Bien connu, et particulièrement redouté en été, dans les zones tempérées et tropicales de notre planète, le phénomène d’îlot de chaleur urbain qui y est étudié depuis plus de 150 ans est en revanche encore peu exploré dans les zones polaires.

L’îlot thermique urbain est l’une des manifestations les plus nettes de l’impact de l’urbanisation et des activités humaines sur le climat local, bien qu’il n’en constitue qu’une facette.

Profil des températures montrant un dôme de chaleur au-dessus d’une zone urbaine tropicale ou tempérée
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Cette caractéristique principale du microclimat spécifique des zones urbanisées est créée par le contraste entre les zones bâties urbaines et les zones rurales ou forestières voisines et se manifeste par une température plus élevée dans le centre d’une agglomération qu’à sa périphérie (banlieue), elle-même plus chaude que les zones rurales environnantes. L’îlot de chaleur urbain, qui induit un stress thermique excessif sur les hommes et l’environnement aux basses et aux moyennes latitudes, avec des conséquences graves l’été dans les mégapoles lors des canicules, n’est pas considéré comme problématique en hiver pour ces zones géographiques. Les recherches réalisées aux moyennes latitudes concluent en effet à un phénomène restreint à cette saison, en raison d’un ensoleillement réduit et d’une moindre fréquence des événements météorologiques calmes, facteurs nécessaires à la formation d’un tel dôme de chaleur ^[1] Selon une étude de 2004, parmi les nombreux paramètres à l’œuvre dans la formation d’un îlot de chaleur sur une ville, émerge une combinaison de facteurs météorologiques particulièrement propices, associant nébulosité et vitesse du vent, qui génère un type de temps clair et calme (conditions anticycloniques, vents faibles, ciel dégagé). Les deux « conditions requises » pour produire des îlots thermiques urbains de forte intensité aux moyennes latitudes sont une insolation supérieure à 50 % et un vent moyen inférieur à 3 m/s. (Cantat O. (2004). L’îlot de chaleur urbain parisien selon les types de temps. Norois, 191/2. http://norois.revues.org/1373).

Mais qu’en est-il en Arctique ? Cette question elle-même a-t-elle un sens dans ces contrées où les populations natives ont plutôt créé de petites communautés ? Barrow par exemple – ou Utqiagvik en dialecte iñupiaq – localité la plus septentrionale d’Alaska serait, avec plus de 4 000 habitants, la plus grande communauté autochtone de l’Arctique. Pourtant un article de scientifiques américains paru au début des années 2000 faisait état d’un îlot de chaleur urbain à Barrow. En outre, l’urbanisation rapide de l’Arctique ces dernières décennies, fréquent corollaire de l’exploitation minière de ces terres de haute latitude, a conduit au développement au nord du 65^e parallèle d’une centaine d’agglomérations rassemblant au total environ 2 millions d’habitants, les plus grandes étant celles du Grand Nord russe. Ainsi, Mourmansk, port établi sur la côte de la mer de Barents dans la péninsule de Kola, dont la population avoisine les 300 000 habitants, est la plus grande ville située au-delà du cercle polaire arctique, suivie par Norilsk, agglomération industrielle de Sibérie, qui, avec plus de 175 000 habitants, est la ville de plus de 100 000 habitants la plus septentrionale au monde.

Péninsule de Kola
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La plupart des villes de l’Arctique sont cependant de taille moyenne et comptent entre 30 000 et 70 000 habitants. Les quelques études déjà menées ces dernières années sur des villes russes telles que Norilsk ou d’autres zones urbaines du nord-ouest de la Sibérie ont montré là aussi la formation d’îlots de chaleur, et ce, pendant la saison hivernale.

C’est également le cas à Apatity, ville fondée en 1926, située dans la péninsule de Kola non loin du massif des Khibiny, qui recèle des gisements de minerai d’apatite, minéral exploité par cette localité dont elle tire son nom. Cette agglomération de plus de 55 000 habitants se trouve à l’intérieur du cercle polaire boréal, et de ce fait, est soumise en cours d’hiver à la nuit polaire avec un rayonnement solaire direct proche de zéro. À cette saison, elle présente pourtant, selon une précédente étude de scientifiques russes menée sur une courte période de l’hiver 2014, une différence de température de 5 à 10 °C par rapport à la taïga environnante. Un chiffre étonnamment élevé pour une ville de cette taille. Aux moyennes latitudes en effet, dans une ville de plus d’un million d’habitants, la différence de température est de l’ordre de 1 à 3 °C, si l’on se réfère à la température atmosphérique annuelle moyenne, et peut atteindre 12 °C la nuit.

Un tel microclimat urbain, beaucoup plus doux, peut certes avoir des effets bénéfiques pour les populations et l’environnement, mais comporte également des retombées préjudiciables, telles que la diminution de la portance du sol ^[2] Un microclimat urbain plus doux l’hiver diminue les risques sur la santé du gel et ses attaques sur les bâtiments ; il autorise davantage d’activités d’extérieur pour la population, mais il a aussi un impact sur le microbiote du sol et les écosystèmes, favorise la prolifération d’espèces envahissantes et de maladies, ainsi que la diminution de la capacité de portance des sols gelés.. Une température hivernale plus clémente affecte en effet les températures du sol, plus élevées, et les couches actives du sol, plus profondes, ce qui réduit le gel du sol et modifie son hydrologie. Cette conséquence peut constituer une menace pour les infrastructures de ces zones urbaines où la planification s’est faite en utilisant des normes de construction issues des zones tempérées et sans tenir compte du phénomène d’îlot de chaleur urbain. De plus, ces dômes de chaleur se forment dans un contexte de réchauffement climatique rapide et amplifié, et de changements environnementaux déjà en cours. En dépit des craintes quant à l’impact exacerbé dans ce contexte d’une telle hausse des températures sur la stabilité des sols et le risque d’effondrement des bâtiments pour des villes polaires comme Apatity, les observations, dont politiques et gestionnaires urbains pourraient tirer profit, sont peu fréquentes et éparpillées.

Centre-ville d’Apatity
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Une équipe de chercheurs russes et norvégiens a donc entrepris de poursuivre les recherches à Apatity pour déterminer l’étendue spatiale, l’ampleur et les mécanismes physiques à l’origine des îlots de chaleur hivernaux qui s’y forment.

Cette ville d’Eurasie polaire dispose d’un réseau de mesures in situ ^[3] Réseau « Urban Heat Island Arctic Research Campaign » (UHIARC), constitué de capteurs de températures et de stations météorologiques autonomes, la qualité des données de ces dernières ayant été contrôlée grâce aux observations d’une station de l’Organisation météorologique mondiale placée sur la rive du lac Imandra, à 2 km de la ville d’Apatity., déployé dans la ville et ses environs, suffisamment dense et pluriannuel (hivers 2013/2014, 2014/2015 et 2015/2016), ce qui justifie son choix ^[4] Depuis l’hiver 2016/2017, quatre autres villes polaires russes de taille moyenne ont été équipées de ce réseau de capteurs : Salekhard, Nadym, Novy Urengoy et Vorkuta, cette dernière étant la seule grande ville avec Yakutsk et Norilsk à être implantée dans une zone de pergélisol continu.. Les scientifiques ont complété et synchronisé ces mesures in situ, certes denses mais encore trop fragmentaires, avec des données de télédétection satellitaire ^[5] Mesures de températures de la surface terrestre dans des conditions de ciel serein, obtenues grâce aux spectroradiomètres MODIS embarqués sur les satellites Aqua et Terra., explorant les statistiques climatiques à long terme de la ville d’Apatity, et les ont combiné avec des résultats de simulations numériques. Trois expériences de sensibilité d’un modèle météorologique haute résolution ^[6] Modèle méso-échelle à aire limitée COSMO-CLM., destinées à identifier la contribution des différents facteurs au dôme de chaleur, ont été effectuées pour l’hiver 2015/2016. Ces simulations tiennent compte ou non du flux de chaleur anthropique, et comportent ou non un schéma urbain, celui-ci étant voué à représenter de manière simplifiée le tissu urbain dense de la ville et sa « canopée » d’immeubles hauts de 5 à 9 étages, ainsi qu’à simuler les contraintes exercées par la surface terrestre sur la partie inférieure de l’atmosphère.

Les observations indiquent bien une anomalie positive de température dans la zone urbanisée, les valeurs les plus fortes concernant le centre-ville densément construit. Les résultats confirment également l’ampleur de l’îlot de chaleur, avec une anomalie de 1,9 °C en moyenne, des valeurs supérieures à 5 °C sur 20 % du temps et une anomalie maximale de 11 °C relevée sur l’ensemble des 3 hivers. L’îlot thermique est d’autant plus intense que les températures sont basses, inférieures à -10 °C, ce qui se produit fréquemment, mais il s’affaiblit avec des vents plus forts. Avec la haute fréquence et la persistance des conditions anticycloniques, et donc des périodes de froid, caractéristiques du climat polaire continental auquel sont soumises ces zones, des îlots thermiques urbains significatifs et durables sont donc omniprésents dans les villes polaires.

Vue des monts Khibiny depuis la route européenne E105
Crédit photo : Aplesnin Mikhail
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Ces valeurs hivernales élevées et persistantes à Apatity sont comparables à celles observées dans des mégapoles, telles que Londres, New York, Pékin ou Séoul. Mais à la différence des villes des zones tempérées et tropicales, la nuit polaire exclut de facto, des causes pouvant expliquer le phénomène, le piégeage du rayonnement solaire par les surfaces urbaines, ainsi que de faibles taux d’évapotranspiration, comme c’est le cas aux latitudes plus basses. L’absence de rayonnement solaire au cours de la nuit polaire devrait d’ailleurs plutôt induire un refroidissement pour les zones déboisées. Deux facteurs peuvent cependant expliquer l’îlot de chaleur urbain à Apatity : le facteur anthropique dû aux activités humaines, en particulier le dégagement de chaleur produit par les bâtiments et les processus industriels, et le facteur orographique, la ville étant établie sur une colline, sous des conditions d’inversion thermique proches de la surface, phénomène commun aux hautes latitudes. Les simulations ont permis de clarifier les contributions relatives de ces deux paramètres. Les résultats, en accord avec les observations, montrent que la contribution anthropique expliquerait à 50 % l’anomalie de température mesurée dans cette ville (le chauffage anthropique au charbon représentant la part dominante, suivi par les modifications d’occupation du sol), voire davantage les jours très froids, les variations orographiques locales et la présence d’inversions thermiques atmosphériques pouvant s’y ajouter pour amplifier le phénomène. Ces facteurs anthropiques, dont l’importance avait été sous-estimée jusqu’à présent, sont probablement aussi responsables de la formation d’îlots de chaleur l’hiver dans d’autres villes polaires.

La contribution anthropique réchauffe toute la ville d’environ 1 °C en moyenne en hiver et jusqu’à 6 °C dans le centre-ville pendant les journées extrêmement froides. L’utilisation des résultats de ces recherches pourrait contribuer à une meilleure gestion énergétique de la ville, ce qui permettrait d’entrer dans un cercle vertueux.

Zone industrielle d’Apatity
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La consommation de charbon à Apatity, nécessaire à la production et la distribution de chaleur pour le chauffage urbain, pourrait ainsi être considérablement réduite si l’îlot de chaleur urbain était pris en compte dans la gestion urbaine locale. Les auteurs estiment qu’elle pourrait être réduite d’environ 1,5 %, et même de 12 % les jours les plus froids, lorsque la consommation est à son maximum. En parallèle, des normes de construction améliorées, la mise en œuvre de mesures d’efficacité énergétique, une lutte contre le développement urbain à forte densité, ainsi qu’une véritable politique climatique urbaine, engageraient les villes polaires dans une planification urbaine durable avec des infrastructures pérennes dans cet environnement sensible. Car si Apatity, dont le sol ne comporte que des parcelles isolées de pergélisol en dépit d’une température moyenne annuelle de -0,4 °C, n’est guère menacée, ce n’est pas le cas d’un certain nombre d’autres villes de l’Arctique, moyennes ou grandes, exposées à des climats plus rigoureux et construites sur un sol sablonneux artificiel ou sur un pergélisol très sensible au réchauffement, qui présentent déjà de forts signes de dégradation.