Il n'a pas plu, alors pourquoi
l'herbe est-elle mouillée le matin ?
Un matin sans nuage. Il n'est pas tombé une goutte de pluie de la nuit, et pourtant la pelouse du parc est trempée, et la selle du vélo couverte de gouttelettes. Mais la selle du vélo garé sous l'abri, elle, reste sèche. La clé de ce mystère : la nuit, l'herbe et les objets évacuent leur chaleur vers l'espace sous forme de « lumière invisible ».
Un matin d'été, 6 heures. En route vers le parc pour la gymnastique matinale, vous posez le pied sur la pelouse : vos baskets sont aussitôt trempées. Vous levez les yeux : pas un nuage, ciel parfaitement dégagé. Cette nuit, vous n'avez pas entendu tomber la pluie.
De retour à l'abri à vélos, la selle du vélo garé à ciel ouvert est couverte de gouttelettes. Mais la selle du vélo voisin, garé sous le toit, est parfaitement sèche.
Les deux vélos baignaient pourtant dans le même air, mais seul l'endroit qui « voit » le ciel est mouillé. Comme si quelque chose était tombé du ciel — en réalité, rien n'est tombé : cette eau est née sur place.
Un mécanisme en deux étapes seulement
Tout objet ayant une température émet une lumière invisible (infrarouge) qui lui fait perdre de la chaleur. Par nuit claire, les surfaces tournées vers le ciel n'ont rien pour bloquer cette perte : elles deviennent plusieurs degrés plus froides que l'air ambiant.
C'est le même phénomène qu'un verre de boisson fraîche qui « transpire ». La quantité de vapeur d'eau que l'air peut retenir dépend de sa température. Quand la vapeur touche une surface plus froide que la température limite (le point de rosée), elle se transforme en gouttelettes.
L'essentiel : la différence entre un endroit mouillé et un endroit sec tient uniquement à la question « voit-on le ciel ou non ? ». Voyons cela étape par étape.
Étape 1 : l'herbe peut devenir plus froide que l'air
Contre-intuitif, mais observé : par nuit claire, la surface de la pelouse peut descendre 2 à 5 °C sous la température ambiante. Comment peut-elle être plus froide que l'air qui l'entoure ?
Tout objet ayant une température émet en permanence dans toutes les directions une « lumière de chaleur » invisible (infrarouge), et perd ainsi de la chaleur. Le jour, la chaleur reçue du soleil compense largement cette perte, on ne la remarque donc pas. Mais la nuit, il ne reste que cette « fuite » de chaleur.
Ce qui compte alors, c'est ce qui se trouve en face. Par nuit claire, au-delà du ciel, il y a presque le vide spatial. L'espace ne renvoie presque aucune chaleur : les surfaces tournées vers le ciel ne font donc que perdre de la chaleur, sans compensation. Or l'air conduit mal la chaleur : il ne peut pas réchauffer aussitôt l'herbe refroidie. Résultat, seules les surfaces qui voient le ciel se refroidissent sous la température de l'air. C'est ce qu'on appelle le refroidissement radiatif (ou rayonnement nocturne).
Étape 2 : la vapeur d'eau de l'air « transpire » sur la surface froide
Un verre rempli de glaçons, laissé un moment, se couvre de gouttelettes à l'extérieur. La quantité de vapeur d'eau que l'air peut retenir a une limite qui dépend de la température : quand l'air se refroidit près d'une surface froide, la vapeur en excès apparaît sous forme de gouttelettes.
La température à partir de laquelle les gouttelettes apparaissent porte un nom : le point de rosée. Ce qui se passe sur la pelouse la nuit est exactement ce qui se passe sur le verre. La surface de l'herbe, refroidie sous le point de rosée par le refroidissement radiatif, est touchée par la vapeur d'eau de l'air, qui se change en gouttelettes, l'une après l'autre. La rosée du matin ne « tombe » pas : elle « naît » de l'air ambiant.
Voilà qui résout entièrement l'énigme du début. Si la selle sous le toit restait sèche, c'est parce que le toit bloque la lumière de chaleur et la renvoie : la selle ne descend jamais jusqu'au point de rosée. Il n'y a pas de rosée par nuit nuageuse pour la même raison : les nuages jouent le rôle de « couette du ciel » et renvoient la lumière de chaleur vers le sol. C'est aussi pourquoi les prévisions ne parlent de « refroidissement par rayonnement nocturne » que pour les nuits sans nuages.
Par le même mécanisme, quand la surface descend sous 0 °C, la vapeur d'eau se change directement en cristaux de glace, sans passer par l'étape liquide (le givre). Un matin d'hiver bien dégagé, seul le pare-brise avant de la voiture est gelé, alors que les vitres latérales sont intactes : c'est la preuve que seule la surface tournée vers le ciel a été refroidie par rayonnement. Si la voiture sous le carport ne givre pas, c'est pour la même raison que la selle sous le toit ne se mouille pas. Notons que la « colonne de givre » qui pousse sous nos pieds par un même matin d'hiver obéit, elle, à un mécanisme totalement différent (voir Pourquoi les colonnes de givre poussent-elles depuis le sol ?).
En résumé
Le mécanisme de la rosée matinale tient en deux étapes. ① Par nuit claire, les surfaces qui voient le ciel rejettent en continu leur lumière de chaleur vers l'espace et deviennent plusieurs degrés plus froides que l'air (refroidissement radiatif). ② Sur une surface descendue sous le point de rosée, la vapeur d'eau de l'air apparaît sous forme de gouttelettes (condensation). Ce qui détermine si un objet sera mouillé ou non, c'est uniquement « voit-il le ciel ? ». Le toit comme les nuages jouent le rôle d'une « couette » qui renvoie la lumière de chaleur.
La rosée du matin n'est pas tombée du ciel.
C'est l'herbe, refroidie par sa propre perte de chaleur vers l'espace, qui a capté la vapeur d'eau de l'air.
Le mécanisme par lequel la vapeur d'eau se change en gouttelettes sur une surface froide est le même que celui qui rend notre souffle blanc par temps froid. Les détails sont expliqués dans cet article. Sur la façon dont l'îlot de chaleur urbain perturbe le refroidissement radiatif, voir l'article sur l'îlot de chaleur, et sur son lien avec le fait qu'on entend mieux les sons lointains la nuit, cet article. Pour un exemple où ce même refroidissement radiatif joue un rôle extrême, lisez aussi l'écart de température jour-nuit dans le désert. Enfin, la façon dont ce même refroidissement nocturne remplit une vallée entière de brouillard est traitée dans Pourquoi la mer de nuages ne s'observe-t-elle que le matin, en altitude ?.
- Par une nuit bien claire et peu venteuse, préparez deux récipients : un plateau métallique et un verre, par exemple
- Placez l'un à un endroit qui voit bien le ciel (jardin, rebord de balcon), et l'autre sous un toit ou un auvent
- Le lendemain matin, comparez l'état des deux surfaces (présence ou non de gouttelettes)
Seul le récipient laissé à ciel ouvert devrait être couvert de condensation. Refaites l'expérience par une nuit nuageuse : cette fois, aucun des deux ne devrait guère se mouiller. Une façon de vérifier de vos propres yeux que « les nuages sont la couette du ciel ».
Pour aller plus loin ― vocabulaire, formules et liens avec les programmes scolairesDu collège jusqu'aux matières universitaires spécialisées, chaque niveau est indiqué explicitement
- CollègeNiveau du programme de sciences au collège
- LycéeNiveau des matières « bases physiques » et « bases des sciences de la Terre » au lycée
- Lycée+Contenu avancé de la matière « physique » au lycée, ou encadré complémentaire des manuels
- UniversitéContenu non enseigné au lycée, relevant de matières universitaires spécialisées (sciences de l'atmosphère, thermique)
- RechercheSujet qui n'est même pas encore enseigné comme « établi » à l'université, encore en cours d'étude par les chercheurs
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Refroidissement radiatif : le fait qu'un objet se refroidisse en émettant de l'infrarouge (lumière de chaleur). S'emploie surtout pour désigner le refroidissement, par nuit claire, du sol ou de la surface des objets sous la température de l'air.
- Point de rosée : la température à laquelle, en refroidissant l'air, la vapeur d'eau commence à se changer en gouttelettes. Plus l'humidité est élevée, plus le point de rosée est proche de la température de l'air.
- Condensation : le fait que la vapeur d'eau se dépose en gouttelettes sur une surface plus froide que le point de rosée. La buée à l'intérieur d'une vitre relève du même phénomène.
- Givre : dépôt formé quand la vapeur d'eau se change directement en glace, la surface étant à 0 °C ou moins.
CollègeLycéeVérification par le calcul : nuit avec rosée, nuit sans rosée
Vérifions par un ordre de grandeur si « la surface descend sous le point de rosée ». Par nuit claire et sans vent, la surface de la pelouse serait environ 4 °C plus froide que l'air (des mesures rapportent une fourchette de 2 à 5 °C).
| En notation symbolique | Ts = Ta − ΔT, et si Ts < Td, il y a rosée |
| En mots | Température de surface = température de l'air − baisse due au refroidissement radiatif. Si la température de surface est inférieure au point de rosée, la vapeur d'eau de l'air se change en gouttelettes |
| D'où vient cette formule | La baisse ΔT est déterminée par la différence entre la chaleur que la surface rejette vers l'espace en infrarouge et celle qu'elle reçoit du ciel et de l'air (bilan radiatif). Le point de rosée Td est la température à laquelle la vapeur d'eau déjà contenue dans l'air atteint tout juste la saturation. |
| Symbole | Signification et unité |
|---|---|
| Ts | Température de la surface de la pelouse ou d'une feuille. En °C |
| Ta | Température de l'air ambiant. En °C |
| ΔT | Baisse de température de la surface par rapport à l'air, due au refroidissement radiatif. En °C |
| Td | Point de rosée (température à laquelle la vapeur d'eau de cet air commence à se changer en gouttelettes). En °C |
| Température de l'air la nuit | 22 °C |
| Point de rosée par une nuit d'été humide (ordre de grandeur) | 19 °C |
| Baisse de la température de surface de la pelouse par nuit claire et sans vent (ordre de grandeur) | environ 4 °C |
| Baisse de température sous un toit (ordre de grandeur) | environ 1 °C seulement |
| Température de surface de la pelouse à ciel ouvert | 22 − 4 = 18 (°C) |
| Écart par rapport au point de rosée de 19 °C | 19 − 18 = 1 (°C) → sous le point de rosée → il y a rosée |
| Température de surface sous le toit | 22 − 1 = 21 (°C) → au-dessus du point de rosée de 19 °C → reste sec |
L'écart n'est que de quelques degrés, mais franchir ou non le point de rosée fait toute la différence entre un paysage matinal trempé et un paysage sec. Par une nuit peu humide, le point de rosée est plus bas : même refroidissement, mais pas de rosée. Un matin couvert de rosée est donc aussi la trace d'une nuit « claire et humide ».
LycéeLycée+La véritable nature de la « lumière de chaleur » : tout objet brille
LycéeTout corps ayant une température émet un rayonnement électromagnétique qui en dépend (rayonnement thermique). Le corps humain, la pelouse, même la glace « brillent » en infrarouge.
Lycée+L'énergie rayonnée est proportionnelle à la puissance quatrième de la température absolue (loi de Stefan-Boltzmann). Face à l'infrarouge émis par le sol la nuit (environ 300 K), l'infrarouge renvoyé par un ciel clair ne provient que de l'atmosphère, bien plus froide, et de l'espace. Cet « écart entre ce qui part et ce qui revient » est la force nette de refroidissement du rayonnement nocturne. Les nuits nuageuses, les nuages (dont la température est proche de celle du sol) renvoient de l'infrarouge, et cet écart disparaît presque entièrement.
UniversitéLe passage vers l'espace : la « fenêtre atmosphérique »
La vapeur d'eau et le dioxyde de carbone de l'atmosphère absorbent la majorité des longueurs d'onde infrarouges, mais l'infrarouge situé autour de 8 à 13 micromètres est peu absorbé et traverse presque sans obstacle du sol jusqu'à l'espace. Cette bande de longueurs d'onde est appelée fenêtre atmosphérique, et constitue la principale voie d'évacuation du refroidissement radiatif. Comme le pic d'émission thermique du sol (environ 300 K) se situe justement dans cette fenêtre, le sol peut y rejeter efficacement sa chaleur vers l'espace (dont la température effective équivaut à plusieurs dizaines de degrés sous zéro). Si le refroidissement est plus faible les nuits humides, c'est parce que la vapeur d'eau bouche en partie cette fenêtre.
📖 Pour la démonstration des formules et pour aller plus loin : La fenêtre atmosphérique (Wikipédia, en japonais) / Le refroidissement radiatif (Wikipédia, en japonais)
RechercheCe qui reste flou, et les frontières actuelles
Le refroidissement radiatif est un phénomène connu de longue date, mais il revient aujourd'hui au premier plan de l'ingénierie.
- Des matériaux à refroidissement radiatif « actifs même en plein soleil ». En fabriquant des films multicouches ou des peintures spéciales qui réfléchissent presque toute la lumière solaire tout en émettant fortement dans la bande de la fenêtre atmosphérique, on a démontré vers 2014 qu'une surface pouvait rester plusieurs degrés plus froide que l'air en plein soleil de midi. Comme matériau de climatisation ou de refroidissement sans électricité, les recherches sur son application aux toitures de bâtiments ou aux vêtements restent très actives.
- La prévision des dégâts par gelées reste difficile. L'endroit précis et l'altitude auxquels une gelée tardive touchera les cultures dépendent fortement de la façon dont l'air froid s'accumule selon le relief ; une prévision à l'échelle de quelques centaines de mètres reste, encore aujourd'hui, un sujet de recherche en cours.
- La rosée, une ressource en eau ? Dans les régions arides, on cherche à optimiser la « collecte de rosée », qui exploite le refroidissement radiatif pour capter de l'eau potable dans l'atmosphère. La quantité récoltée en une nuit reste faible par unité de surface : la question est de savoir si des choix de matériaux et de formes peuvent l'amener à un niveau d'usage pratique.
Autrement dit, le contenu de cet article lui-même reste « une explication établie dans l'état actuel des connaissances ». Ce phénomène discret qui mouille la pelouse le matin est aussi, exactement, le principe des technologies de refroidissement économes en énergie les plus avancées.
Liens avec les programmes scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Passage correspondant de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences ・ humidité de saturation et point de rosée / changements d'état | Mécanisme de la condensation, notion de point de rosée, calcul de la partie ② |
| Lycée | Bases physiques ・ transfert de chaleur (rayonnement), bases des sciences de la Terre ・ atmosphère | Le rayonnement thermique comme voie d'évacuation de la chaleur, le refroidissement par nuit claire |
| Lycée+ | Physique ・ contenu avancé sur le rayonnement thermique | La loi en puissance quatrième de la température, la signification quantitative de l'effet « couette » des nuages |
| Université | Sciences de l'atmosphère ・ thermique | La fenêtre atmosphérique, le bilan radiatif net |
| Recherche | Science des matériaux ・ agrométéorologie (en cours) | Matériaux à refroidissement radiatif diurne, prévision des dégâts par gelées, valorisation de la rosée comme ressource en eau |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Pourquoi ce qui est sous un toit reste sec, pourquoi il n'y a pas de refroidissement les nuits nuageuses, le givre sur les vitres de voiture |
- Explications météorologiques de l'Agence météorologique japonaise (気象庁, Japan Meteorological Agency) (refroidissement radiatif, observation de la rosée et du givre, refroidissement par nuit claire).
- Manuels universitaires standards de sciences de la Terre et de l'atmosphère (bilan radiatif de la surface terrestre, fenêtre atmosphérique, point de rosée et condensation).
- Monteith, J. L. & Unsworth, M. H., Principles of Environmental Physics, 4th ed., Academic Press, 2013 (baisse de température de surface des prairies la nuit et formation de la rosée).
- Raman, A. P. et al., Passive radiative cooling below ambient air temperature under direct sunlight, Nature 515, 540–544, 2014 (démonstration du refroidissement radiatif passif diurne).
- Beysens, D., Dew water, River Publishers, 2018 (physique de la rosée et recherche sur son usage comme ressource en eau).
※Cet article est une vulgarisation scientifique destinée au grand public. Les valeurs numériques indiquées sont des ordres de grandeur donnés pour faciliter la compréhension du mécanisme. Le refroidissement réel et la formation de la rosée ou du givre varient fortement selon l'humidité, le vent et le relief.