Une théorie du transfert de chaleur qui explique les soudaines vagues de froid
La couche limite planétaire participe à un phénomène météorologique important susceptible, le soir, de piéger l’air frais près de la surface du sol, qui se transforme ensuite en givre ou en brouillard le matin. Une meilleure compréhension de ce processus permettrait d’améliorer les prévisions météorologiques, ce qui épargnerait aux agriculteurs des millions d’euros de dégâts et rendrait les déplacements routiers et aériens plus sûrs. Le projet COAT, financé par l’UE, a étudié les conditions qui déterminent l’évolution de la couche limite le soir. «La nuit, la surface du sol se refroidit et crée un bassin d’air froid de 50 à 200 mètres d’épaisseur», explique Bas van de Wiel, chercheur principal du projet COAT. «Cet air froid est lourd et va se stratifier.» S’il y a peu de vent, la couche statique d’air froid va continuer de s’accumuler, jusqu’à produire in fine du brouillard et du givre. Cependant, une turbulence suffisante est susceptible de disperser l’air plus froid, empêchant ce phénomène. La nature imprévisible de la couche limite du soir complique les modèles climatiques, avec des erreurs de prévision allant jusqu’à 5 degrés Celsius pour les périodes froides. «C’est pourquoi nous avons cherché à savoir ce qui provoque cette disparition soudaine des turbulences, lorsque tout mélange d’air cesse», explique Bas van de Wiel.
Boucle de rétroaction
En collaboration avec ses collègues de l’Université de technologie de Delft aux Pays-Bas, Bas van de Wiel est parvenu à modéliser l’échange de chaleur entre le sol et l’air. Les surfaces pavées telles que les routes et les rues retiennent plus de chaleur que l’herbe, ce qui maintient les températures nocturnes plus élevées. Cependant, même la chaleur perdue par les surfaces non pavées est finalement reconstituée par le bas. Cela a permis à Bas van de Wiel et à ses collègues de quantifier la quantité totale de perte de chaleur attendue. À partir de ces données, ils ont pu déterminer la vitesse de vent nécessaire pour fournir suffisamment d’air chaud pour éviter la formation de brouillard ou de givre. «Nous avons calculé qu’à des vitesses de vent inférieures à 3 ms à hauteur de nez, l’équilibre du système se rompt», ajoute-t-il. «Le flux ne peut transférer qu’une quantité déterminée de chaleur, et si la surface se refroidit à un rythme plus élevé, on obtient une boucle de rétroaction positive.» Le modèle a été validé en trois étapes. Premièrement, l’équipe a effectué une simulation numérique directe avec une puissance de calcul élevée, en construisant le système à partir des premiers principes. Ensuite, elle a utilisé un modèle de prévision météorologique en y intégrant certaines hypothèses afin de tester les prédictions. Enfin, le modèle a été appliqué à des conditions météorologiques réelles pour vérifier son exactitude. «Les prédictions étaient toujours très bonnes, ici», souligne Bas van de Wiel. «Nous pouvons être confiants, la théorie est valide et nous avons résolu le problème de l’effondrement de la turbulence atmosphérique.» Le modèle met en évidence que les conditions du sol, la distance par rapport aux zones urbaines et la distance par rapport à l’eau sont des facteurs clés dans la formation du brouillard.
Des résultats probants
Ces recherches sont déjà mises en pratique. En plus d’améliorer les prévisions météorologiques et climatiques, les recherches de Bas van de Wiel ont montré que le mouvement de l’air est un outil puissant contre la formation de givre. Un projet connexe a utilisé de grands ventilateurs pour faire circuler l’air dans des vergers, avec un franc succès. «Les résultats étaient vraiment bons, les températures ont augmenté de 3 à 5 degrés, la récolte a crû de 100 %, et nous pouvions parfaitement montrer que cette récolte augmentait plus encore à proximité de la machine à vent», note Bas van de Wiel. COAT a été soutenu par le Conseil européen de la recherche. «Ce financement a énormément aidé, on a plus de liberté et la possibilité d’être vraiment créatif», dit-il. «Certains financements ne font que payer le salaire du chercheur, mais la science est bien plus que cela.»
Mots‑clés
COAT, couche limite, air, vent, échange thermique, gel, brouillard, météo, prévisions, climat, verger, fruits
