Science du refroidissement éolien et équations

Une nouvelle formule pour le refroidissement éolien

Le refroidissement éolien est l'effet de refroidissement du vent combiné à de basses températures.

Les êtres humains ne ressentent pas directement la température de l'air. Quand nous sentons qu'il fait froid, nous ressentons en fait la température de notre peau. Parce que la température de notre peau est plus basse quand il vente (notre peau perd de la chaleur plus rapidement qu'elle n'en reçoit du corps), nous ressentons davantage le froid quand il y a du vent. Cette sensation est ce que l'indice de refroidissement éolien tente de quantifier. Il faut noter que bien que l'indice de refroidissement éolien soit exprimé selon une échelle de température (au Canada, l'échelle Celsius), il n'est pas une température : il n'exprime qu'une sensation humaine.

L'indice de refroidissement éolien est déterminé au moyen d'un modèle de la température de la peau soumise à diverses conditions de vent et de température. Ce modèle, qui a été validé au moyen d'essais cliniques (voir Historique pour plus de détails), est itératif : il tient compte de la baisse de température de la peau qui résulte de la perte de chaleur causée par le vent et le froid, et de l'effet de la baisse de la température de la peau sur le taux de perte de chaleur. On peut toutefois en approximer les résultats (à l'unité près) au moyen de l'équation suivante :

Équation refroidissement éolien : R = 13,12 + 0,6215 × T(air) - 11,37 × V(10m) ^ 0.16 + 0,3965 × T(air) × V(10m) ^ 0,16
où
R est l'indice de refroidissement éolien, fondé sur l'échelle de température Celsius
T_air est la température de l'air en degrés Celsius (°C), et
V_10m est la vitesse du vent à 10 mètres (la hauteur standard de l'anémomètre), en kilomètres à l'heure (km/h).

Le nouvel indice de refroidissement éolien d'Environnement Canada tire profit des progrès scientifiques pour fournir une mesure plus précise et plus utile de la sensation de froid en présence de vent. Contrairement à l'ancien indice (voir Vers une nouvelle équation pour le refroidissement éolien, ci-dessous), le nouvel indice est fondé sur un modèle de la rapidité avec laquelle le visage humain perd sa chaleur. Nous avons choisi la figure parce qu'elle est la partie du corps la plus souvent exposée au temps dangereux hivernal, en supposant que des vêtements convenant au temps couvrent le reste du corps. Pour valider ce modèle, des essais cliniques ont eu lieu en juin 2001 à l'Institut de médecine environnementale pour la défense de Toronto, maintenant appelé RDDC-Toronto (on peut trouver plus de détails à ce sujet dans la section Historique de ce site).

De plus, le nouvel indice a été harmonisé avec celui utilisé aux États-Unis (bien qu'on y utilise l'échelle Farenheit), donnant ainsi un indice cohérent partout en Amérique du Nord. De façon spécifique, le nouvel indice de refroidissement éolien a les caractéristiques suivantes :

Il utilise la vitesse du vent calculée à la hauteur moyenne du visage humain (environ 1,5 m) au lieu de la hauteur standard de l'anémomètre (10 m). On effectue la correction en multipliant la valeur à 10 mètres (celle indiquée dans les observations météo) par un facteur 2/3.
Il est fondé sur un modèle du visage humain, et incorpore la théorie moderne du transfert de chaleur, soit la théorie indiquant la quantité de chaleur perdue par le corps vers son environnement lors de jours froids et venteux.
Il utilise un seuil de vent calme de 4,8 km/h. On a obtenu cette valeur en observant la vitesse à laquelle les gens marchent quand ils traversent une intersection.
Il utilise une norme cohérente pour la résistance des tissus de la peau à la perte de chaleur.

Présentement, l'indice ne tient pas compte d'effets allant à l'encontre du refroidissement éolien à cause du rayonnement solaire. Un tel terme sera peut-être ajouté plus tard (peut-être en 2002).

Vers une nouvelle équation pour le refroidissement éolien

Avant octobre 2001, Environnement Canada utilisait l'équation du refroidissement éolien de Siple-Passel, fondée sur les travaux de Siple et Passel effectués dans les années 1940 dans l'Antarctique. Siple et Passel ont mesuré le temps qu'il a fallu à l'eau contenue dans des cylindres de plastique pour geler, et ce, dans différentes conditions de vent et de température. De ces mesures, ils ont développé une formule pour relier le taux de refroidissement (la vitesse à laquelle l'eau a gelé) à la vitesse du vent et à la température. En unités métriques, la relation empirique qu'ils ont mis au point est la suivante :

Ancien facteur de ref. éolien : R = 0,323 × (18,97 × V ^ ½ - V + 37,62) × (33 - T)
où
R est le facteur de refroidissement éolien (taux de refroidissement) en watts par mètre carré (W/m²);
V est la vitesse du vent en km/h; et
T est la température en °C.

Les facteurs 18,97 et 37,62 sont des constantes pour l'ajustement mathématique. Le facteur 33 est une température de peau (°C) postulée.

L'équation ci-dessus a ensuite été manipulée pour déterminer une «température équivalente», qui a été définie comme étant la température qui donnerait le même taux de refroidissement à une certaine vitesse du vent (vitesse de référence), typiquement la vitesse moyenne de marche d'une personne. L'équation de la température équivalente fondée sur l'équation de Siple-Passel est la suivante :

Ancienne température équivalente : 33 - ((18,97 × V ^ ½ - V + 37,62) ÷ (18,97 × V(r) ^ ½ - V(r) + 37,62)) × (33 - T)
où
T_e est la température équivalente en °C;
T est la température de l'air en °C;
V est la vitesse du vent en km/h;
V_r est la vitesse de référence, postulée comme la vitesse de marche moyenne d'une personne (des valeurs de 6 à 8 km/h ont été utilisées);
et 33 est la température de la peau postulée (°C)

À nouveau, les facteurs 18,97 et 37,62 sont des constantes pour l'ajustement mathématique.

L'indice fondé sur l'équation de Siple-Passel avait de sérieux manques :

La vitesse de référence («de marche») n'était pas utilisée de façon cohérente partout, créant ainsi des variations dans les températures équivalentes qui n'étaient pas dues à la physiologie ou à la physique, mais bien à une vitesse de référence différente.
Les vitesses du vent que Siple et Passel ont utilisées quand ils ont développé l'équation étaient environ celles à la hauteur du visage (moins de 2 m). Toutefois, l'équation a ensuite été utilisée de façon routinière avec la vitesse du vent indiquée dans les observations météo standard - le vent mesuré à 10 mètres - sans ajustement, même si le vent à 10 m peut être supérieur au vent à la hauteur du visage de façon notable.
On a postulé que la température de la peau était constante à 33 degrés, même si le modèle a été employé pour parler des dangers de gel de la peau. Cela était incohérent (la peau ne gèlera pas si sa température ne descend pas sous environ -1 °C).

Pour faciliter la mise au point d'un nouvel indice de refroidissement éolien qui s'attaquerait au moins à certains de ces manques, Environnement Canada a tenu un Atelier Internet sur le refroidissement éolien au printemps 2000.

Des gens du monde entier ont participé à l'atelier Internet. Parmi ceux-ci, on comptait Randall Osczevski de RDDC-Toronto, un organisme du ministère canadien de la Défense nationale, et Maurice Bluestein de la Purdue University, en Indiana (États-Unis).

À l'automne 2000, le Bureau du coordonnateur fédéral de la météorologie des États-Unis a formé le Groupe d'action conjoint sur les indices thermiques (connu sous le sigle anglais JAG/TI), qui regroupait des participants des États-Unis et du Canada. Le JAG/TI a recommandé qu'un nouvel indice de refroidissement éolien soit mis au point, en se fondant sur les travaux de Randall Osczevski et Maurice Bluestein.

Le nouvel indice a été validé dans des essais cliniques avec des volontaires humains, tenus à Toronto en juin 2001. On s'attend à ce que cet indice soit beaucoup plus près de ce que les gens ressentent vraiment quand ils sont exposés au vent et aux basses températures.

La section Historique donne plus de détails sur les essais cliniques. Vous pouvez aussi lire le compte rendu personnel d'un volontaire de ces essais.

Développements à venir

Les études scientifiques des effets du froid sur le corps humain se poursuivent. On espère que ces travaux mèneront à des améliorations futures aux programmes d'Environnement Canada.

Tel que mentionné auparavant, on continue de chercher à mettre au point un procédé pour inclure les effets du rayonnement solaire dans l'indice de refroidissement éolien. De plus, les chercheurs de RDDC-Toronto (y compris Randall Osczevski) travaillent présentement à établir une description plus détaillée des délais d'engelures graves selon différentes conditions. On étudie aussi l'établissement d'une équation pour modeler le refroidissement éolien dans des conditions mouillées. Un tel «indice de refroidissement éolien mouillé» pourrait être utile aux marins lors de conditions d'embruns verglaçants, par exemple.

Un autre résultat de l'atelier d'avril 2000 a été l'établissement de la Commission 6 de la Société internationale de biométéorologie (SIB). La commission de la SIB est présentement en train de réviser les indices thermiques à la fois pour le froid et la chaleur, et on s'attend à ce qu'elle fasse une recommandation à l'Organisation météorologique mondiale au sujet d'une norme internationale. En plus d'apporter des améliorations à l'indice de refroidissement éolien, ces travaux pourraient aussi mener à des améliorations à l'humidex, l'indice utilisé pour décrire l'effet combiné de la chaleur et de l'humidité en été.

Service météorologique du Canada - Environnement Canada - Gouvernement du Canada

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