Pourquoi le vent change-t-il de direction entre le jour et la nuit au bord de la mer ?
― Ce qui bouge, c'est l'air, mais ce qui commande, c'est la mer
Le jour, au bord de la mer, le vent souffle presque toujours depuis le large. Mais si l'on revient au même endroit la nuit, le vent souffle désormais de la terre vers la mer. Chaque jour, ce changement de sens survient presque à la même heure. La raison n'est pas dans le ciel. Elle se trouve sous nos pieds, dans la façon très différente dont la mer et le sable se réchauffent.
Une plage bondée, un après-midi d'été. Le parasol penche toujours du côté opposé à la mer, le sable est trop chaud pour qu'on y marche pieds nus, et pourtant le vent qui caresse le visage est frais.
Mais une fois le soleil couché, la même plage change d'ambiance. Le vent vient maintenant de dans le dos, c'est-à-dire de la terre. Les lumières des bateaux en mer se trouvent alors sous le vent.
Et juste avant ce basculement, pendant une trentaine de minutes en fin de journée, le vent tombe complètement et l'air devient étouffant. C'est ce calme pesant qu'on appelle, du côté de la mer intérieure de Seto, la « brise tombée du soir ».
Deux raisons suffisent à tout expliquer
Sous le même soleil, le sable chauffe très vite le jour et refroidit très vite la nuit. La mer, elle, change à peine de température. Il se crée donc entre la mer et la terre un écart de température qui s'inverse entre le jour et la nuit.
En se réchauffant, l'air se dilate et devient plus léger, puis il monte. Ce vide laissé près du sol est comblé par de l'air froid venu d'à côté. C'est ce déplacement d'air que l'on ressent comme du vent.
En combinant ces deux effets, on obtient naturellement ce cycle quotidien : « le jour, de la mer vers la terre ; la nuit, de la terre vers la mer ». Voyons cela dans l'ordre.
Pourquoi la mer met-elle du temps à se réchauffer ?
Trois raisons se combinent. La première : l'eau elle-même est une substance qui se réchauffe lentement. Pour une même quantité de chaleur reçue, l'élévation de température de l'eau ne représente qu'environ un cinquième de celle du sable, à poids égal.
La deuxième raison : l'eau bouge. L'eau réchauffée en surface est brassée par les vagues et les courants, et la chaleur se dilue sur une profondeur de quelques mètres à quelques dizaines de mètres. Le sable, lui, ne bouge presque pas : la chaleur reste concentrée dans ses quelques centimètres supérieurs. Pour une même quantité de chaleur reçue, être répartie sur une grande épaisseur ou concentrée en surface change complètement la façon dont la température grimpe.
La troisième raison : l'évaporation. À la surface de la mer, l'eau s'évapore en permanence. Or l'évaporation emporte de la chaleur avec elle : une partie de l'énergie du soleil sert donc à créer de la vapeur d'eau plutôt qu'à faire monter la température.
Résultat : même un jour d'été où la surface du sable frôle les 60 °C, la mer juste à côté reste autour de 25 °C. C'est cet écart qui donne naissance au vent.
Comment un écart de température devient-il du vent ?
Au-dessus de la terre échauffée, l'air en contact avec le sol se réchauffe, se dilate, devient plus léger que l'air environnant et s'élève. Près du sol, côté terre, il se crée alors un léger déficit d'air.
L'air froid et lourd venu du dessus de la mer s'engouffre alors en rasant le sol : c'est la « brise de mer » du jour. En même temps, en altitude, un courant de sens opposé se forme : l'air qui s'est élevé au-dessus de la terre est transporté vers la mer, où il redescend lentement. L'aller et le retour se rejoignent pour former une grande boucle qui enjambe la mer et la terre (partie gauche de la figure 1).
La nuit, les rôles s'inversent. La terre libère sa chaleur vers le ciel et se refroidit rapidement, tandis que la mer restitue lentement la chaleur accumulée le jour, sans presque baisser de température. C'est alors l'air au-dessus de la mer qui devient le plus léger, et souffle la « brise de terre », de la terre vers la mer (partie droite de la figure 1).
Pourquoi le vent tombe-t-il en fin de journée ?
La brise de mer du jour et la brise de terre de la nuit soufflent en sens exactement opposés. Cela signifie qu'au moment du basculement, il existe forcément un instant où le vent ne souffle dans aucun des deux sens. C'est le moment où la température de la mer et celle de la terre s'égalisent, et où la raison même de pousser l'air disparaît.
C'est ce qu'on appelle la « brise tombée du soir ». Autour du coucher du soleil, le vent cesse brusquement, ne laissant que la chaleur et l'humidité. Le même phénomène se produit à l'aube, et on l'appelle alors « brise tombée du matin ». Il est connu pour se manifester particulièrement nettement dans des lieux comme la mer intérieure de Seto, entourée de terres et peu accessible aux vents extérieurs.
À l'avant de la brise de mer qui progresse vers l'intérieur des terres, l'air froid marin soulève l'air chaud continental. Cette limite s'appelle le front de brise de mer : elle peut y faire apparaître des alignements de nuages, voire déclencher de fortes pluies en fin d'après-midi l'été. Dans certaines régions situées à des dizaines de kilomètres de la mer, des nuages se forment systématiquement l'après-midi : c'est en partie pour cette raison.
Il suffit que deux surfaces au sol, qui se réchauffent différemment, soient côte à côte. Un grand lac comme le lac Biwa engendre la même circulation, et l'on pense qu'un vent du même type, bien que plus faible, souffle aussi entre un vaste espace vert urbain et les routes goudronnées qui l'entourent. À échelle réduite, le vent est plus faible et sa portée plus courte.
En résumé
Si le vent change de sens entre le jour et la nuit au bord de la mer, c'est parce que la mer se réchauffe lentement et se refroidit lentement. Sous le soleil, seule la terre chauffe : l'air au-dessus s'allège et s'échappe vers le haut, et l'air marin vient combler ce vide. La nuit, seule la terre se refroidit, et tout s'inverse. L'air ne fait que réagir à ce mouvement ; c'est la mer qui tient l'horloge.
Ce qui bouge, c'est l'air,
mais ce qui règle l'horloge, c'est la mer qui ne se refroidit pas.
Cette même propriété de l'eau — qui met du temps à se réchauffer — joue aussi un rôle dans la journée du désert. Ce qui se passe quand il n'y a d'eau ni dans le ciel ni au sol est expliqué dans Pourquoi fait-il si chaud le jour dans le désert, et si froid la nuit ?, et la façon dont la différence de chauffe des surfaces modifie la chaleur en ville est traitée dans Pourquoi fait-il si chaud en ville ? ― L'écart est plus marqué la nuit que le jour. Sur le fait que la « froideur » ressentie au toucher n'est pas la température elle-même, voir Pourquoi le métal paraît-il plus froid que le bois ?.
- Si vous pouvez vous rendre au bord de la mer ou d'un grand lac, arrêtez-vous deux fois au même endroit : en début d'après-midi, puis après le coucher du soleil. L'inclinaison des cheveux, de l'herbe ou d'un drapeau indique le sens du vent. Si le sens s'est inversé en une demi-journée, c'est la brise de mer et de terre.
- Si vous ne pouvez pas vous déplacer, consultez sur le site des données d'observation de l'Agence météorologique japonaise (JMA) la « direction du vent » d'une station proche de la mer, sur une journée complète. Vous trouverez des jours où la direction du matin est à peu près opposée à celle de la nuit.
- On peut aussi tenter une petite expérience à la maison. Placez dans deux récipients identiques le même poids d'eau et de sable sec (ou de sel), laissez-les au soleil pendant 30 minutes, puis mesurez et comparez leurs températures. Le sable chauffe beaucoup plus.
Attention : les jours de vent fort, la brise de mer est masquée par un vent plus puissant. Elle s'observe mieux les jours bien ensoleillés, où les isobares de la carte météo sont peu serrées. Lors d'une observation au bord de la mer, ne vous approchez pas trop près du ressac.
Pour aller plus loin ― vocabulaire, formules et liens avec les manuels scolairesDu niveau collège japonais jusqu'aux matières universitaires spécialisées, le niveau de chaque point est indiqué
- CollègeCe qu'on apprend en sciences au collège
- LycéeCe qu'on apprend en « sciences de la Terre / physique de base » au lycée
- Lycée +Contenu approfondi du lycée, ou encadré des manuels
- UniversitéContenu non vu au lycée, relevant d'une matière universitaire spécialisée (météorologie, dynamique de l'atmosphère)
- RechercheSujet que même l'université ne présente pas comme établi, et que les chercheurs étudient encore
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Brise de mer et de terre : vent qui change de sens sur un cycle de 24 heures, sous l'effet de l'écart de température entre la mer et la terre. Celui qui souffle de la mer vers la terre le jour s'appelle la brise de mer ; celui qui souffle de la terre vers la mer la nuit, la brise de terre.
- Chaleur spécifique : quantité de chaleur nécessaire pour élever d'1 °C la température d'un gramme d'une substance donnée. Celle de l'eau est élevée : c'est l'exemple type d'une substance qui se réchauffe et se refroidit lentement.
- Accalmie (« nagi ») : moment où le vent tombe presque complètement, au moment du basculement entre brise de mer et brise de terre. Celle du soir s'appelle « yūnagi » (accalmie du soir), celle du matin « asanagi » (accalmie du matin).
CollègeLycéeVérification par le calcul : jusqu'où la brise de mer pénètre-t-elle dans les terres pendant la journée ?
Si l'on connaît la vitesse de la brise de mer et sa durée, on peut estimer jusqu'où elle pénètre à l'intérieur des terres. On utilise simplement : « distance = vitesse × temps ».
| Vitesse | Distance parcourue en une seconde. Unité : mètre par seconde |
| Temps | Durée pendant laquelle le vent a soufflé. Unité : seconde |
| Distance | Longueur parcourue vers l'intérieur des terres par le front de la brise de mer. Unité : mètre ou kilomètre |
| En symboles | L ＝ v × t |
| En mots | Distance atteinte par la brise de mer ＝ vitesse de la brise de mer × durée du souffle |
| D'où vient cette formule | C'est la définition de la vitesse (vitesse ＝ distance ÷ temps), réécrite pour la distance. On suppose que le front de la brise de mer avance vers l'intérieur des terres à vitesse à peu près constante |
| Vitesse type de la brise de mer | environ 4 mètres par seconde |
| Nombre de secondes dans une heure | 3600 secondes |
| Lenteur de réchauffement de l'eau | environ 5 fois celle du sable, à poids égal |
| Distance parcourue en 1 heure (mètres) | 4 × 3600 ＝ 14400 |
| Conversion en kilomètres | 14400 ÷ 1000 ＝ 14,4 |
| Et en 4 heures ? | 14,4 × 4 ＝ 57,6 |
Si elle souffle sans interruption toute la journée, la brise de mer peut donc, selon ce calcul, atteindre plusieurs dizaines de kilomètres à l'intérieur des terres. En réalité, elle est souvent freinée par le relief ou affaiblie par le frottement au sol : c'est donc une estimation proche du maximum. Il n'en reste pas moins que, dans certaines villes de l'intérieur situées loin de la mer, l'atténuation de la hausse des températures l'après-midi certains jours s'explique en partie par l'arrivée de ce vent.
LycéeLycée +Reformuler « s'alléger » en termes de pression
LycéeConsidérons une colonne d'air. La pression à une hauteur donnée est déterminée par le poids de l'air situé au-dessus. Quand l'air au-dessus de la terre se réchauffe et se dilate, une même masse d'air occupe une colonne plus haute. À une altitude donnée, la pression est alors plus élevée du côté de la terre. En altitude, l'air est donc poussé de la terre vers la mer.
Lycée +Comme une partie de l'air est transférée en altitude vers la mer, la quantité totale d'air restant au-dessus de la terre diminue. La pression au sol devient alors plus basse du côté de la terre. Au niveau du sol, l'air circule donc de la mer vers la terre, ce qui referme la boucle. L'essentiel du phénomène tient à cette inversion du rapport des pressions entre l'altitude et le sol ; les manuels regroupent ce type de circulation d'origine thermique sous le nom de circulation thermique.
UniversitéSur une Terre en rotation, la direction dévie légèrement
En météorologie universitaire, la brise de mer et de terre est traitée comme un écoulement dans un système en rotation. Sous l'effet de la rotation terrestre, la direction de la brise de mer dévie peu à peu vers la droite dans l'hémisphère Nord, au fur et à mesure qu'elle s'établit. C'est pourquoi, dans certains lieux, la direction du vent effectue lentement un tour complet en une journée ; il n'est pas rare que la direction au début de la brise de mer diffère de plusieurs dizaines de degrés par rapport à celle de fin d'après-midi. Cette force apparente qui fait dévier la direction s'appelle la force de Coriolis, et cette rotation complète de la direction du vent s'explique par la notion d'oscillation inertielle. L'épaisseur de la brise de mer va de quelques centaines de mètres à environ 1 kilomètre, avec au-dessus un courant de retour de sens opposé.
📖 Pour la démonstration des formules et pour aller plus loin : brise de mer et de terre (Wikipédia) ／ force de Coriolis (Wikipédia)
RechercheCe qui n'est pas encore totalement élucidé
- Conditions dans lesquelles le front de brise de mer fait grossir les nuages de pluie Il est certain que l'air est soulevé à l'avant de la brise de mer, mais le fait que cela donne ou non de gros nuages dépend de l'humidité en altitude et de la rencontre avec d'autres vents. Prédire à l'avance où et quand ce développement aura lieu reste aujourd'hui difficile.
- Changements liés à l'urbanisation Quand les constructions se multiplient le long du littoral, la façon dont le sol chauffe et la résistance offerte au vent changent toutes deux. Les résultats divergent selon la forme et la taille de la ville quant à savoir si la brise de mer s'en trouve affaiblie ou au contraire renforcée par la chaleur urbaine ; la question n'est pas tranchée.
- L'avenir dans un climat qui se réchauffe La température de la surface de la mer et celle de l'air continental n'augmentent pas de la même façon. Comment cet écart évoluera, et comment cela modifiera l'intensité et la portée de la brise de mer et de terre, fait l'objet de prévisions qui diffèrent selon les régions.
Autrement dit, le contenu de cet article correspond lui aussi à « ce que l'on comprend à ce jour ». Le principe de base — un écart de température entre mer et terre engendre du vent — est solide, mais jusqu'où va ce vent et ce qu'il provoque restent des questions étudiées par l'observation et le calcul.
Liens avec les manuels scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Passage correspondant de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences・Météo et ses variations／Changements d'état et chaleur | Différence de chauffe entre mer et terre, montée de l'air chaud |
| Lycée | Sciences de la Terre・Mouvements atmosphériques／Physique de base・Chaleur | Relation entre chaleur spécifique et élévation de température, circulation engendrée par un écart de température |
| Lycée + | Sciences de la Terre・Pression et vent | Mécanisme d'inversion des pressions entre l'altitude et le sol |
| Université | Météorologie・Dynamique atmosphérique／Météorologie de la couche limite | Déviation de la direction du vent due à la rotation, épaisseur de la brise de mer |
| Recherche | Météorologie à méso-échelle・Météorologie urbaine | Front de brise de mer et nuages de pluie, effets de l'urbanisation et du réchauffement |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Lourdeur de l'accalmie du soir, linge étendu au bord de la mer, comment passer l'été sur le littoral |
- Agence météorologique japonaise (気象庁), page « Connaissances et explications » sur la météorologie (explication de la brise de mer et de terre et des vents locaux)
- Ogura Yoshimitsu, Météorologie générale (『一般気象学（第2版補訂版）』), Presses de l'Université de Tokyo, 2016
- Société météorologique du Japon (日本気象学会編), Dictionnaire des sciences météorologiques (『気象科学事典』), Tokyo Shoseki, 1998 (entrées « brise de mer et de terre » et « accalmie »)
- Kondo Junsei, Météorologie de l'environnement aquatique (『水環境の気象学』), Asakura Shoten, 1994 (bilan thermique de la surface terrestre et évaporation)
※Cet article est une vulgarisation scientifique à destination du grand public. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur destinés à faciliter la compréhension du mécanisme. Lors d'une observation au bord de la mer ou d'un lac, soyez attentif aux changements soudains de temps et aux fortes vagues, et suivez les avis et alertes émis par l'Agence météorologique ou les autorités locales, ainsi que les consignes sur place.