Bourrasque

Vent

Une manche à air permet d'évaluer approximativement la vitesse du vent, et sa direction.

Le vent est un mouvement de l’atmosphère. Il peut apparaître sur n’importe quelle planète disposant d’une atmosphère. Ces mouvements de masses d’air sont provoqués par deux phénomènes se produisant simultanément : un réchauffement inégalement réparti de la surface de la planète par l’énergie solaire et la rotation de la planète.

Sur Terre, plusieurs régions ont des vents caractéristiques auxquels les populations locales ont donné des noms particuliers. Les vents sont une source d’énergie renouvelable, et ont été utilisés à travers les siècles à divers usages, par les moulins à vent, la navigation à la voile, le vol à voile ou plus simplement le séchage. La vitesse du vent est mesurée avec un anémomètre mais peut être estimée par une manche à air, un drapeau, etc.

Cause du vent

Diagramme qui montre comment les vents sont déviés pour donner une circulation anti-horaire dans l’hémisphère Nord autour d’une dépression. La force de gradient de pression est en bleu, celle de Coriolis en rouge et le déplacement en noir

Cas général

La pression atmosphérique en un point est le résultat de la masse de la colonne d’air au-dessus de ce point. Les différences de pression qu’on note sur le globe terrestre sont dues à un réchauffement différentiel entre ces points. En effet, l’angle d’incidence du rayonnement solaire varie de l’équateur aux pôles. Dans le premier cas, il est normal à la surface de la Terre alors que dans le second, il est rasant. Cette variation conditionne le pourcentage d’énergie solaire reçue en chaque point de la surface terrestre. De plus, les nuages reflètent une partie de cette énergie vers l’espace et elle est absorbée différemment selon le type de surface (mer, forêt, neige, etc.)

La différence de pression ainsi créée est la force qui déplace l’air. Si la Terre ne tournait pas sur son axe, la circulation serait donc directe entre les centres de haute et de basse pression. Cependant, cette rotation dévie l’air dans la direction perpendiculaire au déplacement par rapport à un observateur au sol. En fait, c’est l’observateur qui bouge mais on l’appelle quand même force de Coriolis. Elle est proportionnelle à la vitesse de l’air déplacé mais vers la droite dans l’hémisphère Nord et à gauche dans celui du sud.

Lorsque la somme vectorielle de ces deux forces est devenue presque égale mais opposée, la direction du déplacement de l’air se stabilise pour être perpendiculaire au gradient de vent. La petite différence qui subsiste, plus la friction près du sol, laisse une accélération vers la plus basse pression, la direction du vent reste donc orientée un peu plus vers les basses pressions ce qui fait que le vent tourne autour des systèmes météorologiques. À grande échelle dans l'hémisphère nord, les vents tournent donc dans le sens horaire autour d'un anticyclone, et anti-horaire autour des dépressions. L'inverse est vrai pour l'hémisphère sud où la force de Coriolis est inverse. On peut déterminer notre position entre ces deux types de systèmes par la direction du vent qui nous fait face selon la loi de Buys-Ballot.

Cas particuliers

La force de Coriolis s’exerce sur de longues distances; elle est nulle à l’équateur et maximale aux pôles. Dans certaines situations, le déplacement d’air ne s’exerce pas sur une distance suffisante pour que cette force ait une influence notable. Le vent est alors causé seulement par le différentiel de pression. Voici trois cas qui se produisent lorsque la circulation générale des vents est nulle ou très faible :

• L’air froid plus dense en haut d’une montagne y crée une pression plus forte que dans la vallée. Le gradient de pression fait alors dévaler la pente à l’air sur une distance insuffisante pour que la force de Coriolis le dévie. Cela génère donc un vent dit catabatique. On rencontre ce genre d’effet le plus souvent la nuit. Ils sont également très communs au front d’un glacier, par exemple, sur la côte du Groenland et de l’Antarctique à toute heure.
• Durant le jour, près des côtes d’un lac ou de la mer, le soleil réchauffe plus rapidement le sol que l’eau. L’air prend donc plus d’expansion sur terre et s’élève créant une pression plus basse que sur le plan d’eau. Encore une fois cette différence de pression se crée sur une distance très faible et ne peut être contrebalancée par Coriolis. Une brise de mer (lac) s’établit donc. La même chose se produit la nuit mais en direction inverse, la brise de terre, alors que c’est la rive qui devient plus froide.
• Dans certaines conditions de contrainte, par exemple dans des vallées très encaissées, l’air ne peut que suivre un chemin. Si le gradient de pression devient perpendiculaire à la vallée, le vent sera généré exclusivement par la différence de pression.

Dans d’autre cas, la balance s’exerce entre la pression et la force centrifuge. C’est le cas des tornades et des tourbillons de poussières où le taux de rotation est trop grand et la surface de la trombe est trop petite pour que la force de Coriolis ait le temps d’agir.

Finalement, dans le cas de nuages convectifs comme les orages, ce n’est pas la différence de pression mais l’instabilité de l’air qui donne les vents. La précipitation ainsi que l’injection d’air froid et sec dans les niveaux moyens amènent une poussée d'Archimède négative (vers le bas) dans le nuage. Cela donne des vents descendants qui forment des fronts de rafales localisés.

Calcul du vent

Le vent géostrophique est parallèle aux isobares avec les plus basse pression à gauche

Le vent dépend donc de plusieurs facteurs. Il est la résultante des forces qui s’exercent sur la parcelle d’air : la pression, la force de Coriolis, la friction et la force centrifuge. Le calcul complet se fait avec les équations du mouvement horizontal des équations primitives atmosphériques. En général, la force centrifuge est négligée car la vitesse de rotation autour de la dépression est trop lente et sa valeur est donc très petite par rapport aux autres forces. Cependant, dans une circulation rapide comme celle d’une tornade, il faut en tenir compte. Avec ces équations, les cartes météorologiques permettent d’estimer le vent en connaissant la pression, la latitude, le type de terrain et les effets locaux même si on n’a pas de mesure directe.

• En altitude, la friction est nulle et on peut obtenir pour l’aviation un estimé du vent par les équations du vent géostrophique^[1].
• Près du sol, dans la couche limite, la friction cause une diminution des vents par rapport à l’estimation précédente selon ce qu’on appelle la spirale d'Ekman. En général^[1], le vent est de 50 à 70% du vent géostrophique sur l’eau et entre 30 et 50% de ce vent sur la terre ferme. Plus le vent est diminué par la friction, plus il tourne vers la plus basse pression ce qui donne un changement vers la gauche dans l’hémisphère Nord et vers la droite dans celui du Sud.
• Dans les endroits accidentés où le flux d’air est canalisé ou dans les situations où le vent n’est pas dû à une balance entre pression et force de Coriolis comme mentionnés précédemment, le calcul est beaucoup plus difficile. Parmi ces cas on note :

1. le vent antitriptique où on a une balance entre la pression et la friction ;
2. le vent catabatique où l’air froid descend des hauteurs ;
3. le vent anabatique où de l’air est forcé vers le haut d’une pente.

Échelle de fluctuation du vent

Spectre de Van der Hoven

Pour une altitude inférieure à 1000 mètres environ, là où se trouvent les ouvrages bâtis, les forces de frottement dues à la rugosité du sol et les phénomènes thermiques régissent en grande partie les écoulements d’air. Ces phénomènes engendrent des fluctuations de la vitesse du vent, dans le temps et dans l’espace, susceptibles d’exciter les structures les plus souples. Cette zone est appelée couche limite de turbulence atmosphérique.

L’analyse spectrale de la vitesse du vent dans la couche limite turbulente permet de mettre en évidence plusieurs échelles temporelles de fluctuation. La figure ci contre montre l’allure d’un spectre de densité de puissance représentatif de la vitesse horizontale du vent à 100 mètres au-dessus du sol d’après Van der Hoven.

Les sollicitations répétées et aléatoires des turbulences peuvent solliciter les modes propres de certains ouvrages et conduire à leur ruine si cela n’a pas été pris en compte lors du dimensionnement (comme par exemple le pont de Tacoma en 1940).

Vent réel, vitesse, apparent

Lorsqu’un véhicule ou une personne se déplace le vent ressenti au cours du déplacement peut être très différent du vent généré par les conditions météorologiques avec des conséquences parfois importantes. On distingue :

• Vent réel : le vent qui est ressenti par un observateur immobile : il est du uniquement au déplacement de l’air autour de celui-ci. Sa direction et sa force peuvent être lus sur un instrument fixé sur le lieu où l’observateur se situe : ces valeurs sont théoriquement celles communiquées par les bulletins météorologiques (avec une fiabilité variable). Le qualificatif de "réel" est utilisée quand l’observateur se situe à bord d’un engin se déplaçant (avion, voilier,...) pour le différencier d’autres composantes du vent engendrés par le déplacement : vent apparent ou le vent dû à la vitesse. Ce vent a une composante moyenne à laquelle s'ajoute souvent des rafales, soit des hausses soudaines et temporaires de sa vitesse.

• Vent vitesse ou Vent relatif : le vent généré par le seul déplacement de l’observateur, égal en intensité, de même direction, et opposé en sens, à la vitesse relative de celui-ci. Il est d’autant plus fort que la vitesse de déplacement est élevée. C’est par exemple le vent que l’on ressent lorsque l’on se déplace à vélo, en l’absence de tout vent réel.

• Vent apparent (pour la navigation maritime) : le vent tel qu’il est ressenti par l’observateur en déplacement, somme vectorielle des deux précédents, c’est-à-dire du vent réel et du vent vitesse (ou relatif). La notion de vent apparent est surtout utilisée en voile ou en char à voile : en effet, le vent ressenti sur le bateau dépendra non seulement du vent réel, mais également de la vitesse du bateau, ce qui conduit à devoir ajuster le réglage des voiles. C’est le vent que reçoit effectivement la voile.

Mesure du vent

Le coup de vent, d’après Marlet.

• Échelles :
  • La vitesse du vent est évaluée par les marins en utilisant l’échelle de Beaufort, échelle fermée à 13 niveaux de force 0 à force 12, s’ils n’ont pas d’instruments pour la mesurer. Cette échelle relie l’effet du vent sur la mer (hauteur des vagues, production d’embruns, etc.) à sa vitesse. Autrement, ils utilisent les nœuds.
  • Au sol et en altitude, le vent est mesuré en km/h, en mètres/seconde ou en nœuds.

• Le vent est relevé :
  • Au sol et en mer, sa vitesse est donnée par un anémomètre et sa direction est mesurée par une girouette.
  • En altitude, on l’obtient par radio-sondage en suivant le mouvement d’un ballon-sonde.
  • Depuis l’espace, grâce aux instruments d’un satellite météorologique, on peut obtenir les vents dans toute l’atmosphère. Ces données sont particulièrement utiles aux endroits inhabités comme les déserts et les océans.

Utilisations du vent

Moulins à vent à Fanø

L'énergie éolienne est une force qui façonne le vivant et l'inanimé sur Terre.

Action géophysique

• Érosion éolienne

Utilisation par les plantes

• Anémochorie, dispersion des graines par le vent
• Anémomorphose, le vent qui détermine la forme des plante

Utilisation par l’homme

• Le moulin à vent, et sa descendante, l’éolienne
• La voile, utilisée sur les voiliers
• Le char à voile
• Le cerf-volant
• La planche à voile
• L’aviation et l’aérodynamique
• Le kite surf

Vent et religion

Le dieu du vent dans la mythologie japonaise

Beaucoup de légendes religieuses personnifient le vent :

• Éole, dieu du vent en Grèce antique
• Fūjin dieu du vent de la Mythologie japonaise
• Saint-Esprit dans la théologie chrétienne s’est manifesté parfois par un vent mais n’est pas le dieu du vent
• Amon, dieu du soleil et du vent chez les égyptiens

Vent et urbanisme

Article détaillé : Aérodynamique.

Le vent interagit avec toute chose, y compris les constructions humaines. Nos villes ont d'ailleurs parfois généré des systèmes si chaotiques que des grandes places publiques deviennent infréquentables à pied si le vent se lève un peu. Il faut se souvenir que le vent est tel la mer, immense, le bloquer ne fait que le rendre plus violent mais par contre, on ne peut pas vivre sans lui car il aère, nettoie, contrôle la température et purifie les lieux.^[2]

Les différents types d'effets des vents urbains:

• Effet de coin ;
• Effet de sillage ;
• Effet de porche ;
• Rouleau tourbillonnant ;
• Effet de barre : déviation en vrille d’un vent qui arrive entre 45 et l’axe d’une construction en forme de barre. On peut limiter l’effet en aménageant le toit et les arêtes de la construction^[3] ;
• Effet Venturi ;
• Suite d'immeubles interrompu ;
• Effet du désaxement ;
• Effet des différences de hauteur ;
• Effet de canalisation ;
• Effet de maille ;
• Effet de pyramide.

Notes et références

1. ↑ ^{a  et b} Écoulement en équilibre par le département de sciences de la Terre et de l’atmosphère de l’UQAM (2006)
2. ↑ Vent urbain, introduction par Hugues CREPIN, mémoire d'analyse urbanistique de la place Rogier, Bruxelles, Belgique, ISAI saint-Luc 1997
3. ↑ (fr)M. L. Tarrade, L.E. Brizzi, L. David et D. Calluaud, « Etude aérodynamique en aval de modèles de bâtiments placés dans un vent en incidence », dans [Congrès Francophone de Vélocimétrie Laser], n^o G3.8, 14-17 septembre 2004 [[pdf] texte intégral (page consultée le 2009-09-22)] 

Voir aussi

Articles connexes

• Liste des vents
  • Liste des vents de France
• Météorologie : circulation atmosphérique, cyclone tropical, tempête, refroidissement éolien, rafale de vent
• Par analogie : vent solaire

Liens externes

Sur les autres projets Wikimedia :

• Vent, sur Wikimedia Commons (ressources multimédia)
• Vent, sur Wiktionary (dictionnaire universel)

• Vents et circulation générale atmosphérique par le Service météorologique du Canada d’Environnement Canada
• Planète éolienneSite de référence de l’éolien, associations de promotion de l’éolien, actualités, galeries photos, idées fausses, témoignages, petit éolien…
• Règles NV65 règles définissant les effets de la neige et du vent sur les constructions
• Etude aérodynamique en aval de modèles de bâtiments

placés dans un vent en incidence par M. L.Tarrade, L.E. Brizzi, L.David et D. Calluaud

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