Les tribulations d’un astronome

Refroidissement éolien ou windchill

mardi 29 janvier 2019 par Guillaume Blanc

Alors qu’une dépression hivernale (Gabriel) se prépare avec un peu de neige à Paris et un peu de vent, et comme les prévisions de Météo France donnent la température ressentie, voici un petit — pas si petit que ça — article publié dans le numéro 53 de Carnets d’Aventures sur le refroidissement éolien ou windchill.

Nous avons tous expérimenté la sensation de froid que nous procure le vent, en particulier en hiver. Il suffit de se mettre à l’abri, un petit frisson de bien-être et « brrrr, ça va mieux ! ». En été, on apprécie qu’une légère brise nous caresse le visage quand la chaleur devient étouffante. De même, quand il fait très chaud une atmosphère très humide accroît la sensation de chaleur, et quand il fait froid, elle accroît la sensation de froid. On a défini des grandeurs, savamment calculées pour tenter de quantifier ces « sensations », d’une part l’indice de refroidissement éolien (« windchill » en anglais), d’autre part, l’humidex ou l’indice de chaleur.

Mais tout d’abord, qu’est-ce que la température ? Si on pouvait voir [1] les molécules d’un gaz tel que l’air qui nous entoure, on les verrait s’agiter frénétiquement dans tous les sens. On quantifie cette agitation par la température du gaz qui est une sorte de mesure de cette vitesse d’agitation des molécules. Cette notion de température s’étend aux autres matériaux que les gaz : les liquides, comme l’eau, ou les solides comme la table sur laquelle j’écris ces mots. Dans les liquides et les solides, les molécules s’agitent tout aussi frénétiquement que dans un gaz, avec la même vitesse si ces matériaux sont à la même température, elles vont seulement un peu moins loin, car retenues par les interactions avec leurs congénères.

Transfert thermique

La chaleur, quant à elle, quantifie un échange thermique, c’est-à-dire une quantité d’énergie qui passe d’une substance ou d’un objet “chaud” – à une température élevée – vers une autre substance ou objet “froid” – à une température plus basse. Une telle situation ne peut rester ainsi en déséquilibre : les deux substances vont évoluer spontanément vers une même température d’équilibre qui sera située entre les deux. Pour ce faire, de l’énergie thermique, la chaleur, doit transiter du chaud vers le froid. Une fois l’équilibre atteint, tout le monde est à la même température, le transfert de chaleur cesse.

Rayonnement, conduction, convection

Ce transfert d’énergie thermique peut se faire selon trois processus (voir la figure ci-dessous) : le rayonnement, la conduction et la convection. Le rayonnement est la chaleur que l’on reçoit à distance d’une flamme, par exemple ; c’est une onde électromagnétique : tout corps, objet ou matériau rayonne selon des longueurs d’ondes qui dépendent de sa température [2]. La conduction, c’est ce qui rend le manche métallique d’une casserole sur le feu rapidement brûlant : l’agitation thermique des atomes (et surtout des électrons) du métal composant le manche se propage rapidement de proche en proche, c’est un bon conducteur thermique. En revanche, un manche en bois dans la même situation ne brûle pas les mains : le bois est un bon isolant thermique, il propage mal la chaleur. La convection, c’est elle qui génère les bouillons de l’eau qui bout dans la casserole : elle transfère de la chaleur dans les gaz et les liquides avec des mouvements de matière. Elle peut être naturelle quand une partie du fluide, gaz ou liquide, en contact avec une source de chaleur, s’élève, car plus chaud donc plus léger, pour se refroidir au contact du reste du fluide, plus froid, avant de retomber [3]… Ou bien forcée, par le vent, un ventilateur, ou tout autre mouvement du fluide par rapport au corps chaud.

Illustration des différents types de transferts thermiques : la flamme du réchaud émet un rayonnement électromagnétique, elle rayonne ! La chaleur de la flamme chauffe le fond de la casserole, métallique, qui conduit la chaleur à travers son épaisseur et ses parois, jusqu’au manche, qui peut finir par brûler les mains s’il est métallique. L’eau qui chauffe pour faire cuire les pâtes l’est par convection entre le fond de la casserole, en contact avec le métal, chaud, et la surface libre, froide.

Thermorégulation du corps

Notre corps a la particularité, par rapport à d’autres animaux – mais comme tous les autres animaux homéothermes dont la plupart des mammifères – et aux matériaux inanimés, de produire de l’énergie. C’est notre métabolisme qui permet de transformer la nourriture que nous ingérons en énergie, afin de maintenir notre température corporelle à 37°C. Pour cela nous déployons toute une panoplie de processus selon l’environnement dans lequel nous sommes. S’il fait chaud, notre épiderme va produire un fluide, la sueur, contenant essentiellement de l’eau, qui va perler à la surface de la peau. L’évaporation de l’eau est un processus physique pour passer de l’état liquide à l’état gazeux, ce qui nécessite un apport d’énergie. L’eau qui bout dans une casserole sur la cuisinière va puiser l’énergie nécessaire à son évaporation dans le gaz ou l’électricité qui alimente l’engin. La sueur va s’évaporer en récupérant la chaleur nécessaire sur la peau, ce qui va avoir pour effet de faire baisser sa température, et donc de limiter l’échauffement. C’est cette évaporation qui induit la sensation de froid – consécutive à une perte de chaleur sur la peau – lorsque nous sommes mouillés en sortant du bain. Un autre mécanisme que nous avons dans notre panoplie est la chair de poule ou piloérection. Quand nous avons froid, pour limiter la perte d’énergie et donc éviter de refroidir le corps, notre épiderme peut dresser ses poils qui vont ainsi devenir autant d’obstacles à l’écoulement de l’air sur notre peau. Et si l’air s’écoule moins bien, il va stagner et former une couche fine, que l’on appelle couche limite, entre la surface de la peau et l’air loin du corps. L’air étant un bon isolant thermique, cette « couche d’air » entre les poils dressés va améliorer l’isolation du corps, et donc réduire les pertes de chaleur, contribuant ainsi à maintenir la température à 37°C dans un environnement plus froid. Certains animaux savent faire cela mieux que nous, avec leur fourrure. Notre fourrure à nous ce sont nos vêtements, car ce ne sont pas nos quelques poils épars qui vont nous protéger d’un froid intense même s’ils sont dressés de toute leur hauteur ! Quelles que soient l’intensité de la chair de poule et la densité de poils à la surface de notre épiderme, l’air qui se trouve à son contact forme une couche plus chaude que l’air ambiant loin du corps.

Effet du vent sur la couche d’air isolante

Cet effet est accentué par les vêtements qui permettent d’isoler notre corps (chaud) de l’air extérieur (quand celui-ci est froid). L’air conduit mal la chaleur quand la convection ne peut s’installer ce qui est le cas quand la couche d’air est trop petite : il forme alors un bon isolant thermique. Encore faut-il éviter que cette couche d’air isolante ne s’envole dans le vent. Pour cela, il faut l’emprisonner à l’intérieur de vêtements : c’est ce que font la doudoune ou le sac de couchage. C’est aussi le principe de l’habillement en « pelures d’oignon » l’hiver : avec différentes couches de vêtements qui emprisonnent chacun une mince couche d’air dont on limite la circulation on s’isole du froid. Par contre si cette couche d’air n’est pas emprisonnée, elle va rapidement disparaître sous l’effet du vent, que ce soit un vent météorologique ou bien un vent causé par un déplacement rapide (en courant, à vélo, en parapente, etc.). Dans ce cas, bien que l’air dans lequel nous nous déplaçons soit à la même température que le même air dans lequel nous sommes immobile, le vent qui glisse sur notre corps nous apparaîtra froid. L’effet du vent est de briser la petite couche d’air qui fait la transition entre la température de notre peau et celle de l’air extérieur, l’air au contact de notre peau est alors plus froid. Plus le vent est « fort [4], » plus la couche d’air isolante est évacuée et plus cela augmente le transfert thermique entre notre corps et l’air extérieur, sous l’effet de cette convection forcée. D’où la sensation de froid associée à un vent fort contre lequel nous n’avons aucune protection qui correspond à une perte d’énergie au niveau de la peau.

Le refroidissement éolien ou facteur windchill

Il s’agit là d’une sensation à laquelle il n’est pas possible d’associer une température physique. Néanmoins plusieurs scientifiques ont tenté de quantifier cette sensation en mettant en place une « formule » combinant la température de l’air et la vitesse du vent et donnant une température « ressentie » (facteur windchill en anglais – on parle aussi de refroidissement éolien en français) inférieure à la température physique de l’air. On trouve une formule standard qui est tracée sur la figure ci-dessous. Formule également utilisée sur des cartes de prévision du facteur de refroidissement éolien : les modèles météorologiques fournissent effectivement des prévisions pour la vitesse du vent au sol et la température de l’air, ce qui permet de calculer une carte de la température ressentie…

Dans un air froid, la température de l’air combinée avec du vent d’une certaine vitesse donne une température ressentie par la peau inférieure à la température de l’air.
Refroidissement éolien modélisé par le modèle météorologique AROME pour le 3 janvier 2018 à 8 h (tempête Eleanor). À gauche, la carte du vent moyen au sol, au centre les températures, et à droite le refroidissement éolien inférieur de quelques degrés Celsius à la température au niveau du sol. © Météociel.

Dans le tableau ci-dessous, on donne quelques valeurs du refroidissement éolien, en termes de température ressentie, mais aussi en fonction des effets physiologiques (en couleurs). En gris, la température réelle de l’air. En vert, il n’y a pas de risque. En jaune, les risques sont faibles, l’inconfort augmente un peu. En orange, le risque est modéré, il y a un risque d’hypothermie et de gelure si on est exposé pendant longtemps sans protection adéquate. En rouge, le risque est élevé, des gelures peuvent se produire sur la peau exposée en 10 à 30 minutes d’exposition. En grenat, le risque est très élevé, des gelures peuvent subvenir sur la peau exposée en 5 à 10 minutes. Le calcul standard du refroidissement éolien n’est valable que pour des températures inférieures à 10 °C.

Cette sensation de froid causée par le vent, tout comme celle causée par l’évaporation de l’eau sur la peau, n’est pas absolue. En fait, elle dépend essentiellement de la température de la peau avant la stimulation : par exemple, pour une même température cutanée finale, si la température initiale est légèrement plus élevée, on aura une sensation de froid, si elle est initialement légèrement plus froide, on aura une sensation de chaud ; elle dépend aussi de la rapidité à laquelle se fait le changement de température et de la surface de peau stimulée.

La notion de refroidissement éolien est critiquable et de fait controversée, car elle ne dépend pas des caractéristiques cutanées propres à chaque individu (pilosité, quantité de graisse sous-cutanée, etc.), elle ne tient pas compte de certains paramètres comme l’hygrométrie de l’air, l’irradiation solaire, elle n’est, de surcroît, pas mesurable (il s’agit d’une sensation) ; elle est néanmoins populaire. Il faut manier ces « températures ressenties » avec précaution, sans forcément les prendre au pied de la lettre. Le vent dans un air froid a un effet physique qui est d’abaisser la température de la peau. Pour des températures de l’air négatives et des vents relativement forts, un risque de gelure devient non négligeable (voir tableau). Par exemple, à -15 °C, un visage risque des gelures en 10 à 30 min s’il est exposé à un vent soufflant à plus de 45 km/h. À -20 °C, un vent de 15 km/h suffit ! Il faut donc prendre les précautions adéquates quand on se promène dehors dans le froid avec du vent, et se protéger la peau exposée (masque, foulard, cagoule…) tout en restant actif.

Par contre il n’est pas possible de se geler le visage dans un air où la température est positive, avec un vent suffisant pour donner une température ressentie négative, celle-ci n’étant pas physique. On ne peut pas, non plus, faire geler de l’eau de cette manière [5].

Humidex ou indice de chaleur

Il existe aussi un indice permettant de quantifier la sensation d’inconfort liée à l’effet combiné de la chaleur et de l’humidité. L’inconfort venant du fait que la sueur s’évapore moins facilement dans un air humide que dans un air sec, elle joue donc moins bien son rôle de régulation thermique, d’où la sensation de chaleur accrue. Cet indice se calcule en tenant compte de la température de l’air et de la “température de rosée” ou « point de rosée ». La température de rosée est la température à laquelle l’humidité contenue dans l’air sous forme de vapeur va condenser ; elle dépend de l’humidité relative de l’air. Elle est inférieure à la température de l’air. Quand les deux sont égales, l’air est saturé en humidité, qui est de 100 %. Cet indice est l’humidex ou l’indice de chaleur. Le premier est un nombre sans dimension, le second, issu d’une « formule » différente est exprimé sous forme de température ressentie. Ces indices sont peu connus et peu utilisés chez nous, ils le sont surtout en Amérique du Nord.

[1En fait, même si on pouvait voir les molécules d’air, par une coloration quelconque, par exemple, on ne verrait qu’un brouillard intense, tellement elles sont nombreuses ; on ne pourrait les distinguer individuellement tellement elles sont petites !

[2Tous les corps émettent un rayonnement électromagnétique à différentes longueurs d’onde, selon leur température. Ainsi le Soleil, très chaud, émet la lumière visible que nous connaissons bien, à laquelle nos yeux sont sensibles ; le corps humain, quant à lui, rayonne dans l’infrarouge thermique, un rayonnement que nous ne voyons pas avec nos yeux, mais qui nous procure une sensation de chaleur s’il est suffisamment intense.

[3Un fluide, gaz ou liquide, froid en contact avec une source de chaleur (radiateur dans une pièce, plaque chauffante sous une casserole, etc.) s’échauffe et se dilate, devenant ainsi moins dense ; sous l’effet de la poussée d’Archimède, il va s’élever, puis se refroidir au contact du reste du fluide, froid. À nouveau plus dense, il retombe. On obtient ainsi une sorte de cycle qui transfère efficacement la chaleur. On trouve la convection dans les courants marins, dans les nuages d’orages, et tout un tas d’endroits même lorsque cela n’est pas “visible” :-)

[4La notion populaire de « force » pour le vent est trompeuse, car on parle en fait de sa vitesse. Même si plus la vitesse du vent est élevée, plus la pression (qui n’est d’autre qu’une force s’exerçant sur une surface) qu’il exerce sur des structures est importante.

[5Il est néanmoins possible de faire geler de l’eau dans une atmosphère avec une température positive : c’est le cas en montagne à la fin du printemps ou l’été en haute montagne. Des névés, gorgés d’eau de fonte à la fin d’une journée estivale se retrouvent durs comme la pierre au petit matin, malgré des températures nocturnes positives. Mais comme le savent bien les alpinistes et les skieurs de randonnée qui recherchent ce regel permettant à la neige de les porter fermement, il n’a lieu qu’à la condition que le ciel soit clair. Dans ce cas, la neige perd de l’énergie par rayonnement. Elle va perdre ainsi de l’énergie tant que sa température n’atteint pas celle du ciel qui est très basse (-50 °C environ). Bien entendu, elle n’a pas le temps de l’atteindre avant l’aube, mais elle a généralement le temps de geler. Par contre si le ciel est couvert, les nuages ayant une température plus élevée, la perte de chaleur par rayonnement se fait moins bien ; l’alpiniste risque de brasser...


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