Pourquoi les ponts gèlent-ils avant le reste de la route ?
― Un pont n'a pas sous lui la « chaleur du sol »
Un matin d'hiver, la route est simplement mouillée, mais le pont, lui, est gelé. Il ne se trouve pourtant pas dans un endroit particulièrement froid. La différence, c'est qu'il n'y a pas de terre sous un pont. Il perd sa chaleur par le dessus comme par le dessous, et rien ne vient la lui rendre.
Par un beau matin d'hiver, vous partez à vélo. La route est un peu humide, sombre et luisante, mais vos pneus accrochent bien le sol.
Puis vous abordez le pont au-dessus de la rivière, et soudain la roue avant glisse sur le côté. Pourtant, la chaussée a exactement le même aspect que la route mouillée de tout à l'heure.
Le panneau « Attention : verglas sur le pont », au bord de la route, existe pour ce genre de moment. Même matin, même température : pourquoi seul le pont gèle-t-il ?
Deux raisons seulement expliquent le gel précoce du pont
Une route ordinaire ne se refroidit que par sa face supérieure. Un pont, lui, est suspendu comme une planche : sa face inférieure est aussi exposée à l'air froid. C'est comme avoir deux fois plus de surface de refroidissement.
Le sol garde la chaleur accumulée en journée et pendant l'été : même par une nuit d'hiver, il reste plus chaud que l'air. Une route ordinaire reçoit cette chaleur par en dessous. Un pont, non.
Autrement dit, sur un pont, « beaucoup de chaleur sort, et aucune n'entre ». Voyons cela pas à pas.
Par nuit claire, la chaussée rejette sa chaleur vers le ciel
Les nuits claires et sans vent sont particulièrement froides. Le sol et la chaussée émettent sans cesse de la chaleur vers le ciel nocturne, sous forme de lumière invisible (l'infrarouge). Quand il y a des nuages, ils renvoient une partie de cette chaleur ; un ciel dégagé, lui, ne renvoie presque rien. C'est ce qu'on appelle le refroidissement radiatif.
Regardez la figure 1. À gauche, sur le pont, la chaleur s'échappe vers le ciel (flèches vers le haut), mais aussi vers le bas (flèches vers le bas), car sous le pont coule une rivière ou s'ouvre une vallée où circule de l'air froid.
À droite, sur la route ordinaire, la chaleur s'échappe aussi vers le haut. Mais juste en dessous se trouve une épaisse couche de terre. Elle a emmagasiné de la chaleur jusqu'à l'automne et la renvoie vers la chaussée, par en dessous, comme le montrent les flèches montantes.
Au refroidissement, le pont va environ 2,5 fois plus vite
Quelle est la différence, au juste ? Prenons un pont en béton de 20 centimètres d'épaisseur et une route posée sur le sol, tous deux à 5 °C au coucher du soleil. Avec le curseur de la figure 2, faites avancer le temps écoulé depuis le coucher du soleil.
Même départ à 5 °C, mais le pont passe sous 0 °C vers minuit et descend à environ −3 °C au matin. La route sur le sol, elle, est encore à 1 ou 2 °C le même matin. L'une gèle, l'autre est seulement mouillée. La scène du vélo, au début, s'explique exactement par cet écart.
La température des prévisions météo est celle de l'air à environ 1,5 mètre du sol. Par nuit claire, la chaussée rejette sa chaleur vers le ciel et peut être de quelques degrés plus froide que l'air. Même avec une « minimale de 3 °C » annoncée, il faut se méfier des ponts.
Les routes surélevées et les passerelles piétonnes sont comme les ponts : il n'y a rien dessous. Les sorties de tunnel et les routes à l'ombre d'immeubles ou de montagnes ne profitent pas du soleil de midi pour se réchauffer ; la glace peut y rester jusqu'au matin.
Alors, que faire ?
- Par un matin froid, clair et sans vent, traversez un pont en supposant qu'il est geléMême s'il a l'air seulement mouillé, on ne peut pas faire la différence
- Ralentissez avant le pontNe freinez pas et ne tournez pas brusquement le guidon sur le pont
- À pied, faites de petits pas et posez toute la plante du piedMettez des gants et gardez les mains hors des poches
Une fine couche de glace est transparente : la couleur sombre de la chaussée se voit au travers. On ne la distingue pas d'une route mouillée. Si quelqu'un tombe et se cogne fortement la tête, semble confus ou ne parvient pas à se relever, appelez sans hésiter les secours (au Japon, le 119).
Pour résumer
Une route ordinaire passe la nuit en recevant de la chaleur du sol sous ses pieds. Un pont n'a pas cette chaleur et en rejette en plus par le haut et par le bas. C'est pourquoi, un même matin, le pont est le premier à passer sous 0 °C.
Le sol, c'est la bouillotte de la route.
Le pont, lui, n'a pas de bouillotte.
Pour savoir pourquoi la glace est si glissante, lisez « Pourquoi une route gelée est-elle si glissante ? » ; pour voir comment la glace pousse depuis l'intérieur du sol, lisez « Pourquoi les aiguilles de glace sortent-elles de la terre ? ».
- Un matin clair et froid, comparez une passerelle ou un petit pont du quartier avec la route posée sur le sol juste avant.
- Comparez le givre sur des objets qui ont du vide dessous (toit de voiture, rampe de pont, selle d'un vélo garé sur le sol) et sur des objets proches du sol.
- Un soir où le gel s'annonce, posez deux mêmes planches dans le jardin ou sur le balcon : l'une directement au sol, l'autre surélevée sur des parpaings. Comparez le givre le lendemain matin.
Observez les surfaces gelées depuis un trottoir où l'on peut s'arrêter, sans jamais descendre sur la chaussée. Vous verrez de vos yeux que le givre est plus épais sur ce qui a du vide dessous.
Pour aller plus loin ― termes, formules, lien avec les manuelsDu collège à l'université : le niveau de chaque passage est indiqué
- CollègeProgramme de sciences du collège
- LycéeProgramme de physique de base du lycée
- Lycée+Approfondissement du lycée, ou encadré de manuel
- Univ.Cours spécialisés de l'université, non vus au lycée (transferts thermiques, météorologie)
- RechercheQuestions encore étudiées par les chercheurs, non enseignées comme acquises même à l'université
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Refroidissement radiatif : perte de chaleur d'un objet qui émet de l'infrarouge et se refroidit. Il est fort les nuits claires et sans vent.
- Capacité thermique : quantité de chaleur nécessaire pour faire varier la température d'un objet de 1 °C. Plus un objet est lourd et retient la chaleur, plus elle est grande, et plus il se refroidit lentement.
- Chaleur du sol (flux de chaleur dans le sol) : chaleur qui a pénétré le sol le jour ou en été, et qui remonte vers la surface la nuit ou en hiver.
CollègeLycéeVérifier par la formule : de combien un pont se refroidit-il en une nuit ?
On considère la chaussée comme une « plaque qui a emmagasiné de la chaleur », et on relie la chaleur perdue à la baisse de température. Entre le pont et la route sur le sol, on ne change que la chaleur perdue, tous échanges compensés.
| En symboles | ΔT ＝ ( q × t ) ÷ ( ρ × c × d ) |
| En mots | Baisse de température ＝ puissance de chaleur perdue nette × temps ÷ capacité thermique d'un mètre carré de plaque |
| D'où vient-elle ? | De la conservation de l'énergie : la chaleur sortie de la plaque est égale au produit de sa capacité thermique par la baisse de température |
| Symbole | Sens et unité |
| ΔT | Baisse de température (℃) |
| q | Puissance de chaleur perdue nette par mètre carré (watts par mètre carré) |
| t | Temps (secondes) |
| ρ, c, d | Masse volumique du béton (kilogrammes par mètre cube), capacité thermique massique (joules par kilogramme par ℃), épaisseur (mètres) |
| Masse volumique du béton | environ 2400 kg par mètre cube |
| Capacité thermique massique du béton | environ 880 J par kg et par ℃ |
| Épaisseur de la dalle du pont | 0,2 m (20 centimètres), par hypothèse |
| Chaleur perdue par la face supérieure par nuit claire | environ 70 W par mètre carré, par hypothèse (de quelques dizaines à 100 W environ) |
| Chaleur perdue par la face inférieure du pont | environ 30 W, par hypothèse → total pour le pont : environ 100 W |
| Chaleur reçue du sol par la route sur le sol | environ 30 W, par hypothèse → perte nette : environ 40 W |
| Masse d'un mètre carré de dalle | 0,2 × 2400 ＝ 480 kg |
| Capacité thermique d'un mètre carré de dalle | 480 × 880 ＝ 422400 J/℃ |
| Chaleur perdue par le pont en 1 heure | 100 × 3600 ＝ 360000 J |
| Baisse de température du pont en 1 heure | 360000 ÷ 422400 ≒ 0,85 ℃ |
| Chaleur perdue par la route sur le sol en 1 heure | 40 × 3600 ＝ 144000 J |
| Baisse de température de la route sur le sol en 1 heure | 144000 ÷ 422400 ≒ 0,34 ℃ |
| Rapport des vitesses de refroidissement | 0,85 ÷ 0,34 ＝ 2,5 fois |
| Baisse de température du pont en 10 heures | 0,85 × 10 ＝ 8,5 ℃ |
| Baisse de température de la route sur le sol en 10 heures | 0,34 × 10 ＝ 3,4 ℃ |
| Temps pour qu'un pont à 5 ℃ au coucher atteigne 0 ℃ | 5 ÷ 0,85 ≒ 5,9 heures |
Un pont à 5 °C au coucher du soleil passe sous 0 °C environ 6 heures plus tard et, au matin, 10 heures après, atteint à peu près −3,5 °C. La route sur le sol, le même matin, est à environ 1,6 °C et ne gèle pas. Ces valeurs sont des estimations fondées sur des hypothèses, mais elles montrent que la seule présence ou absence de sol dessous décide du gel.
LycéeLycée+Raisonner en « bilan » des échanges de chaleur
LycéeEn physique de base, on apprend que la chaleur gagnée par un objet vaut « masse × capacité thermique massique × variation de température ». La formule de cet article utilise la même relation du côté de la chaleur perdue. La température de la chaussée est fixée par la différence entre la chaleur qui sort et celle qui entre, c'est-à-dire par un bilan thermique.
Lycée+La chaleur émise par rayonnement est proportionnelle à la puissance quatrième de la température absolue de l'objet (loi de Stefan-Boltzmann). Vu du sol, un ciel nocturne clair se comporte comme un corps à plusieurs dizaines de degrés sous zéro : la chaussée perd donc de la chaleur en continu. S'il y a des nuages, ils renvoient de la chaleur et le refroidissement est plus faible.
Univ.Bilan thermique de surface et équation de la chaleur
En météorologie, on traite les échanges de chaleur à la surface du sol par un bilan thermique de surface qui sépare le rayonnement net, la chaleur sensible, la chaleur latente et le flux de chaleur dans le sol. Pour une route sur le sol, le flux de chaleur dans le sol compense une partie du refroidissement radiatif nocturne. La répartition des températures dans le sol est décrite par l'équation de la chaleur. Les variations de température de surface, jour et nuit ou selon les saisons, s'atténuent avec la profondeur et s'y propagent avec retard. C'est pourquoi, même une nuit d'hiver, le sol en profondeur reste plus chaud que sa surface. La dalle d'un pont se traite comme une plaque d'épaisseur finie dont la face inférieure touche l'air, avec perte de chaleur par les deux faces.
📖 Démonstration de la formule et pour aller plus loin : Équation de la chaleur (Wikipédia, en japonais) ／ Refroidissement radiatif (Wikipédia, en japonais)
RechercheCe qu'on ne sait pas encore bien
- Prévoir quel pont gèle, et quand La température de la chaussée varie beaucoup selon l'orientation et la hauteur du pont, l'air humide venu de la rivière et les zones d'ombre. Les systèmes de prévision du gel routier, quelques heures à l'avance, sont améliorés en continu dans de nombreuses régions.
- Givre ou glace ? On pense que la glissance diffère selon que l'eau sur la chaussée vient de la vapeur d'eau de l'air (qui se dépose directement en givre) ou de la pluie ou de la condensation qui gèlent. Les conditions exactes de cette frontière ne sont pas encore connues en détail.
- Efficacité des mesures contre le gel On essaie diverses méthodes : systèmes qui amènent la chaleur du sol vers la chaussée, revêtements qui gèlent moins facilement. L'équilibre entre coût et efficacité doit être vérifié site par site.
Le contenu de cet article n'est donc lui aussi qu'une « explication dans l'état actuel des connaissances ». Les valeurs du point ② en particulier sont des estimations simplifiées, destinées à montrer le mécanisme.
Lien avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière et chapitre | Où dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences « Le temps qu'il fait et ses changements » | Refroidissement radiatif des nuits claires |
| Lycée | Physique de base « Chaleur » | Capacité thermique et formule de variation de température |
| Lycée+ | Physique « Rayonnement thermique » | Loi de Stefan-Boltzmann |
| Univ. | Météorologie, transferts thermiques | Bilan thermique de surface, équation de la chaleur |
| Recherche | Météorologie routière, glaciologie et nivologie | Prévision et prévention du gel de la chaussée |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Traverser ponts, viaducs et routes à l'ombre un matin d'hiver |
- Junsei Kondo, Chihyōmen ni chikai taiki no kagaku ― Rikai to ōyō (地表面に近い大気の科学 ― 理解と応用 ; « La science de l'atmosphère près de la surface du sol »), Presses de l'Université de Tokyo (sur le bilan thermique de surface et le refroidissement radiatif)
- Société japonaise de la neige et de la glace (日本雪氷学会), éd., Shinpan Sepyō jiten (新版 雪氷辞典 ; « Dictionnaire de la neige et de la glace, nouvelle édition »), Koseisha (古今書院) (sur le gel de la chaussée et le givre)
- Ministère du Territoire, des Infrastructures, des Transports et du Tourisme (国土交通省), documents d'alerte routière hivernale des bureaux régionaux d'aménagement (ponts, sorties de tunnel et zones d'ombre, plus sujets au gel)
- Capacité thermique (熱容量) - Wikipédia en japonais
※ Cet article est une explication scientifique grand public. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur et des estimations destinés à faire comprendre le mécanisme. L'état réel de la chaussée varie beaucoup selon le lieu et la météo. Sur la route en hiver, suivez les informations et consignes des gestionnaires de voirie, des collectivités et de la police.