Le désert est brûlant le jour, mais pourquoi glacial la nuit ?
― Il n'y a pas d'« eau » pour retenir la chaleur, ni dans le ciel ni au sol
Au même endroit, sur le même sable : brûlant le jour, glacial la nuit à en trembler. Ce n'est pas ce que le désert possède qui crée cet écart, mais ce qui lui manque. Pas d'eau, pas de nuages, pas d'épaisseur pour stocker la chaleur. Cela suffit à rendre le jour et la nuit si différents.
Dans les images de voyageurs au désert, on voit des gens se couvrir d'un tissu léger le jour pour se protéger du soleil, puis s'envelopper dans des couvertures autour d'un feu la nuit. Cet écart ne vous a-t-il jamais intrigué ?
C'est le même sable. Le soleil se couche, et il fait soudain si froid. Pourquoi ?
L'indice se trouve dans une sensation que l'on connaît aussi au Japon : les matins les plus froids sont ceux où le ciel est bien dégagé et sans vent. Le désert répète cela chaque jour, mais de façon extrême.
Il n'y a que deux grandes raisons
L'air du désert est très sec, avec presque aucun nuage. La chaleur accumulée par le sol s'échappe vers l'espace sans rien pour la retenir.
Le sable sec a une capacité à stocker la chaleur bien plus faible que l'eau, et en plus, il ne la transmet pas vers le bas. Il ne se réchauffe et ne se refroidit que sur une fine couche de surface.
Ces deux raisons ne sont pas indépendantes. Toutes deux viennent de l'absence d'eau. Voyons cela dans l'ordre.
Le ciel nocturne est une voie d'évacuation de la chaleur
Pendant la journée, le sol se réchauffe sous l'effet du soleil. Et tout ce qui se réchauffe émet une lumière invisible pour se débarrasser de sa chaleur. On appelle cela le rayonnement. La peau humaine, le sable, tout émet en permanence cette lumière.
Dans un lieu ordinaire, une grande partie de cette lumière est captée en chemin. Ce qui la capte, c'est la vapeur d'eau contenue dans l'air, ainsi que les nuages. La vapeur d'eau absorbe la lumière émise par le sol et en renvoie une partie vers le sol. Autrement dit, le ciel joue le rôle d'une fine couverture.
Dans le désert, cette couverture est presque absente. Pas de nuages, peu de vapeur d'eau. La lumière émise par le sol s'échappe vers l'espace sans jamais revenir. C'est pourquoi, dès que le soleil se couche, le sol se refroidit de plus en plus vite. Regardez la partie droite de la figure 1 : la flèche orientée vers le haut traverse tout droit, sans être bloquée.
Le même phénomène se produit au Japon. C'est pour cette raison que les matins d'hiver bien dégagés et à l'air sec sont les plus froids. Et c'est aussi pourquoi les nuits nuageuses se refroidissent moins que prévu : le nuage joue le rôle d'une couverture.
Le sable est mauvais pour stocker la chaleur
L'autre raison tient au sol lui-même. Dans les endroits où il y a de l'eau, comme les mers ou les lacs, l'eau stocke énormément de chaleur. Pour une même masse, l'eau a une capacité à stocker la chaleur exceptionnellement grande comparée aux autres substances.
Le sable sec n'en stocke qu'environ un cinquième. Pour une même quantité de chaleur reçue, la température du sable monte donc bien plus, plusieurs fois plus, que celle de l'eau.
De plus, il y a beaucoup d'air entre les grains de sable. L'air est très mauvais conducteur de chaleur, si bien que la chaleur reçue en surface ne descend pas plus bas. Cette chaleur, sans autre issue, s'accumule à la surface, qui devient alors extrêmement chaude. C'est exactement comme le sable d'une plage en plein été, trop chaud pour marcher pieds nus, alors qu'un peu plus bas il reste froid.
Puis vient la nuit. Comme seule une fine couche de surface était chaude, une fois cette chaleur libérée, il n'y a plus rien pour la remplacer. Les villes côtières ne se refroidissent pas autant la nuit parce que la mer a mis de la chaleur en réserve pendant la journée. Le désert n'a pas cette tirelire.
En haute montagne et dans les bassins intérieurs, les matins et les soirs sont froids pour la même raison : l'air y est sec, et il n'y a pas d'eau à proximité pour stocker la chaleur. À l'inverse, dans les îles et les villes côtières, l'écart de température journalier est plus faible, car un immense réservoir de chaleur, la mer, se trouve tout près.
Le sable de couleur claire réfléchit bien la lumière du soleil, mais cela joue plutôt dans le sens d'atténuer la chaleur du jour. Le principal responsable du froid nocturne reste le fait que « la chaleur qui s'échappe ne revient jamais ».
En résumé
Le violent écart de température du désert est le revers de l'absence d'eau. Comme il n'y a pas de vapeur d'eau dans le ciel, il n'y a pas de couverture pour retenir la chaleur. Comme il n'y a pas d'eau au sol, il n'y a pas de tirelire pour la stocker. La chaleur reçue est utilisée sur place et entièrement relâchée la nuit. C'est pourquoi le même endroit devient, entre le jour et la nuit, comme deux mondes différents.
Ce n'est pas le froid de la nuit qui rend le désert froid.
C'est l'absence totale d'« eau » pour retenir la chaleur du jour.
Le mécanisme de la rosée du matin qui mouille l'herbe par temps clair relève du même refroidissement radiatif que cet article. Les différences de capacité et de transmission de chaleur rejoignent aussi pourquoi le métal semble plus froid que le bois. L'astuce des animaux qui vivent dans le désert est traitée dans pourquoi le chameau peut marcher sans boire, et le paysage étrange qu'on y voit souvent dans le mécanisme du mirage. À l'inverse, pour voir comment la présence d'eau à proximité atténue l'écart jour-nuit, lisez pourquoi le vent côtier change de direction entre le jour et la nuit : ces deux articles se répondent.
- Comparez, dans les prévisions météo, la température minimale du lendemain matin après une nuit claire et sans vent, puis après une nuit nuageuse. Le matin après une nuit claire devrait être plus froid.
- Un après-midi ensoleillé, touchez du doigt un bac à sable ou une terre sèche. Puis écartez environ 3 centimètres de sable en surface et touchez ce qu'il y a dessous. Vous serez surpris : c'est bien plus froid, comme si ce n'était pas le même endroit.
- Le même jour, trempez aussi le doigt dans un seau d'eau laissé au soleil. Bien qu'exposée au même rayonnement, l'eau ne sera pas devenue aussi chaude que le sable.
※ En plein été, le sol en plein soleil peut devenir plus chaud que prévu. N'y posez pas brusquement la paume de la main ; touchez d'abord légèrement du bout des doigts.
Pour en savoir plus ― termes, formules et liens avec les manuels scolairesDu niveau collège au niveau universitaire spécialisé, chaque section indique clairement à quel niveau elle correspond
- CollègeContenu du programme de sciences au collège
- LycéeContenu du programme de « physique et sciences de la Terre » au lycée
- Lycée+Contenu approfondi du lycée, ou traité en encadré dans les manuels
- UniversitéContenu non enseigné au lycée, relevant d'une matière universitaire spécialisée (météorologie, thermique)
- RechercheUn sujet qui n'est même pas encore enseigné à l'université comme un fait établi, mais qui est actuellement à l'étude par les chercheurs
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Refroidissement radiatif : baisse de température due au fait que le sol émet des infrarouges pour se débarrasser de sa chaleur. Ce phénomène est fort les nuits claires et peu venteuses.
- Capacité thermique massique (chaleur spécifique) : quantité de chaleur nécessaire pour élever la température d'un gramme de matière d'un degré. On sait qu'elle est grande pour l'eau, et petite pour le sable sec.
- Conductivité thermique : grandeur représentant la vitesse à laquelle la chaleur se propage dans une matière. Elle est faible dans le sable sec, qui contient beaucoup d'air dans ses interstices.
- Amplitude thermique journalière : écart entre la température maximale et minimale d'une journée. Elle est grande dans les déserts et les bassins intérieurs, et petite près de la mer.
CollègeLycéeVérification par le calcul : pour une même chaleur reçue, combien de fois plus le sable se réchauffe-t-il que l'eau ?
Supposons qu'on donne la même quantité de chaleur au sable et à l'eau. On utilise seulement la relation apprise au collège : « la quantité de chaleur est le produit de la chaleur spécifique, de la masse et de la variation de température ». Fixons d'abord le sens et l'unité des symboles.
| En symboles | Q = m × C × T (pour 1 gramme, T = Q ÷ C) |
| En mots | Quantité de chaleur donnée = masse × chaleur spécifique × élévation de température. Donc élévation de température = chaleur par gramme ÷ chaleur spécifique |
| Origine de la formule | Conservation de l'énergie. On considère que toute la chaleur reçue sert à élever la température de la matière (c'est la définition même de la chaleur spécifique) |
| Symbole Q | Quantité de chaleur donnée. Unité : joule |
| Symbole C | Chaleur spécifique. Unité : joule par gramme par kelvin |
| Symbole T | Élévation de température. Unité : kelvin (un écart de 1 kelvin équivaut à un écart de 1 °C) |
| Chaleur spécifique du sable sec | environ 0,8 |
| Chaleur spécifique de l'eau | environ 4,2 |
| Chaleur donnée par gramme | 8 joules |
| Élévation de température du sable | 8 ÷ 0,8 = 10 |
| Élévation de température de l'eau | 8 ÷ 4,2 ≒ 1,9 |
| Combien de fois plus le sable se réchauffe | 10 ÷ 1,9 ≒ 5,3 |
| Combien de fois la chaleur spécifique de l'eau est plus grande | 4,2 ÷ 0,8 ≒ 5,3 |
③ En termes concrets : soumis au même rayonnement, le sable voit sa température bouger environ 5 fois plus que l'eau. Ce qui monte facilement le jour descend facilement la nuit. Le calme des villes côtières et la violence des écarts désertiques partent tous deux de ce facteur d'environ 5.
LycéeLycée+Voir les échanges de chaleur du sol comme un bilan
LycéeLa température du sol est déterminée par la différence entre la chaleur qui entre et celle qui sort. Le jour, l'apport du soleil domine, donc la température monte ; la nuit, il n'y a que des sorties, donc elle baisse. C'est exactement le concept de « bilan radiatif » traité en sciences de la Terre.
Lycée+La quantité de chaleur émise par un corps serait proportionnelle à la puissance quatrième de sa température de surface. C'est ce qu'on appelle la loi de Stefan-Boltzmann. Plus la température est élevée, plus l'intensité d'émission est forte ; le refroidissement est donc rapide au début et s'atténue à l'approche de l'aube. C'est pour cette raison que la température du désert chute brutalement juste après le coucher du soleil.
UniversitéLa chaleur pénètre le sol jusqu'à une profondeur qu'on peut estimer
La chaleur qui traverse le sol monte et descend lentement selon un cycle journalier. La profondeur atteinte par ces variations peut être estimée à partir de la conductivité thermique et de la période du cycle ; en thermique, on l'appelle la « profondeur de pénétration de l'onde thermique ». Dans le sable sec, elle atteindrait quelques dizaines de centimètres, et plus profondément dans un sol humide. Plus cette profondeur de pénétration est faible, plus l'« épaisseur active » où la température varie est mince, et plus l'amplitude en surface est grande. Le sol du désert, en ce sens, n'exploite qu'une couche très fine. Cette pénétration se déduit en résolvant l'équation de la chaleur (équation de diffusion thermique) pour une variation périodique de température, et l'ordre de grandeur de la profondeur dépend de la diffusivité thermique et de la période.
📖 Pour la démonstration de la formule et pour aller plus loin : Équation de la chaleur (Wikipédia, en japonais)
RechercheCe qui n'est pas encore bien compris
- La faible humidité résiduelle dans le sable. Même un sable qui paraît sec en surface peut conserver un très fin film d'eau à la surface des grains. Dans quelle mesure cette quantité influence le refroidissement nocturne est difficile à mesurer, et la recherche se poursuit.
- Le refroidissement lors des jours poussiéreux. Les jours où la poussière de sable est soulevée, les particules échangent des infrarouges. Selon les conditions, cela atténuerait ou renforcerait le refroidissement, et des observations régionales sont en cours pour le préciser.
- L'impact de l'extension des terres arides. Comment l'augmentation des surfaces sèches modifierait les échanges de chaleur à l'échelle du globe reste une part d'incertitude dans les projections climatiques.
En somme, le contenu de cet article reste une « explication dans la limite de ce qu'on sait actuellement ». Le cadre général est vérifié, mais les valeurs précises varient beaucoup selon le lieu et la saison.
Liens avec les programmes scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Section correspondante de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences・Quantité de chaleur et température／Observation météorologique | La chaleur spécifique et la comparaison sable-eau |
| Lycée | Physique de base・Chaleur／Sciences de la Terre・Bilan radiatif de l'atmosphère | La section vue comme un bilan des échanges de chaleur du sol |
| Lycée+ | Physique・Lois du rayonnement thermique | La proportionnalité à la puissance 4 de la température |
| Université | Météorologie・Thermique | La profondeur de pénétration de l'onde thermique |
| Recherche | Climatologie des terres arides・Processus de surface | L'humidité résiduelle du sable et l'effet de la poussière |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Le froid des matins clairs, la chaleur du sable de plage, la douceur des villes côtières |
- Agence météorologique japonaise (気象庁), « Termes de prévision météorologique ― termes relatifs à la température et à l'humidité » (explication du refroidissement radiatif et de l'amplitude thermique journalière)
- Observatoire astronomique national du Japon (国立天文台), éd., Rika Nenpyō (『理科年表』, Annuaire scientifique), Maruzen Publishing (chaleur spécifique et conductivité thermique de l'eau, des roches et du sable)
- Yoshimitsu Ogura (小倉義光), Introduction à la météorologie générale (『一般気象学』), Presses de l'Université de Tokyo (bases du bilan thermique et du rayonnement à la surface du sol)
- Junsei Kondo (近藤純正), Météorologie de l'environnement hydrique (『水環境の気象学』), Asakura Shoten (échanges de chaleur à la surface du sol et propagation vers le sous-sol)
※Cet article est une explication scientifique destinée au grand public. Les chiffres présentés sont des repères et des approximations pour aider à comprendre le mécanisme. Les températures réelles varient considérablement selon le lieu, la saison et les conditions météorologiques. Pour toute observation en extérieur, suivez les informations météorologiques et les recommandations des autorités locales.