« 1 m/s de vent, c’est 1 °C de moins ressenti » : vrai ?
― Presque juste par vent faible, exagéré par vent fort
C’est une règle qu’on entend dans les bulletins météo d’hiver et les livres de randonnée. Calculée avec la formule qu’utilisent les services météo, elle fonctionne bien jusqu’à environ 5 mètres par seconde. Mais plus le vent forcit, moins la température ressentie baisse vite. Car ce que le vent emporte, ce n’est pas « la température » : c’est la couche d’air chaud qui enveloppe la peau.
Il fait 0 °C ce matin, et la météo annonce « vent de nord fort, 10 mètres par seconde ».
Si la règle « 1 mètre, 1 °C » est exacte, on ressent −10 °C. Vous vous préparez à un froid digne du cœur de l’hiver en Hokkaido et sortez un gros manteau.
Mais dehors, il fait froid, certes, sans que ce soit à ce point. Jusqu’où peut-on se fier à cette règle ?
Pourquoi la règle marche, et deux raisons pour lesquelles elle déraille
Autour de la peau, il y a une mince couche d’air réchauffée par le corps. Le vent la balaie et plaque l’air froid contre la peau, sans cesse. Voilà pourquoi, à même température, on a plus froid quand il y a du vent.
Quand le vent forcit, le film s’amincit, mais plus il est fin, plus il résiste à un nouvel amincissement. Avec un vent deux fois plus rapide, le froid n’est donc pas deux fois plus fort.
Autrement dit, « 1 mètre, 1 °C » est une droite qui approche la baisse de température dans le domaine des vents faibles. Dans la zone des vents forts, où la courbe commence à s’infléchir, la règle devient plus dramatique que la réalité.
Le vent arrache le film d’air chaud de la peau
Prenons un jour sans vent, où vous restez immobile. La chaleur quitte peu à peu la surface de la peau et réchauffe l’air alentour. Cet air tiède forme une mince couche, de quelques millimètres, collée à la peau. Comme une couverture, elle freine la fuite de la chaleur.
Quand le vent souffle, cette couche est emportée sans cesse. La peau touche toujours un air « pas encore réchauffé », et la chaleur s’échappe plus vite. Ce que notre corps ressent comme du « froid », c’est la vitesse de cette fuite de chaleur.
La « température ressentie » publiée par les services météo traduit cette idée en chiffres. Dans le vent actuel, le visage perd une certaine quantité de chaleur. À quelle température, par temps presque calme, en perdrait-il autant ? C’est cette température qu’on appelle « température ressentie ». Avec le curseur de la figure 1, changez la vitesse du vent et comparez la règle à la vraie formule.
Plus le film est mince, plus il résiste
Si la courbe pleine de la figure 1 s’aplatit, c’est à cause de la nature de ce film d’air. Tant que le vent est faible, une petite hausse de sa vitesse arrache beaucoup du film, et la fuite de chaleur change d’un coup. Mais quand le film est déjà mince, forcir encore le vent n’en retire que très peu.
De plus, la chaleur doit d’abord venir de l’intérieur du corps jusqu’à la peau pour s’échapper. Même si le film d’air devient très fin, la peau et les tissus sous-cutanés restent comme un mur qui retient la chaleur. Aucun vent, si fort soit-il, ne fait chuter la température ressentie sans limite.
Calculons pour un air à 0 °C : à 5 mètres par seconde, la température ressentie est d’environ −5 °C, presque comme la règle. Mais à 10 mètres par seconde, elle n’est que d’environ −7 °C, et même à 20 mètres par seconde, d’environ −9 °C. On est à plus de 10 °C du −20 °C prédit par la règle.
En revanche, plus l’air est froid, plus le vent fait baisser la température ressentie. Par −10 °C d’air, un vent de 10 mètres par seconde donne un ressenti d’environ −20 °C, presque exactement la règle. Plus le pays est froid, plus la règle reste valable sur une large plage.
La température ressentie parle de la « vitesse » à laquelle la chaleur s’échappe. Un tuyau d’eau sec ou la carrosserie d’une voiture ne deviennent jamais plus froids que l’air, quel que soit le vent. Le vent ne fait que raccourcir le temps qu’il leur faut pour atteindre la température de l’air. Un objet mouillé, en revanche, est un cas à part : l’évaporation de l’eau prélève de la chaleur, et il peut descendre sous la température de l’air.
Dans les prévisions météo, la vitesse du vent est en général mesurée à 10 mètres au-dessus du sol. À hauteur de visage, le vent est plus faible à cause du frottement avec le sol. La formule des services météo tient compte de cet écart.
En résumé
« 1 mètre par seconde de vent, 1 °C de moins ressenti » est une règle bien juste pour les vents faibles, jusqu’à environ 5 mètres par seconde. Mais plus le vent forcit, plus la baisse ralentit. Par 0 °C, même à 20 mètres par seconde, on ressent environ −9 °C. Le froid dépend de la quantité de film d’air chaud que le vent arrache à la peau, et ce film est d’autant plus dur à arracher qu’il est mince.
Ce que le vent emporte, ce n’est pas la température, mais la couverture d’air de la peau.
Les premiers mètres par seconde sont ceux qui refroidissent le plus.
Pour comprendre en détail comment le vent emporte la chaleur, lisez Pourquoi l’hypothermie peut-elle survenir même les jours « pas si froids » ? ; pour savoir comment l’air protège du froid, Pourquoi plusieurs couches fines tiennent-elles plus chaud qu’une seule épaisse ?. Et pour voir le vent côté été, il y a aussi Pourquoi le vent d’un ventilateur donne-t-il une sensation de fraîcheur ?
- Ventilateur éteint, placez la paume devant lui et gardez en tête la sensation sur la peau.
- Passez ensuite sur « faible ». Notez l’ampleur de la fraîcheur soudaine entre « arrêt » et « faible ».
- Montez ensuite à « moyen », puis « fort », et comparez : chaque cran paraît-il moins marqué que le passage « arrêt → faible » ?
Si vous posez un thermomètre sec devant le ventilateur, l’affichage ne bouge presque pas. On comprend que le vent ne refroidit pas l’air : il change seulement la vitesse à laquelle la peau perd sa chaleur.
Pour aller plus loin ― termes, formules, lien avec les manuelsDu collège à l’université : le niveau de chaque passage est indiqué
- CollègeAu programme de sciences du collège
- LycéeAu programme de physique ou de sciences de la Terre au lycée
- Lycée+Approfondissement du lycée, ou encadré de manuel
- UniversitéHors programme du lycée : cours universitaires (transfert thermique, biométéorologie)
- RechercheCe qui n’est pas encore un savoir établi, et que les chercheurs étudient en ce moment
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Température ressentie : le froid ou la chaleur perçus par la peau, traduits en degrés. Le vent, l’humidité ou le soleil la rendent différente de la température de l’air.
- Indice de refroidissement éolien (température de refroidissement par le vent) : température ressentie qui ne tient compte que du froid dû au vent. La formule utilisée par les services météo nord-américains depuis 2001 en est l’exemple type.
- Couche limite : mince couche d’air peu mobile collée à la surface d’un objet. La chaleur s’échappe en la traversant.
CollègeLycéeVérifier par la formule : air à 0 °C, vent de 10 mètres par seconde
On calcule la température ressentie avec la formule de l’indice de refroidissement éolien, utilisée depuis 2001 par Environnement Canada et le Service météorologique américain. En choisissant 0 °C, les termes contenant la température s’annulent, ce qui simplifie le calcul.
| En symboles | W ＝ 13.12 ＋ 0.6215 × T − 11.37 × V0.16 ＋ 0.3965 × T × V0.16 |
| En mots | température ressentie ＝ la part fixée par la température de l’air, moins la « part emportée par le vent », proportionnelle à la vitesse du vent à la puissance 0,16 |
| D’où vient la formule | On calcule la chaleur qui s’échappe de la peau du visage en équilibrant le flux de chaleur de l’intérieur du corps vers la peau et celui de la peau vers l’air, puis on la ramène à la température d’un air « presque calme (4,8 km/h) » qui ferait perdre la même chaleur |
| W | température ressentie (de refroidissement éolien), en °C |
| T | température de l’air, en °C (valable à 10 °C et moins) |
| V | vent à 10 mètres de haut, en km/h (valable à 4,8 km/h et plus) |
| Température de l’air | 0 °C (les deux termes contenant T valent 0) |
| Vent | 10 mètres par seconde |
| Coefficient pour passer de m/s à km/h | 3.6 |
| 36 km/h à la puissance 0,16 | environ 1.774 |
| Cas de 5 mètres par seconde (18 km/h) à la puissance 0,16 | environ 1.588 |
| Convertir le vent en km/h | 10 × 3.6 ＝ 36 |
| Part emportée par le vent | 11.37 × 1.774 ≒ 20.17 |
| Température ressentie à 10 mètres par seconde (°C) | 13.12 − 20.17 ≒ −7.05 |
| Valeur de la règle « 1 m, 1 °C » (°C) | 0 − 10 ＝ −10 |
| Part emportée par un vent de 5 mètres par seconde | 11.37 × 1.588 ≒ 18.06 |
| Température ressentie à 5 mètres par seconde (°C) | 13.12 − 18.06 ≒ −4.94 |
À 5 mètres par seconde, la formule donne environ −4,9 °C et la règle −5 °C : presque identiques. À 10 mètres par seconde, la formule donne environ −7,1 °C et la règle −10 °C : la règle surestime le froid d’environ 3 °C. Quand le vent double, la part emportée n’augmente que d’environ 1,1 fois. C’est le sens de ce petit exposant 0,16.
LycéeLycée+Pourquoi « puissance 0,16 » ?
LycéeLa chaleur va des endroits chauds vers les endroits froids. La quantité qui passe est le produit de l’écart de température par la facilité de transmission de la chaleur. Ce que le vent change, ce n’est pas l’écart de température, mais cette « facilité de passage ».
Lycée+On admet que la facilité de transmission de la chaleur d’une surface vers le vent croît à peu près comme la puissance 0,5 de la vitesse du vent (convection forcée). Mais sur un visage, la chaleur doit aussi traverser les tissus de la peau, un « mur » qui ne dépend pas du vent. Ces deux murs étant en série, l’effet global du vent s’affaiblit encore. En ajustant les résultats d’un calcul sur modèle par une formule simple, on obtient ce petit exposant 0,16.
UniversitéConvection forcée et coefficient de transfert thermique
En transfert thermique, on exprime la facilité avec laquelle la chaleur passe d’une surface à un fluide par le coefficient de transfert thermique, estimé par une relation entre le nombre de Nusselt et le nombre de Reynolds. Pour une convection forcée autour d’un cylindre, le nombre de Nusselt est proportionnel au nombre de Reynolds à une puissance d’environ 0,5 à 0,6. L’indice de refroidissement éolien de 2001 a été construit à partir d’un modèle combinant cette relation, appliquée au visage assimilé à un cylindre, et la résistance thermique des tissus de la peau (article d’Osczevski et Bluestein, 2005).
📖 Dérivation de la formule et pour aller plus loin : Wikipédia japonais « Température ressentie » (taikan ondo) ／ Wikipedia "Wind chill" (en anglais, formule et histoire)
RechercheCe qu’on ne sait pas encore bien
- Les différences d’une personne à l’autre. La formule repose sur un modèle de visage d’adulte moyen. On ne sait pas encore bien de combien le refroidissement réel varie selon les enfants, les personnes âgées, la taille du visage ou l’épaisseur de la graisse sous-cutanée.
- Soleil et humidité. La formule de 2001 n’inclut ni le soleil d’un jour dégagé ni l’évaporation sur une peau mouillée. La façon de les réunir en un seul chiffre fait encore débat.
- Lien avec le froid ressenti par tout le corps. La formule traite du refroidissement de la peau du visage. Comment le relier au froid d’un corps habillé ou à la baisse de la température centrale, d’autres modèles l’étudient.
Le contenu de cet article n’est donc, lui aussi, qu’une « explication dans l’état actuel des connaissances ». Mieux vaut considérer la température ressentie comme un chiffre conventionnel pour comparer les froids.
Lien avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière / chapitre | Où dans l’article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences : observations météo (température et vent) | Vent et température, notion de température ressentie |
| Lycée | Physique : transferts thermiques | Le flux de chaleur dépend de l’écart de température et de la facilité de transmission |
| Lycée+ | Physique : modes de transfert de chaleur (convection) | Différence entre puissance 0,5 et puissance 0,16 du vent |
| Université | Transfert thermique, biométéorologie | Convection forcée, nombre de Nusselt, résistance thermique de la peau |
| Recherche | Biométéorologie, ergonomie | Différences individuelles, prise en compte du soleil et de l’humidité |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Choisir ses vêtements en hiver, lire le vent dans les prévisions |
- Service météorologique américain (NWS), « Understanding Wind Chill »
- Osczevski, R. and Bluestein, M. (2005) The New Wind Chill Equivalent Temperature Chart. Bulletin of the American Meteorological Society, 86(10)
- Wikipedia "Wind chill"
- Wikipédia en japonais, article « Taikan ondo » (température ressentie)
※ Cet article est une vulgarisation scientifique pour le grand public. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur, pour comprendre les mécanismes. La température ressentie ne tient compte ni du soleil, ni de l’humidité, ni des vêtements, ni des différences individuelles. En zone froide ou en montagne, suivez les informations météo et les consignes des autorités locales et des organismes de montagne.