La NASA met au point une nouvelle méthode pour atténuer les vagues de chaleur dans les villes

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Toit végétalisé de l'hôtel de ville de Chicago. | City of Chicago
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Le réchauffement climatique est indéniable, les vagues de chaleur se succèdent, toujours plus intenses. Alors que la moitié de la population mondiale vit dans des zones urbaines, les citadins en ressentent d’autant plus les effets que le manque de végétation et l’artificialisation des sols engendrent des îlots de chaleur urbains, impliquant d’adapter leur mode de vie. Récemment, des climatologues de la NASA ont mis en évidence que les jardins et les toits végétalisés peuvent aider à atténuer efficacement une partie de la chaleur intense dans les villes.

Les villes, où vit la moitié de la population mondiale, font face à une myriade de risques liés au changement climatique, selon le dernier rapport du Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC) de l’ONU. Entre la moitié et les trois-quarts de la population mondiale, principalement urbaine, pourrait être exposée à des conditions invivables de chaleur extrême et d’humidité élevée d’ici 2100, selon le niveau du réchauffement climatique. La cause principale ? Les îlots de chaleur urbains.

L’expression « îlot de chaleur urbain » (ICU) a fait son apparition vers le milieu du XXe siècle. Ces derniers se produisent dans des environnements où les températures urbaines sont constamment supérieures aux températures ambiantes. Il en résulte un risque accru de réactions photochimiques des polluants formant des vagues de chaleur. Elles entraînent un stress thermique chez les citadins, quand la température dépasse ce que le corps humain peut supporter. Ces îlots thermiques sont donc des microclimats artificiels provoqués par les activités humaines (centrales énergétiques, échangeurs de chaleur…) et l’urbanisme (surfaces sombres qui absorbent et retiennent la chaleur, comme le goudron, l’asphalte, le béton et les matériaux similaires, beaucoup plus que la végétation).

Non seulement ce phénomène entraîne un inconfort, une augmentation de la consommation d’énergie de la climatisation et des technologies similaires, et des problèmes de santé publique, mais l’effet des îlots de chaleur urbains est dramatiquement plus élevé sur les personnes âgées, les personnes à faible revenu et les personnes présentant des soucis de santé.

C’est pourquoi cette problématique a donné lieu à une réflexion accrue sur l’aménagement de l’espace urbain, pour prévenir la hausse des températures. Une grande partie de ces travaux repose sur l’aménagement d’espaces verts capables de bloquer ou d’absorber le rayonnement solaire. Lorsque les villes disposent d’un espace libre limité et que l’installation ou la préservation d’espaces verts n’a pas été envisagée lors de leur planification et construction initiales, les toits verts fournissent une solution idéale.

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La nature au sommet

Une toiture végétalisée, également nommée toit ou toiture végétale, ou encore « éco toit » ou « toit vert », est un aménagement de végétaux installé sur le sommet des bâtiments. La végétation qui se trouve sur ces toits est, le plus souvent, sélectionnée pour sa faculté à vivre de manière autonome.

Les toits verts sont conçus pour exploiter la puissance de refroidissement des plantes afin d’abaisser la température dans les espaces urbains. Il existe trois catégories de toits végétaux : intensif, semi-extensif ou extensif. On détermine le type en fonction du toit lui-même (résistance, pente, accès), de la capacité structurelle du bâtiment et du budget alloué au projet. Il faut aussi déterminer ses propres besoins. Les systèmes intensifs permettent de cultiver tous types de plantes (ornementales, potagères, voire des arbres) avec un substrat assez profond de 30 cm ou plus, tandis que les systèmes extensifs sont réservés à de la végétation basse qui demande peu d’entretien (mousses, lichens, etc.) avec un substrat de 15 cm ou moins. Les semi-extensifs se situent entre les deux.

Récemment, l’équipe GISS (Goddard Institute for Space Studies) de la NASA a étudié trois sites à Chicago pour comprendre comment les toits verts affectaient les températures de surface autour de ces bâtiments, et s’il y avait une différence entre ces sites et d’autres, à proximité, sans toit vert. Les résultats sont publiés dans la revue Sustainable Cities and Society.

Chicago, la ville verte des États-Unis

Pourquoi choisir Chicago ? Cette ville de l’Illinois est leader en agriculture urbaine aux États-Unis. On y trouve notamment le plus grand potager sur toit au monde, d’une superficie de 75 000 m² (7,5 hectares). Il s’agit d’une serre située sur le toit d’une ancienne usine. On dénombre également plus de 500 toits verts dans la ville, dont une grande partie dédiée à l’agriculture, sur une superficie de 500 000 m² (50 hectares).

Chicago a lancé ces initiatives au début des années 2000. Le maire a d’abord installé un toit vert sur l’hôtel de ville pour donner l’exemple. Ensuite, la municipalité a favorisé ces toits verts à coup d’incitations fiscales. C’est donc tout naturellement que la NASA s’est intéressée à cette ville.

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Les toits verts sont-ils réellement la solution au réchauffement des villes ?

Braneon et l’équipe du GISS se sont associés aux départements de la Santé publique et de la Planification et du développement de Chicago pour étudier trois sites qui avaient installé des toits verts au début des années 2000 : Millennium Park, City Hall (la mairie) et un centre commercial Walmart. À l’aide d’images capturées par le satellite Landsat 5 entre 1990 et 2011, les chercheurs ont comparé les changements de température à la surface des terres et l’abondance de la végétation sur les sites d’étude ainsi que sur les sites de contrôle à proximité sans toits verts.

Les résultats des trois sites sont inégaux. Dans un premier cas, Millennium Park, qui possède un mélange intensif de plantes, situé près du lac Michigan, a affiché des températures moyennes nettement inférieures, après l’installation de son toit vert en 2004. C’est le seul site où le toit a complètement atténué le réchauffement climatique au cours de la période d’étude.

Deuxièmement, l’hôtel de ville, également un site intensif, a fait installer un toit vert en 2002. Ses températures après l’installation du toit vert étaient inférieures à celles du site témoin, mais elles augmentaient vers la fin de la période d’étude.

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Détails du toit de l’hôtel de ville de Chicago. © Chicago City Hall Photo Courtesy of Roofmeadow, Inc.

Enfin, contrairement aux deux autres sites, le centre commercial a été conçu de concert avec le toit végétalisé. Malgré cela, les inconvénients de la transformation de zones de végétation sauvage en terre industrielle dépassent la contrepartie qu’aurait dû procurer ce couvert végétal de toit. Christian Braneon, climatologue et ingénieur civil à l’Université de Columbia et au GISS, explique dans un communiqué : « Vous pourriez penser que mettre un toit vert sur votre nouveau bâtiment aurait un impact significatif. Mais ce que nous voyons, c’est que beaucoup de matériaux imperméables peuvent également y être ajoutés, comme un parking autour du bâtiment. En conséquence, vous pourriez réduire l’impact du parking, mais vous n’avez certainement pas créé l’effet de refroidissement qu’avait la végétation envahissante ».

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C’est pourquoi les avantages des toits verts dépendent de divers facteurs tels que la région géographique, la diversité des plantes, la structure du toit et l’efficacité de refroidissement du bâtiment lui-même. Néanmoins, les auteurs ont pu démontrer que les sites avec des toits verts plus grands et intensifs, accompagnés d’une certaine diversité en espèces végétales, ont des avantages de refroidissement plus importants que les toits verts extensifs en monoculture. La biodiversité est donc un facteur à prendre en compte. De plus, outre le degré de refroidissement qu’apportent ces toits verts, on peut y adjoindre l’amélioration de la qualité de l’air (diminution du CO2 et augmentation de l’O2), la filtration des polluants atmosphériques, ainsi que la possibilité pour les insectes pollinisateurs d’y trouver refuge.

Les auteurs concluent que : « Au fur et à mesure que les villes grandissent et se développent, elles doivent prendre de bonnes décisions concernant leurs infrastructures, car ces décisions durent souvent 30 ou 50 ans ou plus. Dans le contexte de vagues de chaleur plus fréquentes et de chaleur extrême, il est important de comprendre comment ces interventions de conception urbaine peuvent être efficaces ». Cette étude nécessite alors des recherches complémentaires avec des échantillons plus importants pour démêler le rôle respectif de tous les facteurs en jeu sur ces toits végétalisés.

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Image satellite de la banlieue d’Atlanta, capturée par Landsat 5 (comme pour l’étude de Chicago), montrant les différences de chaleur dues à l’effet d’îlot de chaleur urbain, les 11 et 12 mai 1997. Alors que la température moyenne de l’air à cette date n’était que d’environ 26 °C, les températures de surface atteignaient jusqu’à 47 °C. © NASA (modifiée par Laurie Henry pour Trust My Science)

Étant donné que la méthode proposée par la NASA s’appuie sur des images satellites accessibles au public et des logiciels open source pour l’analyse, elle est simple et peu coûteuse. Braneon souligne : « L’ensemble de la pratique repose sur le principe que nous pouvons regarder le passé pour évaluer les risques à l’avenir ». Elle peut donc devenir un véritable outil pour aider les décideurs et les planificateurs à évaluer la capacité de refroidissement des toits verts dans leurs propres communautés et leur viabilité dans le temps.

Source : Sustainable Cities and Society

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