Jusqu'où un typhon peut-il se renforcer ?
― La limite est fixée par la température de la mer et le froid en altitude
Un typhon ne peut pas devenir infiniment fort. C'est un « moteur » qui tourne grâce à la chaleur d'une mer chaude. Il y a une quantité de carburant, et un frein qui s'accentue d'autant plus que le vent forcit. L'équilibre entre les deux fixe un plafond à la vitesse du vent.
À l'automne, les informations parlent d'un « typhon violent ». La pression au centre passe sous 900 hectopascals et le vent maximal approche 60 mètres par seconde. À l'écran, on voit un beau tourbillon et un œil grand ouvert.
Une question vous vient. Au-dessus d'une mer encore plus chaude, verrait-on des typhons à 100, voire 200 mètres par seconde ?
En fait, non. Même les typhons et ouragans les plus puissants jamais observés plafonnent à peu près au même niveau de vent. Et il y a une raison précise à cela.
Deux raisons seulement expliquent cette limite
La force d'un typhon vient de la chaleur libérée quand la vapeur évaporée de la mer devient nuage. C'est la température de la mer qui fixe la quantité de vapeur que l'air peut recevoir.
Quand le vent double, la chaleur reçue ne double qu'à peu près. Mais la perte par frottement sur la mer est multipliée par environ 8. Tôt ou tard, elle rattrape le gain.
Un typhon ressemble donc à une voiture dont l'accélérateur et le frein sont enfoncés en même temps. La force de l'accélérateur dépend de la température de la mer, et le frein serre d'autant plus que l'on roule vite. Voyons cela pas à pas.
Un typhon est un « moteur » qui tourne à la chaleur de la mer
Autour du centre d'un typhon, le vent rasant la mer s'enroule en spirale vers le centre. Il y capte beaucoup de chaleur et de vapeur d'eau à la mer chaude.
Arrivé près du centre, l'air monte d'un coup le long du mur nuageux qui entoure l'œil. En montant, il se refroidit et la vapeur forme des gouttelettes. La chaleur captée à l'évaporation est alors libérée dans l'air, qui est poussé encore plus haut.
L'air atteint environ 15 kilomètres d'altitude, puis s'écoule vers l'extérieur. Il y fait très froid, moins de −70 °C. L'air y rejette sa chaleur vers l'espace, puis redescend doucement, loin du centre. Regardez la figure 1.
Capter la chaleur là où il fait chaud, la rejeter là où il fait froid : c'est le principe de la « machine thermique », comme dans un moteur de voiture ou une centrale thermique. Plus l'écart de température entre le côté chaud et le côté froid est grand, plus la part de chaleur transformée en mouvement est grande.
Pour un typhon, le côté chaud est la surface de la mer, vers 27 ℃. Le côté froid est la haute altitude, vers −73 ℃. Cet écart de 100 ℃ donne au typhon un excellent rendement. Mais le carburant, lui, est limité : la température de la mer plafonne la quantité de vapeur que l'air peut contenir.
Quand le vent forcit, le frein se met soudain à mordre
Alors, avec assez de carburant, le vent peut-il forcir sans fin ? C'est ici qu'intervient la deuxième raison.
La chaleur reçue de la mer augmente avec la vitesse du vent à sa surface. Un vent rapide renouvelle sans cesse l'air au-dessus de l'eau. Mais cette hausse reste simplement proportionnelle à la vitesse du vent.
En revanche, l'énergie perdue par frottement sur la mer augmente comme le cube de la vitesse. Vent doublé, perte ×8 ; vent triplé, perte ×27. Tant que le typhon est faible, le gain l'emporte et le vent s'intensifie. Mais à une certaine vitesse, la perte rattrape le gain. C'est la limite au-dessus de cette mer.
La figure 2 calcule le lien entre température de la mer et cette limite, avec la formule la plus simple. Sur une mer à 27 ℃, la limite est d'environ 74 mètres par seconde. Au-delà de 30 ℃, elle dépasse 80 mètres par seconde. Même avec toutes les conditions réunies, un typhon bien au-dessus de 100 mètres par seconde aurait du mal à naître dans les océans actuels.
Les records réels concordent bien avec cette estimation. Le typhon n° 20 de 1979 (Tip) aurait atteint une pression centrale de 870 hectopascals. L'ouragan Patricia de 2015 est estimé à un vent maximal d'environ 95 mètres par seconde. Les deux sont nés sur des mers chaudes, vers 30 ℃, et comptent parmi les tempêtes les plus fortes jamais observées.
Un vent fort brasse la mer et remonte à la surface l'eau froide des profondeurs. Plus le typhon avance lentement, plus la mer sous ses pieds se refroidit et plus son carburant diminue. On sait qu'après le passage d'un typhon, une bande d'eau froide reste sur la mer. C'est aussi pour cela que peu de typhons atteignent leur limite.
La mer près du Japon est souvent plus froide qu'en zone tropicale, et le carburant diminue. De plus, les forts vents d'ouest en altitude inclinent la colonne nuageuse du typhon. Cependant, les années où la mer au sud du Japon est plus chaude que d'habitude, les typhons s'approchent plus facilement en gardant leur force.
Une prévision de « typhon violent » signifie que ce typhon s'est développé près de sa limite. Avoir une limite ne doit pas rassurer. Un vent de 54 mètres par seconde pousse les objets avec une force environ 7 fois supérieure à celle d'un vent de 20 mètres par seconde. Quand vous entendez ces mots de force dans les prévisions, prenez-les comme un signal pour vous préparer tôt.
En résumé
Un typhon est une machine thermique : il capte la chaleur d'une mer chaude et la rejette dans un ciel froid. La quantité de carburant dépend de la température de la mer, et plus le vent forcit, plus la perte par frottement sur la mer augmente vite. Le plafond de vitesse du vent se situe là où ces deux effets s'équilibrent. Dans les océans actuels, ce plafond est d'environ 75 à 85 mètres par seconde.
Le plafond d'un typhon est fixé par la température de la mer et le froid du ciel.
Si la mer se réchauffe, le plafond monte donc peu à peu.
Pour en savoir plus sur le fonctionnement des typhons, lisez aussi Pourquoi l'œil d'un typhon est-il dégagé ?, Pourquoi la mer se soulève-t-elle lors d'un typhon ? et La force d'un vent de 40 mètres par seconde.
- Pendant la saison des typhons, consultez les informations sur les typhons de l'agence météorologique japonaise : notez la pression centrale, le vent maximal et la catégorie de force.
- Ouvrez la carte de température de la mer du même jour (par exemple le « bilan de santé des océans » de l'agence) et regardez si la mer sur la route du typhon est plus chaude ou plus froide que 26 ℃.
- Notez cela jour après jour et vérifiez si le typhon se renforce sur la mer chaude et s'affaiblit en entrant sur la mer froide.
Sur la carte de température de la mer après le passage d'un typhon, on peut parfois trouver une bande d'eau refroidie le long de sa trajectoire.
Pour aller plus loin ― termes, formules, lien avec les manuelsDu collège à l'université : le niveau de chaque passage est indiqué
- CollègeCe qu'on apprend en sciences au collège
- LycéeCe qu'on apprend en « physique » et « sciences de la Terre » au lycée
- Lycée +Approfondissement du lycée, ou encadré de manuel
- Univ.Matières universitaires non vues au lycée (dynamique atmosphérique, thermodynamique)
- RechercheSujets que les chercheurs étudient encore, pas même enseignés comme acquis à l'université
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Chaleur latente : chaleur reçue quand l'eau s'évapore et libérée quand la vapeur redevient de l'eau. C'est le carburant du typhon.
- Machine thermique : dispositif qui reçoit de la chaleur à haute température et la rejette à basse température, en transformant une partie en mouvement.
- Intensité potentielle maximale : force maximale qu'un typhon peut atteindre en théorie dans des conditions données de mer et d'atmosphère. On parle aussi d'intensité potentielle.
CollègeLycéeVérifier par la formule : quelle limite de vent sur une mer à 27 ℃ ?
On cherche la vitesse du vent pour laquelle la force venue de la chaleur de la mer équilibre celle perdue par frottement. Le vent est en mètres par seconde, et l'écart de chaleur en joules par kilogramme d'air.
| En symboles | V² ＝ （Ck ÷ Cd）×（Ts − To）÷ To × Δk |
| En mots | Carré du vent limite ＝ rapport entre facilité à recevoir la chaleur et sensibilité au frottement × rendement du moteur × écart de chaleur entre mer et air |
| D'où vient-elle ? | Équilibre entre la chaleur reçue de la mer (proportionnelle au vent) convertie en force du vent selon le rendement, et la perte par frottement sur la mer (proportionnelle au cube du vent). En divisant les deux côtés par le vent, il reste son carré |
| Symbole | Signification et unité |
| V | Vent maximal près de la mer (m/s) |
| Ck, Cd | Coefficient du transfert de chaleur depuis la mer et coefficient de frottement (sans unité) |
| Ts | Température de la mer (K, kelvin : ℃ plus 273) |
| To | Température à l'altitude où l'air s'écoule (K) |
| Δk | Écart de contenu en chaleur entre l'air humide rasant la mer et l'air environnant (J/kg) |
| Température de la mer | 27℃ (environ 300 K) |
| Température à l'altitude de sortie | −73℃ (environ 200 K), supposée |
| Rapport Ck / Cd | environ 1, supposé |
| Vapeur que l'air peut contenir à 27℃ | environ 21,9 g par kg |
| Humidité de l'air environnant | environ 80 % (il manque 20 %) |
| Chaleur d'évaporation de 1 g d'eau | environ 2500 J |
| Écart de température mer–altitude | 300 − 200 ＝ 100 |
| Rendement du moteur | 100 ÷ 200 ＝ 0.5 |
| Vapeur supplémentaire captable à la mer (g) | 21.9 × 0.2 ≒ 4.4 |
| Écart de chaleur Δk (J/kg) | 4.4 × 2500 ＝ 11000 |
| Carré du vent | 0.5 × 11000 ＝ 5500 |
| Vent limite (m/s) | racine carrée de 5500 : environ 74 |
| Conversion en km/h | 74 × 3.6 ≒ 266 |
Sur une mer à 27 ℃, le vent qu'un typhon peut atteindre est d'environ 74 mètres par seconde, soit près de 270 km/h. Le curseur de la figure 2 refait ce calcul pour chaque température de la mer.
| Rapport au seuil du typhon violent | 74 ÷ 54 ≒ 1.37 |
| Rapport des forces du vent sur un objet (carré du vent) | 1.37 × 1.37 ≒ 1.88 |
| Rapport entre le seuil du typhon violent et un vent de 20 m/s | 54 ÷ 20 ＝ 2.7 |
| Rapport des forces correspondant | 2.7 × 2.7 ≒ 7.3 |
Un typhon à sa limite maximale pousse les objets avec une force environ 1,9 fois supérieure à celle du vent au seuil du « typhon violent ».
LycéeLycée +Le typhon comme machine thermique
LycéeEn thermodynamique au lycée, on apprend que le rendement maximal d'une machine thermique dépend des températures absolues des côtés chaud et froid. Pour un typhon, le côté chaud est la mer et le côté froid la tropopause (sommet de la troposphère). Pour la chaleur latente d'évaporation, la quantité de vapeur à saturation augmente d'environ 6 à 7 % par degré, donc plus la mer est chaude, plus il y a de carburant.
Lycée +Si la formule prend le rendement sous la forme (Ts − To) ÷ To plutôt que (Ts − To) ÷ Ts, c'est que la chaleur produite par le frottement est réutilisée comme carburant. Cette chaleur réchauffe l'air près de la mer, qui entre de nouveau dans le moteur.
Univ.La théorie de l'intensité potentielle maximale
La formule de cet article est la forme la plus simple de la théorie de l'intensité potentielle maximale proposée par Emanuel en 1986. Elle traite le typhon comme un cycle de Carnot qui reçoit la chaleur de façon isotherme à la surface de la mer et la rejette en altitude. Le vent maximal atteignable est fixé par le rapport entre coefficient d'échange d'enthalpie et coefficient de traînée à la surface, par les températures de la mer et de la couche de sortie, et par le déséquilibre d'enthalpie humide à la surface. La variation de la vapeur à saturation avec la température suit la relation de Clausius-Clapeyron. Dans les analyses réelles, on déduit la température de sortie des profils verticaux de température et d'humidité de l'atmosphère, et on la représente en cartes par zone océanique.
📖 Dérivation de la formule et suite : Cycle de Carnot (Wikipédia) ／ Relation de Clausius-Clapeyron (Wikipédia)
RechercheCe que l'on ne sait pas encore bien
- Pourquoi certains typhons dépassent-ils la limite ? On observe parfois des typhons un peu au-dessus de la limite calculée. Des explications ont été proposées, comme la chaleur apportée par l'air chaud de l'œil, et les recherches continuent.
- Prévoir les typhons qui se renforcent brusquement. L'« intensification rapide », où la pression centrale chute de plusieurs dizaines d'hectopascals en un jour, est réputée plus difficile à prévoir que la trajectoire.
- De combien les typhons forts augmenteront-ils avec le réchauffement ? On pense que la limite monte quand la mer se réchauffe. Mais l'évolution du nombre de typhons et de la part de ceux qui atteignent presque leur limite reste débattue.
Le contenu de cet article n'est donc qu'une « explication dans l'état actuel des connaissances ». La formule de la limite donne le « plafond » de force, mais pas jusqu'où chaque typhon ira.
Lien avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière et chapitre | Où dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences, 2e année « Le temps et ses changements » (vapeur d'eau, formation des nuages) | La vapeur qui libère de la chaleur en devenant nuage |
| Lycée | Physique « Thermodynamique », sciences de la Terre « Mouvements de l'atmosphère » | Rendement d'une machine thermique et écart de température |
| Lycée + | Physique avancée (forme de la formule du rendement) | La chaleur du frottement qui redevient carburant |
| Univ. | Dynamique atmosphérique, météorologie tropicale | Théorie de l'intensité potentielle maximale |
| Recherche | Prévision d'intensité des typhons, changement climatique | Typhons dépassant la limite, intensification rapide, effet du réchauffement |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Sens de la prévision « typhon violent » et préparation anticipée |
- Emanuel, K. A. (1986) An Air-Sea Interaction Theory for Tropical Cyclones. Part I: Steady-State Maintenance. Journal of the Atmospheric Sciences
- Agence météorologique japonaise (気象庁), « Types et modes d'expression des informations sur les typhons » (catégories de force)
- Emanuel, K. (2005) Divine Wind: The History and Science of Hurricanes. Oxford University Press
- Kimberlain, T. B., Blake, E. S., Cangialosi, J. P. (2016) Hurricane Patricia. National Hurricane Center Tropical Cyclone Report
※ Cet article est une explication scientifique grand public. Les valeurs données sont des ordres de grandeur pour comprendre le mécanisme. Le vent limite est une estimation par une formule simple ; pour la force réelle d'un typhon, consultez les annonces de l'agence météorologique japonaise. Quand un typhon approche, suivez les informations et consignes de l'agence météorologique et des autorités locales.