Pourquoi l'avion est-il plus rapide vers l'est ?
― Le « fleuve de vent » en altitude, découvert par un météorologue de Tsukuba
Pour la même distance, l'aller et le retour peuvent différer d'une à deux heures. La cause : un vent très rapide, qui souffle d'ouest en est à environ 10 km d'altitude. Et ce vent, c'est un Japonais qui l'a enregistré le premier au monde, il y a une centaine d'années, en lâchant chaque jour de petits ballons dans le ciel.
Vous consultez des billets d'avion pour Hawaï. Vous remarquez que le vol aller dure environ 7 heures, tandis que le retour en indique environ 8 heures et demie.
Comme ce sont les mêmes aéroports, la distance devrait être identique. L'avion ferait-il un détour seulement au retour ?
En réalité, l'avion ne fait aucun détour. C'est qu'un « fleuve » invisible coule dans le ciel.
Deux raisons seulement expliquent l'écart aller-retour
À l'altitude où volent les avions, environ 10 km, un vent d'ouest puissant appelé courant-jet encercle la Terre. En hiver, au-dessus du Japon, il peut dépasser la vitesse d'un Shinkansen.
L'avion avance à une vitesse fixe par rapport à l'air environnant. Si cet air lui-même file vers l'est, la vitesse s'additionne pour l'aller vers l'est, et se soustrait pour le retour vers l'ouest.
C'est comme une rivière ordinaire : le bateau qui descend va vite, celui qui remonte va lentement. Sauf que ce fleuve céleste est resté totalement inconnu jusqu'à il y a cent ans.
L'observatoire de Tateno, qui poursuivait des ballons chaque jour
En 1920, un observatoire météorologique d'altitude fut créé pour étudier l'air en hauteur, là où se trouve aujourd'hui la ville de Tsukuba, dans la préfecture d'Ibaraki. Son premier directeur fut un météorologue nommé Wasaburo Ooishi.
À l'époque, les avions ne pouvaient pas encore voler très haut, et il n'existait presque aucun moyen de mesurer directement les conditions en altitude. Ooishi et son équipe ont alors lâché de petits ballons remplis d'hydrogène, et suivi leur trajectoire avec un théodolite muni d'une lunette. Le ballon montant à une vitesse fixe, le temps écoulé donne l'altitude. En combinant l'angle d'élévation et l'altitude, on calcule de combien le ballon a dérivé latéralement.
Ooishi et son équipe auraient répété ces observations plus de mille fois sur plusieurs années. Ils ont ainsi démontré par les chiffres qu'un vent d'ouest puissant soufflait régulièrement en altitude l'hiver. En 1926, ils ont consigné ces résultats dans un rapport.
Mais cette découverte est restée presque inconnue du monde. Ooishi avait rédigé son rapport en espéranto, une langue alors considérée comme une future langue internationale, mais peu de météorologues la lisaient.
La figure 1 montre cette méthode de mesure. Il ne fallait qu'un ballon, une montre et un instrument de mesure d'angle.
La vitesse du vent s'ajoute ou se retranche directement au temps de vol
Un avion avance à environ 900 km/h par rapport à l'air environnant. Sa vitesse par rapport au sol est cette valeur plus ou moins la vitesse du vent. Avec un vent arrière de 100 km/h, la vitesse au sol devient 1000 km/h ; avec un vent de face, 800 km/h.
Essayez de modifier la force du vent d'ouest en altitude avec le curseur de la figure 2. Plus le vent est fort, plus l'aller vers l'est raccourcit et plus le retour vers l'ouest s'allonge. Et vous remarquerez que l'allongement du retour est plus marqué : quand la vitesse ralentit, le temps nécessaire pour la même distance augmente de plus en plus vite.
Sur les vols réels, les compagnies aériennes consultent les prévisions de vent du jour et choisissent, pour l'aller vers l'est, une route qui profite du courant-jet, et pour le retour vers l'ouest, une route qui l'évite autant que possible. Malgré cela, les horaires indiquent le plus souvent un aller plus court d'une à deux heures.
L'équateur est chaud et les régions polaires sont froides, donc l'air en altitude tend à s'écouler du côté chaud vers le côté froid. Mais à cause de la rotation de la Terre, ce flux vers le nord est dévié vers l'est. Ainsi, plus l'écart de température nord-sud est grand, en hiver, plus le vent d'ouest en altitude est fort.
Vers 1944, de gros bombardiers américains survolant le Japon auraient été surpris par des vents de face d'une violence inattendue. À la même époque, le Japon aurait utilisé les observations d'Ooishi et son équipe pour un projet consistant à faire traverser le Pacifique à des ballons portés par ce vent d'ouest. Ce vent en altitude s'est ainsi fait connaître du monde d'une façon tragique.
En résumé
Si l'avion arrive plus vite vers l'est, c'est qu'il profite du courant-jet, qui souffle d'ouest en est à environ 10 km d'altitude. Comme l'avion est emporté avec l'air, la vitesse du vent s'ajoute ou se retranche directement. Le premier à avoir mesuré ce fleuve de vent par les chiffres fut Wasaburo Ooishi, qui lâchait sans relâche des ballons dans le ciel de Tsukuba.
Dans les horaires des avions
est inscrite, depuis cent ans, la vitesse de ce fleuve céleste mesurée par ballon.
Le mécanisme par lequel la rotation de la Terre dévie le vent est présenté dans l'article sur le tourbillon de la baignoire et l'hémisphère sud. La raison pour laquelle le temps change d'abord à l'ouest est expliquée dans l'article sur le beau temps après un coucher de soleil rouge, et la façon dont l'air en altitude fait persister les traînées d'avion dans l'article sur les traînées de condensation.
- Sur le site d'une compagnie aérienne ou un site de réservation, relevez la durée de l'aller et du retour pour un vol entre le Japon et les États-Unis (ou Hawaï). Pour éviter l'effet du décalage horaire, regardez la « durée de vol » indiquée, pas les heures de départ et d'arrivée.
- Comparez l'écart aller-retour entre un vol d'hiver et un vol d'été. Si l'écart est plus grand en hiver, c'est la preuve que le vent d'ouest s'y renforce.
- Déduisez la vitesse du vent à partir de l'écart. En introduisant la distance et 900 km/h dans la formule du volet dépliable ci-dessous, vous obtenez la vitesse moyenne du vent.
Les vols réels changent de route pour éviter le vent et incluent des temps d'attente à l'aéroport, donc ce calcul reste approximatif. Il n'empêche que l'écart saisonnier se lit souvent clairement dans les horaires.
Pour aller plus loin ― vocabulaire, formules, liens avec les manuelsDu niveau collège au niveau universitaire spécialisé, chaque niveau est indiqué explicitement
- Collègeprogramme de sciences du collège
- Lycéeprogramme de « physique de base » ou de « sciences de la Terre » au lycée
- Lycée+contenu approfondi du lycée, ou encart des manuels
- Universiténon vu au lycée, contenu d'une matière universitaire spécialisée (dynamique de l'atmosphère)
- Recherchepas même enseigné comme acquis à l'université, sujet encore en cours d'étude par les chercheurs
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Vents d'ouest (circulation générale) : une ceinture de vent qui souffle continuellement d'ouest en est aux latitudes moyennes, en altitude.
- Courant-jet : au sein des vents d'ouest, un filet de vent particulièrement rapide et étroit. Il se trouve vers 10 km d'altitude, et peut dépasser 100 m/s en hiver près du Japon.
- Ballon-pilote (ballon-sonde de vent) : un petit ballon lâché pour mesurer le vent en altitude. C'est la méthode qu'utilisait Ooishi, encore employée aujourd'hui en complément.
CollègeLycéeVérification par le calcul : quel est l'écart entre l'aller et le retour ?
Considérons un vol entre Tokyo et Los Angeles, à vitesse constante par rapport à l'air. En supposant un vent d'ouest moyen de 100 km/h sur le trajet, calculons directement le temps de vol à l'aller et au retour. Le sens des symboles et les unités figurent dans le tableau ci-dessous.
| En symboles | t = L ÷ ( V ± U ) (+ pour l'aller vers l'est, − pour le retour vers l'ouest) |
| En mots | Temps de vol = Distance ÷ (Vitesse de l'avion par rapport à l'air ± Vitesse du vent) |
| D'où vient cette formule | De la composition des vitesses (vitesse relative). L'avion avance à la vitesse V par rapport à l'air, et cet air s'écoule lui-même à la vitesse U par rapport au sol : la vitesse par rapport au sol est donc la somme ou la différence des deux. Il ne reste plus qu'à appliquer « temps = distance ÷ vitesse ». |
| t | Temps de vol (unité : heures) |
| L | Distance parcourue (unité : kilomètres) |
| V | Vitesse de l'avion par rapport à l'air (unité : km/h) |
| U | Vitesse moyenne du vent d'ouest le long de la route (unité : km/h) |
| Distance Tokyo - Los Angeles L | environ 8800 kilomètres |
| Vitesse de l'avion de ligne par rapport à l'air V | environ 900 km/h |
| Vent d'ouest moyen sur la route U (hypothèse) | 100 km/h |
| Cœur du courant-jet d'hiver (près du Japon) | peut dépasser 100 m/s, selon les estimations |
| Vitesse au sol à l'aller | 900 + 100 = 1000 |
| Temps de vol à l'aller (heures) | 8800 ÷ 1000 = 8,8 |
| Vitesse au sol au retour | 900 − 100 = 800 |
| Temps de vol au retour (heures) | 8800 ÷ 800 = 11 |
| Écart aller-retour (heures) | 11 − 8,8 = 2,2 |
| Écart converti en minutes | 2,2 × 60 = 132 |
| Vitesse du cœur du courant-jet en km/h | 100 × 3,6 = 360 |
Même avec un vent d'ouest moyen de 100 km/h, l'écart aller-retour dépasse les deux heures. Le cœur du courant-jet peut atteindre 360 km/h : en s'y plaçant bien, l'effet du vent arrière devient encore plus important. C'est pour cette raison que les vols retour vers l'ouest font un détour par le nord ou le sud pour éviter ce courant.
LycéeLycée+Pourquoi le vent d'ouest est-il plus fort en altitude ?
LycéeEn sciences de la Terre, on apprend que l'écart de température entre basses et hautes latitudes engendre la circulation générale de l'atmosphère, d'où le vent d'ouest aux latitudes moyennes en altitude. Une colonne d'air chaud est plus haute, une colonne d'air froid plus basse : l'écart de pression nord-sud augmente donc avec l'altitude.
Lycée+L'air mis en mouvement par cet écart de pression est dévié par la force de Coriolis, due à la rotation de la Terre. Quand les deux effets s'équilibrent, le vent souffle perpendiculairement au gradient de pression, c'est-à-dire d'ouest en est. On appelle cela le vent géostrophique. Au-dessus du Japon, le courant-jet subtropical, côté basses latitudes, et le courant-jet polaire, côté hautes latitudes, se superposent facilement en hiver, ce qui en fait l'un des endroits au monde où le vent d'ouest est particulièrement fort.
UniversitéLa relation du vent thermique
En dynamique de l'atmosphère, on exprime par la relation du vent thermique la façon dont le vent géostrophique varie avec l'altitude : plus le gradient de température nord-sud est fort, plus le vent d'ouest se renforce en montant. Ce vent est le plus fort juste sous la tropopause (vers 10 km d'altitude). Les ondulations nord-sud de grande ampleur des vents d'ouest sont traitées comme des ondes de Rossby.
📖 Pour la démonstration de la formule et pour aller plus loin : Vent thermique (Wikipédia, en japonais) ／ Courant-jet (Wikipédia, en japonais)
RechercheCe qui n'est pas encore totalement élucidé
- Comment le réchauffement climatique va-t-il modifier le courant-jet ? Selon une hypothèse, le réchauffement plus rapide de l'Arctique réduirait l'écart de température nord-sud et accentuerait les ondulations du vent d'ouest. Mais certaines analyses ne confirment pas cette hypothèse, et le débat se poursuit.
- Les turbulences en altitude vont-elles augmenter ? Près du courant-jet se produit la « turbulence en ciel clair », qui secoue l'appareil sans nuage visible. Des études suggèrent une augmentation avec le réchauffement, mais l'ampleur estimée varie largement.
- Pourquoi la découverte d'Ooishi est-elle restée méconnue ? Au-delà de la barrière de la langue, les historiens des sciences débattent aussi du degré d'intérêt que les chercheurs occidentaux de l'époque portaient au vent en altitude.
Autrement dit, le contenu de cet article reste lui aussi « une explication selon l'état actuel des connaissances ». La physionomie du vent en altitude continue d'être redessinée peu à peu, au fil des observations et des calculs.
Liens avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Passage correspondant de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences, « Le temps et ses changements » | Les vents d'ouest et le changement du temps depuis l'ouest |
| Lycée | Physique de base « composition des vitesses, vitesse relative », sciences de la Terre « circulation générale de l'atmosphère » | La formule du temps de vol, le renforcement du vent d'ouest en altitude |
| Lycée+ | Sciences de la Terre (approfondi) | Vent géostrophique, les deux courants-jets |
| Université | Dynamique de l'atmosphère | Relation du vent thermique, ondes de Rossby |
| Recherche | Science du climat, histoire des sciences | Réchauffement climatique et courant-jet, pourquoi la découverte d'Ooishi est restée méconnue |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Durée de vol des billets d'avion, écart hiver-été |
- Lewis, J. M. (2003) Ooishi's Observation: Viewed in the Context of Jet Stream Discovery. Bulletin of the American Meteorological Society, 84(3)
- Wasaburo Ooishi (大石和三郎, Wikipédia en japonais)
- Courant-jet (ジェット気流, Wikipédia en japonais)
- Vents d'ouest (偏西風, Wikipédia en japonais)
- Yoshimitsu Ogura, « Météorologie générale » (一般気象学), Presses de l'Université de Tokyo (東京大学出版会)
※Cet article est une vulgarisation scientifique destinée au grand public. Les chiffres indiqués sont des ordres de grandeur destinés à faciliter la compréhension du mécanisme. La durée réelle des vols varie selon la route, l'appareil, le vent du jour et l'affluence dans les aéroports.