cette étude soulignent qu’au Québec, comme ailleurs au Canada et dans plusieurs pays, les secteurs défavorisés ont tendance à être soumis à des températures moyennes plus élevées par rapport aux quartiers plus aisés. En effet, ils sont souvent situés dans des zones exposées à la chaleur où les espaces verts sont insuffisants et les logements de mauvaise qualité, notamment sur le plan de l’isolation thermique pour faire face aux températures estivales (Bélanger et al., 2015). Ainsi, le cumul d’une forte exposition et de plusieurs vulnérabilités préalables sont des facteurs contribuant à accentuer le risque de subir des effets négatifs liés à la chaleur.

Au-delà de la climatisation

La climatisation, par le refroidissement de l’air qu’elle induit, permet d’abaisser l’humidité relative de l’air à intérieur des bâtiments et améliore ainsi le confort thermique des occupant.e.s. Cependant, elle ne doit pas être considérée comme l’unique moyen de rafraîchir les milieux intérieurs (domiciles, lieux publics, de travail, etc.), car en plus de la grande demande énergétique qu’elle crée, une climatisation accrue et généralisée entraîne des rejets d’air chaud dans l’air extérieur, accentuant l’ICU. De même, la climatisation est susceptible de réduire la tolérance à la chaleur des individus et, lorsque mal utilisée et entretenue, peut favoriser le développement de contaminants microbiologiques dans l’habitation (Gervais et al., 2016). Il s’avère donc important d’envisager des solutions de rechange et plus durables tant pour l’environnement que pour la santé des générations actuelles et futures.

Des moyens pour se rafraîchir

Végétalisation

Les mesures de verdissement amènent des gains de fraîcheur élevés via l’évapotranspiration et l’ombrage qu’elles procurent en milieu urbain. La végétation sur les toits et les murs peut également jouer un rôle important dans l’isolation des bâtiments, en les gardant frais pendant la saison estivale et en limitant les pertes de chaleur l’hiver (Filho et al., 2017). Plusieurs stratégies de végétalisation existent : espaces verts urbains, végétalisation des stationnements, murs végétaux, toits verts, etc.

Une étude montréalaise a montré que la diversification et la complexification des espaces verts, notamment des surfaces gazonnées, peut être efficace afin d’améliorer leur performance écologique en termes de régulation de la température. En comparant les surfaces gazonnées tondues à trois autres types de végétation basse (champs herbacés non entretenus, friches arbustives non entretenues, haies arbustives faiblement entretenues), il a été observé que des gradients de complexité variés permettaient d’augmenter les services écosystémiques rendus, que ce soit pour l’atténuation des ICU ou le support à la biodiversité. En effet, les autres types d’aménagement affichaient en moyenne une température de surface de 5  °C inférieure par rapport aux surfaces gazonnées tondues lors d’une journée ensoleillée et sans vent. De même, la température de surface maximale affichée pour la friche arbustive était d’environ 20  °C inférieure à celle de la surface gazonnée tondue. La complexification des espaces verts en termes d’espèces végétales et de hauteur de végétation peut être effectuée à faibles coûts en diminuant l’intensité et la fréquence de l’entretien (Francoeur et al., 2018).

Le choix des espèces aux fins de végétalisation urbaine doit être fait de façon judicieuse afin d’assurer une bonne densité du feuillage qui permettra, lorsque l’arbre est mature, une bonne filtration du rayonnement solaire. Au Québec, la végétation choisie pour protéger les bâtiments du rayonnement solaire estival doit avoir un feuillage caduc, mais peu de branchage pour réduire l’ombrage au minimum pendant les autres saisons, lorsque le gain solaire est souhaité (Écohabitation, 2020). Chaque mesure de verdissement doit être évaluée en tenant compte du lieu d’implantation et de la présence d’installations des services publics (Gendron-Bouchard, 2013) et des perturbations climatiques (résistance aux changements climatiques) et anthropiques (conditions d’entretien) (Paquette et Cameron, s.d. ; Messier, s.d.).

Les principes de la diversité fonctionnelle sont à prendre en compte afin de favoriser la résilience des écosystèmes. Cette diversité ne découle pas seulement de l’augmentation du nombre d’espèces plantées, mais également de la diversité des caractéristiques biologiques (traits fonctionnels) des espèces. Les espèces ont développé des traits qui leur sont particuliers et qui leur permettent de survivre et de se développer dans des conditions diverses. Étant donné qu’aucune espèce ne peut résister à l’ensemble des stress auxquels elle peut être exposée, il importe de multiplier la diversité biologique en optant pour des espèces tolérantes aux vents violents, à la sécheresse, aux inondations, aux froids intenses, aux insectes, etc. (Paquette et Cameron, s.d.).

De plus, certaines espèces ont un pouvoir allergisant qui peut avoir des impacts sur la santé de la population. Étant donné que le réchauffement climatique risque d’allonger la saison pollinique, il s’avère essentiel d’acquérir une meilleure connaissance des espèces d’arbres ayant un potentiel allergène et de leur distribution dans les espaces urbains afin de soutenir le verdissement urbain tout en limitant les risques d’allergies (Sousa-Silva et al., 2020).

Dans les parcs et les espaces verts, les effets combinés de l’évapotranspiration et de l’ombrage amènent une diminution significative de la température et créent ce qu’on appelle des îlots de fraîcheur urbains (Gago et al., 2013). La végétation a un effet de rafraîchissement moyen de 1 à 4,7 °C qui s’étend sur 100–1000  mètres en zone urbaine, mais dépend fortement de la quantité d’eau dont la plante ou l’arbre dispose (Kleerekoper et al., 2012).

La végétalisation des stationnements, grâce à des bandes végétalisées en pourtour ou à des îlots végétalisés à l’intérieur des espaces de stationnement, permet de réduire la chaleur emmagasinée par les surfaces asphaltées. À cet effet, le Guide de mise en œuvre d’un stationnement écoresponsable, élaboré conjointement par le Conseil régional de l’environnement et du développement durable de l’Outaouais et le Conseil régional de l’environnement de Montréal, propose des moyens concrets afin d’aménager des aires de stationnement de manière à limiter la formation d’ICU.

Dans un contexte d’urbanisation croissante, les murs végétaux de même que les toits verts sont considérés comme une approche prometteuse pour verdir les villes où les espaces verts sont rares et les espaces au sol limités (Charoenkit & Yiemwattana, 2016). Bien qu’une grande variété végétale favorise la biodiversité, il faut cependant considérer que différentes espèces végétales nécessitent des conditions d’habitat différentes et qu’elles doivent donc être choisies avec soin (Ekren, 2017). Il faut également prendre en compte qu’un mur végétal appliqué sur la façade sud d’un bâtiment a besoin d’une plus grande quantité d’eau comparativement à un mur végétal installé sur la façade nord en raison de l’évaporation (Ekren, 2017). Les toits verts offrent à la fois un rafraîchissement actif (par évaporation) et passif (par l’isolation). La température interne de tout bâtiment sous un toit vert est susceptible d’être plus fraîche, ce qui réduit le besoin en climatisation, et donc la consommation d’énergie et les émissions de carbone (Charlesworth, 2010). Les espèces doivent être choisies de manière à être économes en eau afin de résister à la sécheresse estivale. Sookhan et al. (2018) ont étudié les services de thermorégulation fournis par des toits verts extensifs pendant les saisons chaudes et froides à Toronto. Ils ont observé que le sédum a surpassé un mélange de graminées vivaces et de fleurs herbacées indigènes au cours de la période d’enquête interannuelle totale. La prairie fleurie dépendrait davantage de l’irrigation supplémentaire que le sédum et serait plus sensible à la variabilité climatique interannuelle. Les résultats soulignent l’importance de la sélection des plantes et de l’identification des traits qui correspondent non seulement aux conditions microclimatiques en été, mais aussi en hiver. La Figure 1 présente un toit végétal extensif réalisé avec du sédum. Dans les dernières années, certains pays développés comme les États-Unis, le Canada, l’Australie, Singapour et le Japon ont invoqué de nouvelles normes pour la modernisation rentable et économe en énergie des bâtiments existants et des nouvelles applications construites avec des systèmes de verdure. Au Canada, une norme a été mise en place pour que les systèmes de verdure couvrent entre 20 et 60  % de la surface du toit lorsque la surface de plancher du bâtiment est supérieure à 2000 m2 (Besir & Cuce, 2018).

Infrastructures urbaines durables

L’intensification de l’urbanisation des dernières décennies a favorisé l’imperméabilisation des surfaces via la modification des types de recouvrement des sols (par exemple l’asphalte et le béton). Les surfaces imperméables, en minimisant l’infiltration de l’eau en ville, limitent l’effet rafraîchissant qui peut être obtenu par l’évaporation de l’eau provenant des sols. Les matériaux perméables, comme les structures permettant l’engazonnement ou les revêtements en béton poreux permettent un rafraîchissement urbain en favorisant l’infiltration de l’eau et l’évaporation. Des aménagements permettant la rétention de l’eau, comme les jardins pluviaux, peuvent également être implantés en milieu urbain. Les jardins privés peuvent être utilisés comme jardins de pluie, favorisant l’infiltration lente de l’eau. Une meilleure gestion des eaux pluviales amène de nombreux bénéfices, que ce soit l’atténuation de l’ICU, la résilience aux inondations ou l’amélioration de la qualité des eaux. Il s’agit d’une approche qui doit être considérée comme un moyen de lutter contre les changements climatiques et les phénomènes exacerbés par ces derniers, comme les ICU (Charlesworth, 2010).

Divers types de surfaces caractérisent les zones urbaines. L’ICU résulte de la chaleur absorbée par ces surfaces, puis rayonnée. L’utilisation de matériaux à albédo² élevé (par exemple gravier blanc ou membranes réfléchissantes), bien qu’engendrant des résultats moins importants en termes de gain de fraîcheur et de biodiversité comparativement à la végétalisation, constitue une stratégie qui est relativement simple à mettre en place, peu coûteuse et qui permet de couvrir de plus grandes surfaces (Kleerekoper et al., 2012). Néanmoins, à long terme, ces matériaux se salissent avec la pollution urbaine et deviennent moins efficaces (Lontorfos et al., 2018). Il est à noter que les matériaux des terrains artificiels (synthétiques) absorbent et stockent la chaleur, augmentant considérablement les températures de surface et de l’air (Macfarlane et al., 2015). Ils sont donc à éviter, car ils amplifient le phénomène d’ICU. Les quartiers densément construits et les rues étroites réduisent le flux d’air et les effets de rafraîchissement naturel en retenant et en empêchant la chaleur de monter vers le ciel. La vitesse du vent est réduite à l’approche des bâtiments ; ainsi, plus la morphologie urbaine est ouverte, meilleure est l’exposition au vent. À partir de simulations, il a été observé qu’à Montréal, dans une zone dégagée, la vitesse du vent est d’environ 2,5 m/s, tandis que dans un endroit compact, la vitesse du vent est d’environ 0,5 m/s (Lai et al., 2019). Il est possible de favoriser le confort thermique en prenant en compte la circulation des vents dans la planification urbaine.

Espaces bleus urbains

Les espaces bleus (lacs, rivières, étangs, fontaines, etc.), selon l’heure de la journée et la saison, peuvent agir comme une source de chaleur ou de rafraîchissement en milieu urbain. Lorsqu’un plan d’eau est intégré dans le noyau urbain, un effet rafraîchissant de l’ordre de 1 à 3  °C peut être généré dans leur voisinage (~ 30  m) pendant la journée (Ampatzidis & Kershaw, 2020). Il a été observé qu’un étang de 4 m x 4 m peut rafraîchir un environnement urbain en été d’environ 1  °C à une hauteur de 1  m, mesuré à une distance de 30  m de celui-ci (Kleerekoper et al., 2012).

Des vents relativement forts au-dessus de la surface de l’eau augmentent l’évaporation et accentuent l’effet de rafraîchissement, tandis que lorsque la vitesse du vent est relativement faible, l’augmentation de la teneur en vapeur d’eau limite la perte de chaleur par évaporation et peut entraîner une diminution de l’effet de rafraîchissement (Ampatzidis & Kershaw, 2020).

Les espaces bleus sont, en général, plus efficaces lorsqu’ils ont une grande surface, ou lorsque l’eau coule ou se disperse, comme à partir d’une fontaine (Kleerekoper et al., 2012). En se concentrant principalement sur les études qui impliquent des technologies basées sur l’évaporation de l’eau (par exemple, des arroseurs, rideaux d’eau ou fontaines) installés dans les espaces publics pour atténuer le stress thermique, il a été observé qu’en moyenne, les techniques à base d’eau fournissent un effet de rafraîchissement moyen de 1,9 °C. Ainsi plus la température de l’air est élevée, plus le potentiel de rafraîchissement est élevé (Ampatzidis & Kershaw, 2020).

La mise en place de fontaines peut être considérée comme une bonne option coûts/bénéfices dans des espaces spécifiques à forte utilisation, comme les rues ou les places publiques. Avec une conception intelligente, il est possible d’utiliser le même espace à d’autres fins en hiver (par exemple, la création d’environnements éphémères) (Kleerekoper et al., 2012).

En plus de favoriser la fraîcheur dans les milieux urbains, les mesures de lutte contre les ICU engendrent de nombreux cobénéfices, notamment la réduction de la demande en énergie (par exemple pour la climatisation et la ventilation mécanique), la diminution à la source de la pollution de l’eau et de l’air (incluant la réduction des émissions de GES), une meilleure gestion des eaux pluviales, l’augmentation de la biodiversité urbaine (Filho et al., 2017), de même que des bienfaits sur la santé physique et mentale (Beaudoin & Levasseur, 2017). Il est à noter que les mesures d’atténuation de l’ICU sont plus efficaces en combinaison les unes avec les autres; le projet EPICEA de Météo-France a bien montré l’intérêt de mettre en œuvre plusieurs stratégies pour augmenter l’effet rafraîchissant à Paris. Les modélisations ont effectivement démontré que la combinaison des trois interventions : modification des paramètres radiatifs (toits et murs réfléchissants), l’ajout d’eau (humidification des chaussées) et l’ajout de végétation s’est avérée plus efficace en termes de réduction de l’ICU que chacune des mesures prises individuellement (Météo-France, 2012).

Conclusion

Dans de nombreuses zones urbaines, la concentration des routes, des bâtiments et d’autres matériaux de construction à forte capacité d’absorption de chaleur, liée au manque de végétation, crée des microclimats locaux distincts de ceux des zones en périphérie urbaine, amenant ainsi l’effet d’ICU. Les stratégies d’aménagement visant le cumul des mesures de lutte contre l’ICU sont susceptibles d’être plus efficaces afin de protéger la population face à la chaleur accablante. En plus de leur exposition différentielle en raison des quartiers défavorisés généralement situés dans des zones fortement exposées à la chaleur jumelée à une mauvaise isolation thermique des bâtiments, les populations les plus vulnérables peuvent ne pas avoir la capacité physique, mentale ou financière de s’adapter aux journées de forte chaleur. Adapter les villes et les bâtiments pour limiter l’effet d’ICU est indispensable d’un point de vue de santé publique. En plus d’améliorer les conditions de confort thermique, la mise en place de mesures de lutte contre les ICU amène de nombreux bienfaits sur la santé humaine, tant mentale que physique, et prévient les morbidités et mortalités liés à la chaleur.