4-6-2-Températures de surface des végétaux :

Des mesures thermiques par imagerie infrarouge¹⁰⁹ indiquent que la température de surface du feuillage est pratiquement équivalente à celle de l'air sous abri, même pour des conditions de rayonnement solaires très différentes. En effet, on peut relever que les différences de température, des feuilles des faces supérieures et inférieures d’une pergola, pour un apport solaire de 465 W/m2, sont les mêmes à 1 °C près, l'écart n'étant que de 2°C pour un rayonnement de l'ordre de 930 W/m2. Dans les illustrations suivantes, nous confirmons ce résultat (Figure.IV.13). Les températures de surface observées dans l’infrarouge, indiquent les zones de la couronne végétale de l’arbre qui sont

109

Hoyano, A: Climatological uses of plants for solar control and the effects on the thermal environment of a building. Tokio Institute of Technology,Japan. Energy and Buildings, 1988.

99 à 27, 28 et 29 °C dans le cas où celui ci est dans un air à 28 °C et soumis à un ensoleillement important correspondant à celui d’une journée claire d’été¹¹⁰.

FIG.IV.13 : Zones végétales isothermes : isothermes 27, 28 et 29°C (Source : Alvarez et al., 2000)

Avec le même type de mesure (thermographie infrarouge), l'équipe d'ABC à Marseille est arrivée à la conclusion que la masse foliaire des arbres, en jardin comme en alignement, a tendance à conserver une température voisine de la température d'air sous abri et souvent même une valeur inférieure¹¹¹. Autrement dit, sous un arbre, tout se passe comme si le rayonnement solaire était totalement annulé. Cet effet est très intéressant sur les voies urbaines avec arbres d'alignement. Celles-ci deviennent des espaces non seulement à l'ombre, mais aussi des zones dans lesquelles aucun effet de surface chaude ne vient augmenter la température environnante. En effet, cela entraîne non seulement une réduction de la température du sol, mais également une diminution de la radiation réfléchie vers les zones occupées. Une masse végétale se comporte donc comme un « plafond réfrigérant »¹¹².

Les zones de pelouse ont également tendance à équilibrer, comme la couronne des arbres leur température avec celle de l’air¹¹³.

Certains travaux apportent une correction à ce constat sur l’équivalence des températures d’air et de surface des végétaux¹¹⁴. En effet, les arbres en ville croissent généralement dans des zones pavées, le long des rues et sur des parkings. Les surfaces pavées comme l’asphalte sont des environnements chauds car l’absence de refroidissement par évaporation entraîne une augmentation de la température de surface. Ces températures élevées induisent des échanges radiatifs de grande longueur d’onde plus importants que dans le cas d’une surface végétale. La manière dont l’arbre

110 Alvarez S. et al.: Greencode : Reglementary frame for renewable energy use in urban site through vegetation

plannings and strategic surfacing. Edition Altener, 2000.

111 Groupe ABC : Morphologie, végétal et microclimats urbains. Plan urbain, Ministère de l'Équipement, 1997.

112 Destobbeleire, G. et Izard, J-L. : Rôle de la végétation sans le microclimat urbain. In : Proceedings of EPIC, 1998.

113 De La Torre, J. M. Serra, R.: Microclimatic analysis of some urban scenarios. In : proceedings of PLEA 1998.

114

Kjelgren, R. and Montague, T.: Urban tree transpiration over turf and asphalt surfaces. Atmospheric Environment,1998.

100 répond à une augmentation de l’énergie dépend des espèces, de l’humidité et de l’exposition de la couronne. Les arbres à larges feuilles caduques qui interceptent l’énergie due au rayonnement de grande longueur d’onde ne dissipent pas immédiatement leur chaleur par refroidissement convectif. L’énergie retenue par les feuilles résulte d’une combinaison entre une plus forte transpiration et une clôture partielle des stomates qui entraîne une augmentation de la température des feuilles, celles-ci ne pouvant plus évacuer ces apports. L’écart maximal, en condition extrême, entre les températures des feuilles et de l’air varient de 9°C pour un arbre au-dessus d’une surface en asphalte à 4°C lorsqu’il est au-dessus d’une pelouse. En effet, les espèces à stomates sensibles ou celles placées en zones arides avec une humidité faible, retiennent l’énergie, augmentent la température des feuilles et la valeur du déficit de pression de vapeur entre les feuilles et l’air ce qui peut accélérer le processus de fermeture et donc d’échauffement. Un regroupement des arbres ou une augmentation de la densité de la couronne peut permettre une dissipation du rayonnement intercepté sur plus de feuilles et ainsi réduire les gains d’énergie.

Il est à signaler qu’un calcul en régime permanent des températures de surface peut être envisagé. En effet, la capacité de chaleur par unité de volume varie de 1 MJ.m-3.K-1 pour le bois du pin rouge à 2 à 3 MJ.m-3.K-1 pour les feuilles et les fruits. Ainsi, les constantes de temps sont de l’ordre de quelques secondes pour les petites feuilles, de quelques minutes pour les feuilles larges et de quelques heures pour le tronc¹¹⁵. Enfin, nous ajoutons que la température des troncs suit la température de l’air avec une différence positive moyenne de 0.5 °C, l’écart maximal étant de 2°C en début d’après midi¹¹⁶.

Exemple :

Les images prises dans le domaine du rayonnement de grande longueur d'onde (infrarouge) au dessus des villes ont la possibilité de mesurer les températures de surfaces des objets qui la composent ; rues, places, parcs urbains, forêt, plans d'eau, l'exemple de l'étude faite à Stuttgart par Robel, Hoffmann et Rickert en 1976.

Les images de deux passages au dessus de la ville par un beau jour anticyclonique de juin (Soir et matin) ont été récupérées et doublées par des mesures de température d'air au sol.

On peut voir dans le tableau que les végétaux limitent les échauffements qu'ils soient sous forme de parc urbain ou de forêt plus compact, en début de soirée ; le centre ville est chaud et entièrement inclus dans la même classe de température de surface tandis que en milieu de nuit des différences significatives apparaissent entre les rues et les îlots.

115

Monteith J.L. and Unsworth M.H.: Principles of environmental physics. ,1991.

101 Les îlots bénéficient de conditions de refroidissement par rayonnement terrestre plus favorables que les rues. L'effet de « Canyon »

1)-Température d'air mesurée à 2m :

Type d'espace Passage 21-22h Passage 3-4h

Centre ville 22.4 15.4

// 18.5 13.7

Aéroport 18.3 12

Université 18.5 13.5

2)-Températures moyennes de surface (thermographie) Classes de 1.5C°

Type d'espace Passage 21-22h Passage 3-4h

Centre ville et rues 17 à 18.5+ 14 à15.5

// // îlot 17 à 18.5+ 12.5 à14 Parc urbain 14 à 15.5 11 à 12.5 Quartier périphérique 15.5 â 17 12.5 à14 Forêt 14 à 15.5 11 à 12.5 Pelouse humide 11 à 12.5 8 à 9.5 Aéroport (piste) 15.5 à 17 12.5 à 14 Aéroport (pelouse) 9.5 à 11 8 à 9.5 Champs périphérie 11 à 12.5 8 à 9.5 Plans d'eau 15.5 à 17 15.5 à 17

Tableau .IV.3: Température de surface obtenue par thermographie de divers éléments de la. ville de Stuttgart en juin 1976.

Les espaces qui restent les plus froids sont les pelouses ou les champs cultivés lieux dans lequel l'évaporation peut produire des effets de refroidissement.

IV-5-Effet sur les espaces urbains : IV-5-1-L'évapotranspiration :

L'évapotranspiration (ET) est le phénomène combiné de perte en eau par évaporation directe et par transpiration¹¹⁷. L'évaporation est le processus par lequel l'eau liquide des surfaces d’eau, des trottoirs, du sol et de la végétation humide est convertie en vapeur d'eau (vaporisation) et enlevée à la surface. Quant à la transpiration, elle comprend la vaporisation de l'eau liquide contenue dans les tissus végétaux et l'extraction de vapeur vers l'atmosphère. Ressource indispensable à la croissance des plantes, l’eau est un élément constitutif majeur de la matière végétale ainsi qu’une source d’hydrogène et d’oxygène pour la plante. L'eau, ainsi que quelques aliments, est prise par les racines et transportée par la plante ; la vaporisation se produit dans la feuille, à savoir dans les

102 espaces intercellulaires, et l'échange de vapeur avec l'atmosphère est commandé par l'ouverture du stomate (Figure.IV.14)¹¹⁸.

Presque toute l'eau prise est perdue par la transpiration et seulement une fraction dérisoire est employée au sein de la plante. Les deux processus, d'évaporation et de transpiration se produisent simultanément et il n'est pas facile de distinguer l’un de l’autre, de sorte qu’ils sont réunis sous le terme général d’évapotranspiration.

FIG.IV.14 : Section schématique d’une portion de feuille. (Source : Oke, 1988)

L'évapotranspiration correspond pour les plantes et pour leur environnement, -en particulier le sol- à une perte de vapeur d'eau vers l'atmosphère qu'il faut compenser par des apports d'eau.

Suite à des travaux entrepris sur l'estimation des besoins en eau des cultures, on peut distinguer différentes notions dans l’évapotranspiration ¹¹⁹:

L’évaporation potentielle (EP) : Evaporation potentielle =correspond à la quantité d'eau nécessaire à la plante pour éviter, l'échauffement excessif des feuilles, compte tenu des conditions radiatives et hygrométriques en supposant illimitée la quantité d'eau disponible dans le sol. Est obtenue lorsque toutes les surfaces évaporantes d'un couvert végétal sont recouvertes d'eau et donc saturées d’eau (possibilités maximales d'évaporation dans des conditions climatiques données). L’évaporation potentielle théorique (EP*) : représente la valeur maximale de EP, lorsque la végétation n'oppose aucune résistance au transfert de vapeur d'eau. Elle peut être déterminée à partir de formules climatiques comme la formule de Penman.

L’évapotranspiration réelle (ETR) : est égale à la quantité d'eau qui est réellement évapotranspirée et dépend des conditions climatiques (en particulier du bilan radiatif et du vent), de la disponibilité de l'eau à la surface (résistance stomatale en particulier) et des caractéristiques de la partie aérienne des couverts végétaux (étendue, hauteur, disposition des surfaces évaporantes dans

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Oke, T.R.: Boundary layer climates. Edition Methuen, 1988.

103 l'espace). Donc, elle correspond au cas général dans les conditions naturelles et par conséquent c’est celle qui nous intéresse.

L’évapotranspiration réelle maximale (ETRm) : est la valeur de l'ETR lorsque la résistance stomatale du couvert est minimale.

L’évapotranspiration potentielle climatique (ETPc) : correspond à la valeur de l’ETP obtenue à partir des données météorologiques sur des intervalles de temps allant de la journée au mois.

La dépense en eau doit donc être mise en perspective avec des rendements de croissance fixés. Les paramètres ayant une influence sur les débits d'eau perdus doivent être connus.

Pour donner un chiffre global Hanson rappelle qu'à l'échelle d'un continent comme celui des Etats-Unis. L'évapotranspiration. C'est à dire L'évaporation directe à partir des surfaces humides à laquelle s'ajoute la transpiration des végétaux représente de 40 à 100% des précipitations annuelles en allant du nord -Ouest au sud-ouest du pays en moyenne cela représente 67°'% soit plus de deux fois les débits cumulés des cours d'eau Vers les deux océans 29% les chiffres annuels de la planète sont :

Lame d'eau tombée sur terre ferme 720m 100%

Évapotranspiration 410m 57%

Écoulement superficiels et sous terrains 310m 43%

Évaporation directe océans 1250m

Lame d'eau tombée sur océans 1120m

Tableau .IV.4 : Hauteurs d'eau annuelles échangées par évaporation.

104 Oke propose une formulation du bilan hydrique sous la forme suivante :

P + C = E + Dr + Df Où : P=Précipitations

C=Quantité d'eau produite par la combustion et le métabolisme. E=Evaporation.

Dr=eau évacuée par ruissellement.

Df= eau stockée dans le sol et les plans d'eau.

Selon Hanson^* 1 les paramètres influant les débits d'évapotranspiration des plantes sont : *- le rayonnement solaire net.

*- l'aire des étendues d'eau. *- la vitesse du vent.

*- la densité et le type du couvert végétal.

*- la disponibilité de l'eau dans le sol la profondeur des racines. *- l'albédo de la surface du sol

*- et pour les climats tempérés, la saison.

FIG.IV.16 : place de l'eau du sol dans le cycle de l'eau. (Source : http://www.u-picardie.fr).