Pourquoi l'œil du typhon est-il dégagé ?
― Le calme s'explique par la physique de la rotation
Après des heures de vent violent et de pluie battante, le vent tombe soudain, les nuages se déchirent, le ciel s'éclaircit ― voilà ce qui se passe quand on entre dans « l'œil » du typhon. Le temps ne s'est pas vraiment amélioré. C'est un calme provisoire, produit par la physique même de la rotation de cet immense tourbillon.
Une nuit d'approche du typhon, les fenêtres tremblent, la pluie fouette de côté sans arrêt ― après un long moment ainsi, il arrive que le vent tombe d'un coup, que la pluie cesse, et qu'on aperçoive des étoiles ou un ciel bleu entre les nuages.
On pourrait croire que « le typhon est passé », mais il se peut qu'on soit simplement entré dans « l'œil », le centre du typhon. Une fois l'œil traversé, une tempête soufflant en sens inverse revient.
Pourquoi un endroit calme et dégagé existe-t-il juste à côté d'une zone qui était si violente ?
Le « mur » qui entoure l'œil concentre les vents les plus forts et les nuages les plus hauts.
Tout près du centre, l'équilibre entre les forces qui créent le vent change, et le vent faiblit. Le ciel se dégage parce que l'air y descend.
Un typhon n'est pas simplement une « masse de vent violent ». En observant son fonctionnement comme fluide en rotation, le calme de l'œil trouve une explication bien réelle.
Un typhon est un « tourbillon d'air en rotation »
Un typhon, c'est de l'air ambiant qui s'engouffre en tourbillonnant vers un centre où la pression est plus basse qu'alentour. Sous l'effet de la rotation terrestre (la force de Coriolis), il tourne dans le sens antihoraire dans l'hémisphère nord.
Plus on se rapproche du centre, plus le vent forcit. On explique ce mécanisme par une image bien connue : un patineur qui replie les bras tourne plus vite. On pense que l'air aspiré depuis l'extérieur voit son rayon de rotation diminuer à mesure qu'il approche du centre, ce qui fait augmenter sa vitesse.
Ce renforcement progressif du vent « à mesure qu'on approche du centre » atteint son maximum au « mur », juste à l'extérieur de l'œil. Là, le vent violent s'accompagne d'un air poussé vigoureusement vers le haut, formant une rangée de hauts cumulonimbus où se concentrent pluies torrentielles et tempête. C'est la zone la plus dangereuse du typhon.
Mais ce renforcement continu s'arrête au mur de l'œil.
Pourquoi le vent faiblit-il près du centre de l'œil ?
Voilà l'endroit qui surprend. Juste à l'intérieur du mur, plus on s'approche du centre de l'œil, plus le vent, au contraire, s'affaiblit.
Dans l'air en rotation s'équilibrent une force qui pousse vers le centre (vers la pression la plus basse) et une force nécessaire pour continuer à décrire un cercle. À l'extérieur du mur, le vent est fort, donc cet équilibre se fait entre des valeurs élevées de part et d'autre.
Mais tout près du centre de l'œil, la situation change. On considère que l'intérieur de l'œil n'est pas, contrairement à l'extérieur, une zone où l'air continue d'affluer massivement : c'est de l'air dont l'afflux s'est déjà atténué, qui tourne lentement de façon quasi solidaire, en bloc. Plus on est près du centre, plus cette rotation est douce, et au centre même, le vent est pratiquement nul.
Autrement dit, la règle « plus près du centre, plus fort » ne vaut que jusqu'au mur de l'œil. Au-delà de ce mur, on bascule dans une zone où, au contraire, plus on est près du centre, plus c'est calme.
Pourquoi le ciel est-il dégagé dans l'œil ?
Le fait que le vent soit faible et le fait que le ciel soit dégagé sont liés, mais pour des raisons différentes.
Autour du mur, l'air est poussé vigoureusement vers le haut et se refroidit en altitude, formant des nuages. Près du centre de l'œil, on pense qu'à l'inverse, l'air en altitude descend lentement.
Or, en descendant, l'air se comprime et sa température augmente. Plus chaud, cet air a plus de mal à former des nuages, et les nuages déjà présents s'évaporent et disparaissent. Voilà pourquoi seul l'intérieur de l'œil est sans nuages, laissant voir le ciel bleu ou les étoiles. Comme pour le mécanisme qui donne au ciel sa couleur bleue, ce ciel dégagé n'est pas dû à « l'absence de quelque chose », mais au fait que « certaines conditions se trouvent réunies ».
L'intérieur de l'œil est calme, et l'on peut parfois y voir le ciel bleu, mais le typhon n'est pas passé pour autant. D'après les annonces de l'Agence météorologique du Japon et d'autres organismes, une fois l'œil traversé, une tempête soufflant en sens inverse revient.
Diverses explications météorologiques mettent en garde : si l'on interprète ce calme comme « le pire est passé » et que l'on sort à l'extérieur, on risque d'être surpris par le retour immédiat du vent et de la pluie. Tant que les bulletins météo indiquent « approche » ou « passage » du typhon, il faut garder à l'esprit que même le calme dans l'œil fait encore partie du typhon.
Tous les typhons n'ont pas un œil bien net
Un œil bien visible se rencontre surtout dans les typhons bien développés. Pour les typhons de faible intensité ou en cours de développement, l'œil est souvent flou, voire absent, avec des nuages répartis de façon uniforme.
Par ailleurs, la taille et la forme de l'œil varient beaucoup d'un typhon à l'autre. Sur les images satellite, on rapporte des diamètres allant de quelques dizaines de kilomètres jusqu'à près de 100 km. Un œil petit et bien découpé tend à indiquer un typhon puissant, mais ce n'est qu'une indication générale, pas une règle absolue.
Une expérience à faire soi-même
- Verser de l'eau dans un récipient assez large (une bassine, par exemple), et y disperser un peu de feuilles de thé ou de grains de poivre qui flottent
- Avec une cuillère ou un bâton, brasser l'eau le long du bord, toujours dans le même sens
- Retirer doucement le bâton et observer le mouvement de l'eau pendant plusieurs secondes, voire une dizaine de secondes
- Constater qu'une zone se forme où les particules flottantes se rassemblent près du centre et où le mouvement ralentit
Ce mécanisme n'est pas exactement le même que celui du typhon (l'eau du récipient est surtout mise en mouvement par un autre effet, lié au frottement avec le fond). Mais cette expérience simple permet de ressentir cette idée : « au centre d'un fluide en rotation se forme une zone plus calme que le reste ».
En résumé
Le calme de l'œil du typhon n'est pas dû à une amélioration du temps, mais à un état provisoire créé par la physique de l'air en rotation. Jusqu'au mur de l'œil, le vent forcit à mesure qu'on approche du centre, mais près du centre de l'œil, ce schéma s'inverse et le vent faiblit. En même temps, l'air y descend lentement et se réchauffe, faisant disparaître les nuages et dégageant le ciel. Mais il ne faut pas oublier qu'après le passage de l'œil, une tempête soufflant en sens inverse revient.
L'œil du typhon n'est pas la fin de la tempête.
C'est exactement son milieu.
Le fait que le centre du typhon soit une zone de basse pression n'affecte pas seulement le vent, mais aussi le niveau de la mer. Le phénomène par lequel une pression basse soulève la surface de l'océan est détaillé dans l'article sur les ondes de tempête.
Notons que la direction que prend ce tourbillon n'est pas déterminée par le tourbillon lui-même, mais par les grands courants atmosphériques qui l'entourent. La raison pour laquelle la trajectoire s'infléchit brusquement à proximité du Japon est expliquée dans Pourquoi les typhons obliquent-ils soudain vers l'est près du Japon ?
Pour aller plus loin ― termes, valeurs, liens avec les manuels scolairesDu niveau collège aux sujets de recherche actuels, chaque niveau est indiqué explicitement
- CollègeProgramme de sciences du collège
- LycéeProgramme de lycée, sciences de la Terre / physique de base
- Lycée+Lycée, options avancées de sciences de la Terre / physique, ou encadrés du manuel
- UniversitéNon vu au lycée, matière spécialisée universitaire (météorologie, mécanique des fluides)
- RecherchePas encore établi comme « acquis » même à l'université ― sujet activement étudié par les chercheurs
CollègeVocabulaire : les mots du typhon
- Pression atmosphérique : force avec laquelle l'air pousse tout autour. Au centre du typhon, elle est plus basse qu'alentour.
- Œil du typhon : zone proche du centre du typhon, où le vent est faible et les nuages peu nombreux.
- Mur de l'œil (eyewall) : bande de cumulonimbus les plus hauts, qui entoure l'œil. Elle s'accompagne des vents et pluies les plus forts.
- Courant descendant : flux d'air qui descend de l'altitude vers le sol.
LycéeVérification par le calcul : estimer la vitesse du vent au mur à partir du gradient de pression
On peut estimer approximativement la vitesse du vent qui souffle au mur du typhon à partir de l'idée que « le gradient de pression (la baisse de pression à mesure qu'on approche du centre) » s'équilibre avec « la force nécessaire pour maintenir la rotation ».
Vitesse du vent au carré ＝ Rayon × Gradient de pression ÷ Densité de l'air
| Vitesse du vent | en m/s (mètres par seconde) |
| Rayon | Distance depuis le centre du typhon. En m |
| Gradient de pression | Variation de pression par mètre de distance. En Pa/m |
| Densité de l'air | Environ 1,2 kg/m³ près du sol |
Il s'agit d'une relation simplifiée fondée sur l'idée que, dans l'air en rotation, « la force dirigée vers le centre » et « la force nécessaire pour maintenir la rotation » s'équilibrent (un équilibre appelé équilibre cyclostrophique).
Pour un typhon bien développé, on rapporte souvent des exemples où la pression au centre est d'environ 900 hPa, et d'environ 950 hPa à l'extérieur du mur de l'œil (rayon d'environ 20 km). Utilisons ces valeurs pour estimer la vitesse du vent au mur.
| Différence de pression | 950 hPa − 900 hPa ＝ 50 hPa ＝ 5000 Pa |
| Gradient de pression | 5000 Pa ÷ 20000 m ＝ 0,25 Pa/m |
| Rayon × gradient ÷ densité | 20000 × 0,25 ÷ 1,2 ≒ 4166,7 |
Cette valeur 4166,7 correspond à l'estimation du carré de la vitesse du vent (en (m/s)²). Pour obtenir la vitesse, il faut calculer la racine carrée (la valeur qui, mise au carré, redonne ce nombre). La racine carrée de 4166,7 vaut environ 64,5.
| Vitesse du vent estimée | environ 64,5 m/s |
| Conversion en km/h | 64,5 × 3,6 ≒ 232,2 |
| Soit en km/h | environ 232 km/h |
Selon la classification de l'Agence météorologique du Japon, un typhon dont la vitesse maximale du vent atteint 54 m/s ou plus est qualifié de « violent ». On voit qu'en dépit de sa simplicité, ce calcul donne un ordre de grandeur proche des vitesses de vent réellement rapportées pour les typhons puissants.
※ Le vent réel est également influencé par le frottement avec le sol et par des différences de structure propres à chaque typhon, facteurs non pris en compte dans cette formule. Ce calcul ne vise qu'à donner un ordre de grandeur du mécanisme.
Lycée+Conservation du moment cinétique et réchauffement adiabatique
Pour expliquer pourquoi le vent forcit près du centre, on invoque souvent la conservation du moment cinétique. Un objet en rotation tourne d'autant plus vite que sa distance au centre de rotation diminue, un principe qui explique aussi pourquoi un patineur tourne plus vite en repliant les bras.
Le phénomène par lequel l'air se réchauffe en descendant dans l'œil s'appelle le réchauffement adiabatique. Une masse d'air qui se déplace, sans presque échanger de chaleur avec son environnement, vers une zone de pression plus élevée (plus bas) se comprime et voit sa température augmenter.
UniversitéÉquilibre cyclostrophique et comportement « en rotation solide » de l'œil
La relation utilisée dans le calcul ② du texte principal est appelée en météorologie équilibre cyclostrophique : une approximation valable pour des tourbillons dont le rayon de rotation est assez petit et la force assez grande pour que l'effet de la rotation terrestre (force de Coriolis) soit négligeable. Le champ de vent réel d'un typhon est traité dans un cadre plus général, l'« équilibre du vent gradient », qui inclut en plus la force de Coriolis, en plus du gradient de pression et de la force centrifuge.
On considère que le mouvement de l'air à l'intérieur de l'œil, à la différence du tourbillon libre extérieur (qui obéit à la conservation du moment cinétique), forme une zone qui tourne lentement en bloc, comme si elle était un objet solide unique (comportement proche d'une rotation solide). La jonction entre ces deux types de rotation se situe précisément juste à l'intérieur du mur.
RechercheCe qui reste à éclaircir
- La prévisibilité de l'« intensification rapide », par laquelle un typhon gagne brutalement en puissance, reste un grand sujet de recherche. On pense que la formation de l'œil et ses évolutions ultérieures sont liées à cette intensification rapide, mais le mécanisme complet n'est pas encore totalement élucidé.
- On observe parfois un phénomène appelé « structure à double mur », où le mur qui entoure l'œil devient double et concentrique. Le processus par lequel un nouveau mur externe se forme et remplace progressivement l'ancien en l'affaiblissant reste difficile à prévoir précisément, quant à son moment et au typhon concerné, et fait l'objet de recherches en cours.
- On considère aussi qu'il existe des limites à la finesse avec laquelle on peut reproduire le mouvement de l'air à l'intérieur de l'œil, que ce soit par observation aérienne ou par simulation numérique. L'œil est une zone relativement difficile à observer au sein du typhon, ce qui explique en partie la rareté des données directes.
L'œil du typhon paraît calme et simple en apparence, mais son mouvement d'air interne et son lien avec l'évolution de l'intensité du typhon restent, pour une bonne part, un sujet de recherche actif.
Liens avec les programmes scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Partie correspondante de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences ・ Météo et ses changements | Vocabulaire de base : pression, œil du typhon, mur de l'œil |
| Lycée | Sciences de la Terre de base ・ Mouvements atmosphériques ／ Physique de base ・ Mouvement circulaire | Estimation de la vitesse du vent à partir du gradient de pression |
| Lycée+ | Sciences de la Terre ・ Cyclones tropicaux ／ Physique ・ Moment cinétique | Conservation du moment cinétique, réchauffement adiabatique |
| Université | Météorologie ・ Météorologie dynamique | Équilibre cyclostrophique, équilibre du vent gradient, comportement en rotation solide de l'œil |
| Recherche | Dynamique des typhons ・ Recherche en prévision (non résolu) | Prévision de l'intensification rapide, structure à double mur, limites d'observation de l'œil |
- Documents explicatifs de l'Agence météorologique du Japon (気象庁) sur « la structure des typhons » et « la classification des typhons ».
- Willoughby, H. E., Tropical Cyclone Eye Thermodynamics, Monthly Weather Review, 1998 (étude sur la thermodynamique de l'œil du typhon).
- Explications de l'Agence météorologique du Japon (気象庁) sur « les caractéristiques du vent associé aux typhons » (incluant les notions d'équilibre cyclostrophique et de vent gradient).
- Kossin, J. P. & Eastin, M. D., Two Distinct Regimes in the Kinematic and Thermodynamic Structure of the Hurricane Eye and Eyewall, Journal of the Atmospheric Sciences, 2001 (étude sur la structure de l'œil et du mur de l'œil).
- Documents explicatifs de l'Agence météorologique du Japon (気象庁) sur « la structure à double mur et l'intensification rapide » des typhons.
※ Les valeurs de pression et de rayon citées sont des ordres de grandeur rapportés pour des typhons développés typiques ; elles varient d'un typhon à l'autre.
※Cet article est une vulgarisation scientifique destinée au grand public. Pour la trajectoire, l'intensité et les consignes à suivre lors de l'approche d'un typhon, vérifiez toujours les informations officielles les plus récentes publiées par l'Agence météorologique du Japon ou les autorités locales. Le retour du calme dans l'œil ne signifie pas que le typhon est terminé.