Le rayonnement thermique

Avant d'expliquer les modifications thermiques du rayonnement solaire, il est important de rappeler la loi de Stéfan et celle de Kirchoff :

- la loi de Stefan exprime que tout corps émet un rayonnement électromagnétique dont l'intensité par unité de surface est proportionnelle à la puissance quatrième de sa température absolue7 : E =  T⁴.

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- la loi de Kirchoff traduit l'équilibre thermique de deux corps ayant la même température et implique qu'un corps ne peut absorber que les rayonnements qu'il est capable d'émettre. En conséquence le coefficient d'absorption d'un corps est égal à son émissivité.

Nous rappelons également qu'au sol, le bilan radiatif s’écrit ainsi : RN = RS + (La-Ls) - RN : le bilan radiatif net du sol.

- RS : le rayonnement solaire incident (direct et réfléchi). - LS : le rayonnement thermique du sol vers l’atmosphère. - La : rayonnement thermique atmosphérique émis vers le sol.

La partie qui nous intéresse maintenant est le rayonnement solaire qui est absorbée par le sol et par l'atmosphère et émise de façon thermique dans l'infrarouge. Le rayonnement thermique est de type diffus. A toute émission ou absorption d'un rayonnement thermique correspond une perte ou un gain d'énergie donc un refroidissement ou un réchauffement.

La détermination précise du rayonnement atmosphérique La nécessite une connaissance approfondie de l'état de l'atmosphère, de sa nébulosité, de la hauteur de la couverture nuageuse, de la répartition verticale de la concentration en CO2, des températures et des humidités.

Des formules statistiques (Guyot G., 1997) peuvent néanmoins être utilisées pour des moyennes climatologiques à partir de la température, de la tension de vapeur d'eau au sol et de la couverture nuageuse. Des considérations géométriques d'angle solide et de hauteurs angulaires permettent de se faire une idée sur (La) pour une surface d'un système de géométrie quelconque.

En ville, l'énergie reçue dépend de l'énergie émise par tous les corps. Elle dépend donc de leurs températures et de leurs émissivités8 pondérées par l'angle solide sous lequel ces corps sont vus. En effet, en milieu urbain, les apports varient selon l'inclinaison des surfaces réceptrices. En général, avec la même orientation, une surface inclinée s'échauffe plus qu'une surface horizontale voisine. La nature du sol joue également un rôle de réception d’énergie le jour et d'émission la nuit par sa capacité de stockage. L'émission terrestre peut également varier en fonction de la présence ou pas du couvert végétal et de sa densité (Guyot G. 1997). La modification du rayonnement terrestre est souvent difficile à définir à cause de l’hétérogénéité de la surface.

L'un des phénomènes largement évoqué dans les études de climatologie urbaine et qui traduit bien l'augmentation du bilan thermique sous l'influence du milieu bâti est la constitution d'un îlot de chaleur dans les villes fortement urbanisées (Escourrou G., 1996-1991). Comme son nom l’indique, ce phénomène d’îlot de chaleur correspond à la constitution par accumulation, en strate horizontale circonscrite au-dessus de la zone urbaine, d’une couche d’air à forte température comparée à la température d’un site rural périphérique. Selon Escourrou G. (1991-1996), son intensité diminue du centre vers la périphérie. L’augmentation de la chaleur qu’il traduit a des conséquences importantes sur les autres paramètres climatiques comme l'humidité de l'air, les brouillards et les précipitations.

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La figure suivante montre cette variation de température au sol entre une campagne, le centre d’une ville, une forêt et la banlieue :

Figure 7. Variations de la température au sol

dans la ville de Vancouver par vent faible et sans nuages (septembre 1973 - CSTB, 1996,

d’après Oke, 1971).

La température de surface varie en fonction :

- de l'intensité du rayonnement incident et des caractéristiques d'absorption de la surface, - de la conductivité et de l'inertie de la masse solide derrière la surface et de la production

de chaleur interne,

- de l'évaporation qui s'y produit et donc de l'eau qui y séjourne ainsi que de l'évaporation potentielle de l'air,

- des échanges convectifs avec l'air et donc de la vitesse, de la température et du degré de turbulence de ce dernier,

- de la forme, de la rugosité de la surface et de son émissivité.

Des tables (Perrin de Brichambaut Ch., 1978) permettent d'évaluer la fraction du rayonnement atmosphérique reçue par chaque surface suivant son orientation et la géométrie du lieu (en tenant compte de la non-isotropie du rayonnement). La partie du rayonnement de grande longueur d'onde, qui vient de la terre et des corps solides trouvés à sa surface, peut être évaluée aisément quand les caractéristiques géométriques et les caractéristiques d'émission de ces corps sont connues. Les températures de surfaces et leurs caractéristiques de réflexion dans les grandes longueurs d'onde sont à prendre en compte.

A l'échelle de l'espace public et afin de mettre en évidence l'hétérogénéité des paramètres « rayonnements et température de l'air » d'un même espace, une série de mesures a été effectuée, dans différents espaces à Nantes par l'équipe du CSTB (1996).

Nous reprenons l'ensemble des résultats obtenus dans les tableaux suivants :

Point 1 Point 2 Eté Hiver

Ensoleillé Dégagé Ensoleillé proche façade ensoleillée +5 / +9 +6 / +6,5

Ombre d'une façade Ombre d'un arbre +5 / +9 -

Tableau 1. Rayonnement infrarouge sur une surface horizonatale. [Latmosphère (point 2) -

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Point 1 Point 2 Eté Hiver

Ensoleillé dégagé Ensoleillé proche façade ensoleillée +3,4 / +12,4 +3,1 /+18,5

Ensoleillé dégagé A l'ombre d'un arbre -80 / -97 -

Ensoleillé dégagé A l'ombre d'une façade -84 / -89 -84 / -89 Tableau 2. Rayonnement solaire global sur une surface horizontale. [GH point 2- GH point 1

en % de GH point 1].

Point 1 Point 2 Eté Hiver

A l'ombre d'une façade Ensoleillé dégagé +0,5 / +2,2 -0,4 /+0,7 A l'ombre d'une façade A L'ombre d'un arbre +0,2 / +1,7

Pelouse au soleil A l'ombre d'un arbre -0,5 / 2,9 Ensoleillé dégagé Ensoleillé proche de la façade

ensoleillée

0,3 / +1,9 0,4 / +0,8 Tableau 3. Température de l'air [T (point 2) – T (point 1) en °C].^

Ce que nous pouvons retenir est que la température de l’air suit principalement la distribution du rayonnement solaire. Les points où sont observées les plus fortes températures sont souvent les mêmes que ceux où le rayonnement solaire est important.

Selon l'équipe du CSTB (1996), en été, l'écart moyen entre températures (au soleil et à l'ombre) est de 1°C et en hiver de 0,5° C. La température de l'air sous un arbre est plus forte qu'à l'ombre d'une façade en période estivale + 1° C. Le groupe ABC (1997) a confirmé également que, dans le cas d'un parc d'une certaine importance, la température de l'air sous les arbres est même supérieure à la température de l'air sur la pelouse au soleil + 3 °C.

Nous retenons également que la distribution du rayonnement solaire dans un espace est liée principalement au rayonnement solaire diffus et direct, parvenant dans cet espace ainsi qu'aux caractéristiques géométriques et aux propriétés réflectives des surfaces de ce dernier.

Nous verrons à présent dans la partie qui va suivre comment se manifeste l’interaction du milieu bâti avec les écoulements de l’air.