Pourquoi notre souffle devient-il blanc en hiver ?
― Quand la vapeur d'eau invisible se change en gouttelettes au contact de l'air froid
En plein été, on a beau souffler un grand « haaa », on ne voit rien. En plein hiver, le même geste fait apparaître un souffle bien blanc. Pourtant, le souffle lui-même devrait être le même l'été comme l'hiver. Pourquoi ne le voit-on qu'en hiver ?
Un matin d'hiver, le visage enfoui dans l'écharpe, vous soufflez un grand « haaa ». Devant vous, une sorte de nuage blanc se déploie doucement. Beaucoup d'entre vous ont déjà ri avec un ami : « Regarde, on voit ton souffle ! »
Mais par une chaude journée d'été, le même souffle reste invisible. L'air qui sort de nos poumons ne change sans doute guère d'une saison à l'autre. Alors, qu'est-ce qui change ?
Le souffle blanc n'apparaît que si deux conditions sont réunies
Dans les poumons, il fait environ 37 °C, proche de la température du corps, et l'humidité est proche de 100 %. Notre souffle est donc un air chaud et humide, chargé de vapeur d'eau invisible.
Plus l'air est froid, moins il peut contenir de vapeur d'eau. Quand le souffle chaud est brusquement refroidi par l'air extérieur, la vapeur en trop apparaît sous forme de fines gouttelettes.
C'est seulement quand ces deux conditions sont réunies que le « souffle blanc » devient visible. Examinons-les l'une après l'autre.
Raison 1 : le souffle contient beaucoup de vapeur d'eau invisible
Dans les poumons, il fait environ 37 °C, près de la température du corps, et l'air y est toujours humide. L'air qui en sort contient bien plus de vapeur d'eau que l'air ambiant. Mais la vapeur d'eau est un gaz incolore et transparent : à ce stade, on ne voit encore rien.
Raison 2 : l'air froid retient mal la vapeur d'eau
La quantité de vapeur d'eau que l'air peut garder à l'état de gaz a une limite, appelée humidité absolue à saturation. Cette limite est plus élevée quand l'air est chaud, et plus basse quand il est froid.
Quand un souffle chaud et humide est brusquement refroidi par l'air froid, la vapeur qui dépasse la limite de la température ambiante ne peut plus rester à l'état de gaz. L'excédent apparaît alors sous forme de minuscules gouttes d'eau, visibles. C'est exactement le même principe que la condensation qui perle sur un verre de boisson glacée.
La condensation se produit quand l'air au contact d'un verre froid est brusquement refroidi : la vapeur au-delà de la saturation devient gouttelettes. Le souffle blanc n'est que la même chose, en pleine air. La « fumée de glace sèche » des scènes de théâtre ou de cinéma fonctionne pareil : elle refroidit brusquement l'air ambiant et crée un brouillard de gouttelettes.
Ce que vous pouvez vérifier vous-même
- Versez dans un verre une boisson bien refroidie au réfrigérateur et laissez-le posé
- Au bout d'une à deux minutes, constatez que l'extérieur du verre est couvert de gouttelettes
L'intérieur du verre n'est pas mouillé, seul l'extérieur l'est. C'est parce que l'air ambiant, refroidi au contact du verre, se débarrasse de la vapeur qu'il ne peut plus retenir. Ce qui se passe dans l'air quand le souffle est blanc se produit ici à la surface du verre.
En résumé
Le souffle est blanc en hiver parce que ① il contient déjà beaucoup de vapeur d'eau, et ② l'air froid en retient très peu ― deux conditions réunies. Si on ne le voit pas en été, c'est simplement que l'air extérieur peut encore absorber toute cette vapeur.
Le souffle blanc n'a rien de spécial.
C'est votre souffle habituel qui, en rencontrant l'air froid, se montre enfin.
Le même phénomène, « la vapeur d'eau refroidie devient visible », se produit aussi sur la pelouse la nuit. Pourquoi l'herbe est-elle mouillée le matin sans qu'il ait plu ? C'est expliqué dans cet article.
Pour aller plus loin ― termes, formules et liens avec les manuelsDu collège aux sujets de recherche : le niveau de chaque passage est indiqué
- CollègeAu programme de sciences du collège japonais
- LycéeAu programme de « Sciences de la Terre de base » au lycée
- Lycée+« Chimie » au lycée, ou contenus d'approfondissement et encadrés des manuels
- UniversitéNon vu au lycée : matière spécialisée universitaire (sciences de l'atmosphère)
- RecherchePas encore enseigné comme acquis, même à l'université : sujet que les chercheurs étudient en ce moment
CollègeVocabulaire : les mots du souffle blanc
- Vapeur d'eau : eau à l'état gazeux. Incolore et transparente, elle est invisible à l'œil.
- Humidité absolue à saturation : quantité maximale de vapeur d'eau que l'air à une température donnée peut contenir à l'état gazeux.
- Condensation : passage de la vapeur d'eau gazeuse à l'eau liquide (gouttelettes).
- Condensation sur une surface : phénomène où l'air refroidi laisse sa vapeur excédentaire former des gouttelettes sur un objet.
CollègeLycéeVérifier par le calcul : quelle quantité d'eau devient gouttelettes en une expiration ?
« L'excédent devient gouttelettes » : difficile de se représenter la quantité. Ici, le calcul donne des chiffres nets.
Eau en gouttelettes = vapeur dans le souffle − vapeur que l'air extérieur peut contenir
| Vapeur contenue dans le souffle | Environ 39,6 [g/m³] à 37 °C et 100 % d'humidité |
| Vapeur que l'air extérieur (0 °C) peut contenir | Environ 4,8 [g/m³] à 0 °C et 100 % d'humidité |
| Volume d'une expiration | Environ 0,0005 [m³] (500 mL) pour un adulte au repos |
Ces valeurs viennent de la relation entre la température de l'air et la quantité maximale de vapeur qu'il peut contenir (humidité absolue à saturation). Plus la température baisse, plus cette limite diminue.
| Vapeur dans une expiration | 39,6 × 0,0005 = 0,0198 [g] |
| Vapeur que l'air à 0 °C peut contenir | 4,8 × 0,0005 = 0,0024 [g] |
| Eau en gouttelettes (différence) | 0,0198 − 0,0024 = 0,0174 [g] |
Par expiration, environ 0,0174 g (17,4 mg) d'eau passent de l'état de gaz à l'état de gouttelettes, d'après ce calcul.
17,4 mg, c'est à peu près le poids d'un grain de riz. À chaque expiration, l'équivalent d'un grain de riz d'eau se change en brume visible. Cela rend sans doute ce souffle blanc bien plus familier.
Lycée+UniversitéPourquoi l'air chaud peut-il contenir plus de vapeur d'eau ?
Si l'humidité absolue à saturation varie avec la température, c'est parce que la pression de vapeur d'eau pouvant coexister avec l'air (pression de vapeur saturante) augmente de façon exponentielle avec la température. L'idée de base : plus il fait chaud, plus les molécules d'eau s'échappent facilement, et plus la quantité qui reste à l'état gazeux augmente. Cette relation est aussi décrite par la formule de Clausius-Clapeyron, abordée dans l'article sur la pression et le point d'ébullition.
Le mécanisme du souffle blanc, « un air chaud et humide qui se change en gouttelettes au contact de l'air froid », est aussi celui des nuages du ciel et des traînées de condensation des avions en altitude. Seule l'échelle change ; la physique en jeu est à peu près la même.
RechercheCe que l'on ne comprend pas encore bien
- Prédire précisément la taille et le nombre des gouttelettes du souffle blanc selon les conditions reste encore difficile. Température, humidité, force du souffle : plusieurs facteurs s'entremêlent.
- La façon dont les fines gouttelettes de l'haleine (postillons, aérosols) se dispersent et le temps qu'elles restent dans l'air font l'objet de recherches, notamment pour lutter contre les maladies infectieuses.
- Les modèles numériques qui prédisent précisément quand et à quel point les lunettes ou le masque s'embuent sont eux aussi encore en développement.
Ce souffle blanc que l'on voit chaque jour en hiver reste un objet de recherche, jusque dans le comportement de chaque gouttelette. Être familier d'un phénomène et le comprendre, ce n'est pas la même chose.
Liens avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière / chapitre | Où dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences : vapeur d'eau et condensation / humidité | Bases sur vapeur, condensation, buée ; observation du verre |
| Lycée | Sciences de la Terre de base : vapeur d'eau dans l'atmosphère | Calcul de l'humidité à saturation, estimation de la masse des gouttelettes |
| Lycée+ | Chimie : équilibre liquide-gaz (approfondissement) | Relation entre pression de vapeur saturante et température |
| Université | Sciences de l'atmosphère, thermodynamique | Formule de Clausius-Clapeyron, points communs avec nuages et traînées d'avion |
| Recherche | Science des aérosols, épidémiologie (non résolu) | Prédiction de la taille des gouttelettes, dispersion des postillons, modèles numériques de buée |
| ― | Observation du quotidien | Condensation, points communs avec la fumée de glace sèche |
- Documents explicatifs, notamment de l'Agence météorologique japonaise (気象庁), sur la relation entre température et humidité absolue à saturation.
- Passages généraux des manuels de sciences de la Terre et de chimie sur l'humidité, la pression de vapeur saturante et la formule de Clausius-Clapeyron.
- Valeur indicative du volume courant au repos (environ 500 mL chez l'adulte), tirée de la littérature de physiologie respiratoire.
- Revue de recherche en science des aérosols (connaissances générales sur la production et la dispersion des postillons).
※ Les valeurs d'humidité à saturation, de volume respiratoire, etc. varient selon la corpulence et les conditions. Cet article donne des valeurs indicatives d'usage courant.
※ Cet article est une explication scientifique grand public. Les valeurs d'humidité à saturation et de volume respiratoire varient selon les sources et les individus ; elles sont données comme repères pour comprendre le mécanisme.