Une question sur l'effet urbain

[charles.muller]

Quand on parle des îlots de chaleur urbain (ICU), on pense avant tout aux modifications d'usage du sol : les constructions (routes, immeubles) absorbent une plus grande quantité de chaleur dans la journée et la relâchent la nuit. Elles réduisent par ailleurs la couverture végétale et son évapotranspiration. Cet effet urbain est donc limité aux zones construites et à leur périphérie immédiate.

La question que je me pose concerne plutôt les émissions de gaz. L'activité urbaine produit un surcroît de CO2 et d'ozone, par exemple, par rapport aux zones non-urbaines. Connaît-on le comportement exact de ces gaz dans l'espace et le temps ? Sont-ils très rapidement dilués dans la troposphère, dispersés au loin par le moindre vent, ou subsistent-ils un certain temps en plus forte concentration au-dessus de la zone urbaine ? C'est assez naïf, mais j'avoue que je me représente mal ce que "fait" une molécule une fois émise de mon pot d'échappement (si le mistral souffle en rafale, j'imagine un peu ; mais en situation de flux faible ou nul, j'ignore son parcours standard).

Si la concentration de certains gaz à effet de serre était plus forte dans les basses couches des troposphères urbaines en raison du comportement "standard" des molécules concernées, cela donnerait une autre dimension à l'ICU. Notamment, cela réduirait les vertus d'un déplacement des stations météo du centre vers la périphérie peu construite (zones aéroportuaires) dans la mesure où à un instant t, l'atmosphère urbaine et péri-urbaine ne serait pas de toute façon pas représentative de l'atmosphère "moyenne" terrestre (celle au-dessus des villes et celle au-dessus d'un sol non habité) pour ce qui est des concentrations de GES, donc du réchauffement moyen au long de l'année. Et cela indépendamment de la présence ou non de constructions dans le périmètre immédiat des stations.

Je n'ai réussi à trouver aucune étude d'échantillonnage sur les compositions atmosphériques des villes et de leur périphérie. Si vous avez des infos, cela m'intéresse.

[Damien49]

On avait étudié pendant mes cours de climato l'effet des gazs polluants sur la ville d'Angers et de Nantes.

Il s'avere que par exemple pour la ville d'Angers, les vents dominants d'ouest ramenent la pollution de l'ozone produite sur la voie sur berge (A11 passant dans le centre de la ville d'Angers) sont déplacés en grosse concentration à l'Est de la ville. Ce n'est donc pas l'endroit où la pollution est créé qui sont les plus pollués mais bien la périphérie de la ville à cause du vent.

Des cartes existent donc puisqu'on avait travaillé à partir de ces cartes, mais je ne pourrais te renseigner pour savoir comment se les procurer. En bibliotheque universitaire surement.

[holon]

La question que je me pose concerne plutôt les émissions de gaz. L'activité urbaine produit un surcroît de CO2 et d'ozone, par exemple, par rapport aux zones non-urbaines. Connaît-on le comportement exact de ces gaz dans l'espace et le temps ? Sont-ils très rapidement dilués dans la troposphère, dispersés au loin par le moindre vent, ou subsistent-ils un certain temps en plus forte concentration au-dessus de la zone urbaine ? C'est assez naïf, mais j'avoue que je me représente mal ce que "fait" une molécule une fois émise de mon pot d'échappement (si le mistral souffle en rafale, j'imagine un peu ; mais en situation de flux faible ou nul, j'ignore son parcours standard).

Si la concentration de certains gaz à effet de serre était plus forte dans les basses couches des troposphères urbaines en raison du comportement "standard" des molécules concernées, cela donnerait une autre dimension à l'ICU. Notamment, cela réduirait les vertus d'un déplacement des stations météo du centre vers la périphérie peu construite (zones aéroportuaires) dans la mesure où à un instant t, l'atmosphère urbaine et péri-urbaine ne serait pas de toute façon pas représentative de l'atmosphère "moyenne" terrestre (celle au-dessus des villes et celle au-dessus d'un sol non habité) pour ce qui est des concentrations de GES, donc du réchauffement moyen au long de l'année. Et cela indépendamment de la présence ou non de constructions dans le périmètre immédiat des stations.

Je n'ai réussi à trouver aucune étude d'échantillonnage sur les compositions atmosphériques des villes et de leur périphérie. Si vous avez des infos, cela m'intéresse.

Etant donné que le forçage des GES anthropiques ne sont directement responsables que de quelques pourcents (4% ?) du réchauffement attendu (le reste venant entre autre le la puissante rétroaction positive liée à l'augmentation de la vapeur d'eau), je dirais que la surconcentration des GES (hors vapeur d'eau) en zone (peri-) urbaine compte pour peanut dans l'effet ICU/UHI. En revanche les avions jouent un rôle notable (vapeur d'eau haute+aérosols) comme l'attestent les études s'appuyant sur les jours qui ont suivi le 11 septembre 2001.

Je n'ai jamais entendu parler de modèles de circulation atmosphérique au-dessus des villes. Vu le nombre de villes (dans l'HN notamment), ce serait peut-être intéressant de le faire.

[marco_p]

Il y a eu pas mal d'expériences de mesure sur la répartition des gaz polluants (et non polluant d'ailleurs) au dessus des villes suivant le type de temps. Je pense qu'en tapant CAPITOUL dans un moteur de recherche, tu dois trouver des info sur ce qui s'est fait à Toulouse (CNRM; CNRS, ORAMIP et d'autres) et qu'en tapant ESCOMPTE pas mal de chose sur l'expérience de 2001(?) autour de Marseille.

Toutes ces donnéess servent à caler et à valider des modèles d'atmosphère urbaine et de mésoéchelle, avec dedans de la chimie: parce que par exemple ta voiture ne rejette pas d'ozone du tout, mais des oxydes d'azote. La difficulté de ces modèles est double, voire triple:

_ avoir une représentation convenable de la météo (convection urbaine, interaction synoptique urbain, and so on...)

_ avoir un module de chimie convenable, qui gère les quelques 200 réactions qui existent dans le "réacteur" urbain;

_ alimenter tout cela avec des données justes, en particulier les émissions chimiques de toute sorte : transport, industrie, particuliers, ....

La justification de ces travaux est plutot dans la lutte contre la pollution urbaine: personne n'imagine sérieusement que les écarts de composition chimique puissent influer sur la mesure de la température.

[charles.muller]

Etant donné que le forçage des GES anthropiques ne sont directement responsables que de quelques pourcents (4% ?) du réchauffement attendu (le reste venant entre autre le la puissante rétroaction positive liée à l'augmentation de la vapeur d'eau), je dirais que la surconcentration des GES (hors vapeur d'eau) en zone (peri-) urbaine compte pour peanut dans l'effet ICU/UHI.

Ah ? Je suis étonné des proportions que tu cites (4% du ∆T dus directement aux GES, 96% aux rétroactions). J'avais plutôt lu qu'un doublement CO2 représentait un gain de 1-1,2°C, soit 20 à 50% de la hausse attendue (selon la valeur accordée à la sensibilité climatique à ce doublement).

[charles.muller]

La justification de ces travaux est plutot dans la lutte contre la pollution urbaine: personne n'imagine sérieusement que les écarts de composition chimique puissent influer sur la mesure de la température.

Merci bien pour la référence des deux expériences, je vais chercher.

Sinon, pourquoi n'est-il pas "sérieux" d'envisager cette hypothèse ? Vu que je n'ai rien trouvé à son sujet dans les travaux les plus cités sur les ICU, je me doute qu'elle ne retient guère l'attention des chercheurs. Mais je n'arrive pas tout seul à comprendre pourquoi la composition physico-chimique de l'atmosphère d'une zone urbaine est sans effet notable sur les températures mesurées au sol dans cette même zone.

[Invité]

Merci bien pour la référence des deux expériences, je vais chercher.

Sinon, pourquoi n'est-il pas "sérieux" d'envisager cette hypothèse ? Vu que je n'ai rien trouvé à son sujet dans les travaux les plus cités sur les ICU, je me doute qu'elle ne retient guère l'attention des chercheurs. Mais je n'arrive pas tout seul à comprendre pourquoi la composition physico-chimique de l'atmosphère d'une zone urbaine est sans effet notable sur les températures mesurées au sol dans cette même zone.

Il y a forcément une influence.

Mais est-elle notable ou non, that is the question?

Un moyen de s'en tirer est de calculer la concentration de CO2 en x,y,z et en régime établi.

On peut utiliser les équations de diffusion simplifiées des modèles du CEA par exemple.

Ceci pour différents types de diffusion faible ou normale et pour différentes vitesses du vent.

On calcule ensuite une moyenne.

Concernant l'ES local généré il faut considérer l'intégrale de c*dl où c est la concentration et dl le chemin infinitésimal car la l'intensité absorbée est en exp(-sigma*c*l).

Ce qui veut dire pour être plus simple que même si la concentration locale de CO2 est plus forte (2 fois par exemple) il faut considérer l'épaisseur d'atmosphère concernée par cette concentration.

Si l'on considère qu'un doublement de la concentration en CO2 sur 10 km de tropo provoque 3 °C d'augmentation un doublement local sur 100 m provoquera un delta T de 0.03°C.

Si la concentration est 10 fois plus forte sur 100 m (mais cela m'étonnerait qu'on arrive à de tels chiffres en moyenne) le delta T sera de 0.15°C.

Il faut considérer les ES des autres gaz tels O3, NOx, CFC, HCFC,....

Au pif comme cela je dirais max 0.3°C en pleine ville et en heure pleine.

C'est à relativiser par rapport à l'effet urbain total qui peut être de 3°C.

[holon]

Ah ? Je suis étonné des proportions que tu cites (4% du ∆T dus directement aux GES, 96% aux rétroactions). J'avais plutôt lu qu'un doublement CO2 représentait un gain de 1-1,2°C, soit 20 à 50% de la hausse attendue (selon la valeur accordée à la sensibilité climatique à ce doublement).

Effectivement j'ai oublié un 0. Désolé.

[Torrent]

Il n'y a pas que cela, je suis persuadé aussi que l'irrigation intensive dans certaines zones contribue à augmenter notablement l'effet de serre local, surtout quand c'est la mauvaise habitude actuelle d'utiliser l'aspersion par canon à eau ou autres asperseurs, ce qui est de plus une methode d'irrigation particulièrement dépensière en ressources en eau et particulièrement inefficace en regard des performances atteintes par une irrigation au goutte à goutte.

Je connais la question j'ai testé, pour un meilleur résultat le goutte à goutte consomme 4 à 6 fois moins, l'eau descend à grande profondeur dans le sol, 50 à 60 cm au lieu de 10 à 20 cm dans un arrosage par aspersion à débit égal et il s'en perd bien moins par évaporation.

Les coupables sont les mêmes qui edictent par ailleurs des normes anti gaspillage à Bruxelles et dans les capitales et qui subventionnent des productions agricoles qui ne devraient pas avoir leur place dans certaines régions, tant qu'on subventionnera des cultures comme le maïs par exemple dans les zones sèches de la vallée du Rhone ou du littoral Languedocien on ne sortira pas de cette situation schizophrenique et ubuesque.

Aussi quand j'entends des conseils du genre "ne laissez pas couler l'eau du robinet en vous lavant les dents" je rigole interieurement, enfin façon de parler car le fatalisme ne m'offre que cette solution à défaut d'emettre une indignation qui ne serait pas comprise par la masse du troupeau de Panurge qu'est l'opinion.

[charles.muller]

Merci de vos réponses (et désolé de mon mutisme, en déplacement ces jours-ci et peu de temps pour approfondir).

Pour ce que l'on sait de la chimie atmosphérique aujourd'hui, les variations de GES dans l'atmosphère urbaine sont réelles mais peu susceptibles d'avoir des effets importants. J'ai retrouvé quelques études sur les "domes CO2", mentionnant des valeurs de 400 à 800 ppm pour ce gaz lors ds pics quotidiens. Mais comme le suggérait Meteor, ces concentrations sont limitées en très basse couche (quelques dizaines de mètres) et l'on retrouve une concentration proche de la normale vers 800 hPa. Par ailleurs, si le CO2 et l'ozone augmentent en zone urbaine, la vapeur d'eau et le méthane, par exemple, sont probablement présents en moindres quantités sous la couche limite polluée. Et de toute façon, pour ce qui est des températures, les ordres de grandeur concernés sont sans commune mesure avec les flux de chaleur sensible en surface produits par les activités de type chauffage, éclairage, transport ou industrie (quelques dizaines à quelques centaines de W/m2 selon la taille de la ville et la saison), qui ont eux-mêmes des effets de turbulence assez complexes.

Si les GES en soi affectent peu les températures de surface (du moins le ∆t rural/urbain, hypothèse d'origine de cette discussion), il résulte cependant que les villes représentent des micro-climats singuliers, tant du point de vue énergétique qu'atmosphérique. Comme les deux-tiers de la population mondiale sont appelés à vivre dans des villes, et des villes de plus en plus peuplées, une meilleure connaisance de ces micro-climats sera utile à l'avenir.

PS : dans les actus de La Recherche été 2006 (par ailleurs "spécial climat", dossier très intéressant), Thierry Phulpin du CNES parle du programme satellite Metop, qui sera mis en orbite cet été. A son bord, un instrument (IASI) conçu pour analyser deux fois par jour le profil de la pollution atmopshérique à l'échelle globale et locale (ainsi que des données thermiques et hygrométriques).

[holon]

Par ailleurs, si le CO2 et l'ozone augmentent en zone urbaine, la vapeur d'eau et le méthane, par exemple, sont probablement présents en moindres quantités sous la couche limite polluée.

Il me semble que lorsque l'on fait le décompte des polluants organiques volatils COV (composés organiques volatils), on déduit le méthane qui n'est pas vraiment un polluant local, ce qui donne COVNM (COV non méthanique), donc le méthane doit "pulluler" en ville. Sans parler des nombreuses fuites de gaz de ville.