Les Régimes de Vent
Phénomènes Thermiques par Petit Temps

Bien naviguer, en voilier, c'est certainement pour une part la récompense d'une bonne connaissance technique de son bateau et de son équipement. On sait l'importance des réglages pour adapter le fonctionnement du bateau aux conditions de vent, de vagues et de courants. Quand ces conditions deviennent plus exigeantes, l'engagement physique de l'équipage augmente, et bien naviguer est alors également la récompense d'une bonne préparation physique.

Mais bien naviguer ; c'est aussi, on l'oublie trop souvent, se placer correctement sur le plan d'eau, afin de bénéficier de plus de vent, ou d'un vent mieux orienté. Ou tout simplement, afin de toucher du vent, alors que les autres n'en ont pas !

Le vent est capricieux : il souffle de partout et de nulle part, avec plus ou moins de force, et, semble-t-il, jamais comme il faut ! N'importe quel marin sait que le vent parfait, le vent régulier en force et en direction, ça ne se trouve que dans les manuels, pas sur les plans d'eau ! Et tous les régatiers savent que les risées favorables et les bonnes bascules, c'est toujours pour les autres ! Question de chance, disent-ils…

Et pourtant, il existe bel et bien un certain ordre dans ce chaos apparent. L'observation attentive d'un très grand nombre de situations réelles, et l'analyse à posteriori de ces situations sur bases de considérations théoriques, ont permis de dégager des principes généraux, des espèces de « lois de comportement du vent ». C'est de ces principes que nous allons parler dans cet article.

Régime laminaire et régime turbulent

Le vent se déplace à une certaine vitesse. Celle que donne les bulletins météo est par convention celle observée à une hauteur de 10 m au-dessus du sol. En altitude, elle peut être beaucoup plus élevée. Et au sol, elle est forcément nulle. Il y donc une zone de transition, dans laquelle la vitesse du vent passe plus ou moins progressivement d'une valeur nulle à sa valeur nominale. On appelle cette zone la "couche limite". Pour les météorologues, ce qui se passe dans la couche limite présente en général peu d'intérêt, mais pour les marins, il en va tout autrement !

Tant que la vitesse du vent dans la couche limite ne dépasse pas 5 nœuds, on est dans ce qu'on appelle du "petit temps"; à partir de 6 noeuds ça devient "une brise". Nous donnons à ces mots un sens technique, avec valeur de définition : le petit temps, c'est au plus 5 nœuds de vent, et une brise, c'est toujours au moins 6 nœuds. Cette limite de 6 nœuds est fiable à plus ou moins un nœud près, et elle est très souvent observée en pratique, bien que certaines conditions locales puissent avoir une influence sur cette valeur (par exemple, un terrain présentant des rugosités, ou la présence d'immeubles favorisent le passage au régime turbulent, qui apparaîtra alors plutôt vers les 4 nœuds).

Attention: il ne s'agit pas simplement d'un vent plus ou moins rapide, mais bien de deux régimes de vents totalement distincts, ayant des caractéristiques très différentes. Car l'écoulement jusqu'à 5 noeuds est "laminaire"; à partir de 6 noeuds il devient "turbulent". Eh oui! Et ça va avoir d'énormes conséquences sur la manière de régler et de barrer le bateau, ainsi que sur la manière dont le vent va souffler.

En régime laminaire, tout l'écoulement dans la couche limite s'effectue parallèlement au sol. Au sein de la couche limite, en écoulement laminaire, il n'y a aucun déplacement vertical, et donc aucune turbulence. L'épaisseur de la couche limite en laminaire est généralement très faible, comprise entre 50 et 100 mètres d'altitude. Au niveau de l'eau et jusqu'à une altitude de un mètre (le niveau d'une bôme !) l'air se déplace très lentement; la force que le vent exerce à cette hauteur est donc aussi très faible.

(Rappelons que la force que le vent exerce sur une voile est proportionnelle à la surface de la voile, et au carré de la vitesse du vent. On observe que cette force est aussi plus grande lorsque le creux de la voile augmente, mais qu'une augmentation du creux de la voile entraîne hélas une augmentation de la traînée).

La vitesse du vent augmente à peu près linéairement avec l'altitude, et à 10 m, la vitesse, même si elle reste faible en valeur absolue, est très supérieure à ce qu'elle est à 1 mètre; la FORCE du vent à cette altitude est donc aussi beaucoup plus grande qu'au niveau du sol.

Donc, en régime laminaire, le haut de la voile importe beaucoup plus que le bas, parce que l'essentiel de la force propulsive vient du haut. Une autre manière de dire la même chose, c'est qu'un mètre carré de voile au niveau de la bôme développe une force nettement moins importante qu'un mètre carré en tête de mât.

En tête de mât, la DIRECTION du vent relatif est également nettement différente de ce qu'elle est en bas. En effet, le bateau avance, et un petit diagramme vectoriel vous convaincra facilement qu'en tête de mât, où le vent vrai est plus fort, le vent relatif doit être plus adonnant qu'au niveau de la bôme. Il faut donc ouvrir d'avantage le plan de voilure en tête de mât qu'au niveau de la bôme.

Conclusion: pour être efficace dans le petit temps, la voile devra avoir beaucoup de creux pour maximiser la force propulsive, et un dévers ("twist") important (plus de creux en bas qu'en haut), afin de mieux orienter le haut de la voile par rapport au vent relatif.

En écoulement turbulent, tout est différent ! Aux vitesses d'écoulement supérieures à 5 noeuds, la viscosité naturelle de l'air provoque dans la couche limite des efforts tranchants (les couches d'air frottent les unes sur les autres de manière différentielle), qui finissent par provoquer des tourbillons d'air. Imaginez des crayons disposés parallèlement les uns aux autres sur une table. Si vous placez fermement votre main sur les crayons, et que vous déplacez doucement votre main vers l'avant, vous arriverez à faire glisser ensemble les crayons sur la table. Si vous la déplacez plus brutalement, vous vous apercevrez sans doute que les crayons se mettent à « rouler » sous votre main.

Ces tourbillons modifient complètement le régime d'écoulement : en écoulement turbulent, il y a des déplacements verticaux au sein de la couche limite, et pas seulement des déplacements horizontaux, comme dans le cas d'un écoulement laminaire. Nous verrons dans les prochains articles que ce sont ces tourbillons qui sont à l'origine des rafales!

En régime turbulent, la distribution des vitesses est aussi très différente de ce qu'elle est en écoulement laminaire; à 1 m d'altitude la vitesse est déjà pratiquement la même qu'en tête de mât, de même que la force exercée par le vent. Donc, on n'a plus besoin de faire déverser la voile, puisque le bas travaille tout autant que le haut. On a aussi moins besoin de creuser la voile, parce qu'il y a bien assez d'énergie comme ça; la tendance est au contraire d'aplatir les voiles, pour minimiser la traînée (une voile creuse, de même qu'une voile déversante d'ailleurs, provoque une traînée importante, qui freine le bateau).

Enfin, en régime turbulent, l'épaisseur de la couche limite est aussi nettement plus grande qu'en écoulement laminaire: environ 500 m pour 6 nœuds, 1000 m pour 10 nœuds, 2000 m pour 20 nœuds, et ainsi de suite.

On voit qu'on a donc bien affaire à deux systèmes totalement différents. Dans la suite de cet article, nous allons étudier plus en détail ce qui se passe en écoulement laminaire.

Excitation thermique

L'eau présente une énorme inertie thermique. On observe que durant la journée, le soleil ne réchauffe que les deux ou trois premiers mètres de profondeur d'une vaste étendue d'eau, et ce d'au maximum 1/10 de degré. L'essentiel de cette chaleur est ensuite dissipée durant la nuit sous forme de rayonnement. Donc, la température de l'eau à l'échelle de la planète (océans, grands lacs) est très stable sur de longues périodes, et elle ne varie que très lentement.

Pour le sol, c'est très différent. Durant la journée, les quelques 5 premiers millimètres d'épaisseur de la croûte terrestre peuvent se réchauffer de 50 degrés et plus (l'importance du réchauffement diurne dépend évidemment de la latitude et de la saison!).

Les masses d'air se déplacent à la surface de la terre selon des régimes généraux que l'on appelle les régimes synoptiques, et qui dépendent des systèmes de hautes et basses pressions à la surface du globe. Les masses d'air peuvent parcourir de grandes distances en relativement peu de temps, tout en conservant une bonne partie de leurs caractéristiques originelles de température et d'humidité. C'est ainsi qu'une masse d'air d'origine polaire nous arrive avec une température inférieure à la température ambiante, ce qui nous la fait ressentir comme froide. Même principe pour les masses d'air tropical.

Mais les masses d'air sont néanmoins influencées par les conditions thermiques de surface ; elles sont refroidies ou réchauffées par en dessous, selon que la température de l'eau (ou du sol) est plus froide (ou plus chaude) que celle de l'air. Et ça, ça va avoir des tas de conséquences intéressantes, comme nous allons le voir!

Quand de l'air est réchauffé par en dessous, il se dilate, sa masse volumique diminue, il devient plus léger que l'air environnant, et a donc tendance à s'élever. C'est ce qu'on appelle une "ascendance thermique". Mais en montant, cet air crée un vide sous lui. Ce vide est comblé par l'air juste à côté, qui se déplace donc latéralement en entraînant avec lui de l'air de plus en plus éloigné de l'ascendance. Il est alors à son tour réchauffé, monte, et ainsi de suite. C'est ce déplacement latéral qui nous intéresse, parce qu'il crée un vent local en surface, que l'on appelle « risée ». D'autre part, en s'élevant, l'air se refroidit progressivement, et c'est le phénomène inverse qui se produit : il s'alourdit et redescend.

Le phénomène qui s'installe est donc le suivant: en surface, apparaît un vent très local (la risée), dirigé vers un centre de convergence, où se produit l'ascendance. En altitude, l'air refroidi s'écarte de la colonne ascendante et redescend (zone de subsidence). L'ensemble du phénomène s'appelle une « circulation thermique ».

Notons les grands principes : un vent froid est globalement plus régulier qu'un vent chaud, puisqu'il n'est pas excité thermiquement. Mais attention! Lorsqu'un vent froid est réchauffé par l'eau (ou le sol) en dessous, on assiste à la naissance du phénomène que je viens de décrire, et le vent devient au contraire très irrégulier. Inversement, un vent initialement chaud (et donc à caractère variable et instable) peut être refroidi par l'eau plus froide en dessous de lui, et devenir stable.

Notez bien: une différence d'un seul petit degré entre la température de l'eau (ou du sol) et de l'air suffit à provoquer ce phénomène d'excitation thermique. Nous parlons donc de quelque chose de très réel, qui se produit fréquemment. Notez bien aussi : le phénomène d'excitation thermique et la circulation qu'il engendre se superpose au vent général (qui est par définition toujours faible en régime laminaire, et qui peut même être nul).

Selon l'intensité du réchauffement, on pourra observer différentes « dispositions » du phénomène.

Thermiques isolées

Lorsque le réchauffement de l'air est très modéré, il n'y aura que des circulations d'origine thermique isolées, et complètement imprévisibles: on ne peut pas savoir où le phénomène va se déclencher, ni quand. Par contre, dès que l'on "détecte" une risée (on la sent ou on la voit), on sait que:

a) la circulation est radiale (en tous points du plan d'eau affectés par la risée, le vent souffle dans la direction de la colonne d'ascendance)

b) la vitesse du vent augmente à mesure qu'on se rapproche de la colonne d'ascendance, et elle atteint sa valeur maximale au pied de cette colonne.

Thermiques réparties de manière homogène

Si le réchauffement de l'air est plus prononcé, le phénomène décrit ci-dessus va se produire plus fréquemment, en se répartissant progressivement sur toute la surface du plan d'eau à mesure que le réchauffement s'intensifie.

Vu d'en haut, si l'on pouvait voir le vent, on apercevrait des zones hexagonales juxtaposées et réparties sur toute la surface du plan d'eau. A l'intérieur de chaque hexagone, le vent souffle de manière radiale vers le centre. Par contre, la vitesse maximale du vent n'est plus observée près de la colonne d'ascendance, comme dans le cas d'une ascendance isolée, mais au contraire à la périphérie, là où l'air redescend.

Du point de vue du barreur qui traverse un tel dispositif, le vent semble souffler de partout et de nulle part…

Thermiques réparties en rouleaux

Si le réchauffement de l'air est intense, la disposition homogène en hexagones que nous venons d'étudier fait place à une répartition en rouleaux. Tout se passe comme si il n'y avait plus assez de place à la surface du plan d'eau pour permettre à toutes les thermiques de se développer. Elles adoptent alors (assez rapidement) une disposition "en rouleaux".

Imaginez chaque thermique comme une sorte de cylindre, dont l'axe central est la colonne d'ascendance. Dans la disposition homogène, tous les cylindres sont posés verticalement (axe vers le haut) sur le plan d'eau.

Lorsque le phénomène adopte la disposition en rouleaux, tous les cylindres "basculent", axes parallèles au plan d'eau.

Il y a trois possibilités :

•  l'axe de chaque rouleau est PERPENDICULAIRE à la direction générale du vent ambiant ; on parle de risées pulsantes

•  l'axe de chaque rouleau est PARALLELE à la direction générale du vent ambiant ; on parle alors de risées oscillantes

•  cas particulier du précédent, où l'air acquiert une plus grande vitesse ; on parle de risées « en rubans »

Dans tous les cas, c'est dans les draperies (là où l'air redescend) que le vent est le plus fort, comme dans le cas des thermiques réparties de manière homogène.

Risées pulsantes

Lorsque les axes des rouleaux sont perpendiculaires à l'axe du vent ambiant, les risées dues à la circulation thermique sont orientées alternativement dans un sens et dans l'autre. La vitesse de chaque risée se superpose donc à la vitesse du vent ambiant, et s'y ajoute ou s'en retranche selon qu'elle va dans le même sens ou non que le vent ambiant. Supposons que le vent ambiant atteigne une vitesse de 2 nœuds, et que les risées dues à la circulation thermique atteignent également une vitesse de 2 nœuds. Là où la risée souffle dans le même sens que le vent ambiant, la vitesse locale du vent est de 4 nœuds ; par contre, là où la direction est opposée, la vitesse est nulle !

Du point de vue du barreur, le vent semble donc souffler par « pulsations » : la direction du vent ne varie pas beaucoup, mais son intensité varie, elle, énormément.

Les risées pulsantes sont relativement transitoires : elles ne durent en général pas très longtemps, et se transforment en général assez vite en risées oscillantes.

Risées oscillantes

Lorsque les axes des rouleaux sont parallèles à l'axe du vent ambiant, les risées dues à la circulation thermique sont à priori orientées perpendiculairement au vent, mais leurs trajectoires sont déviées par le vent ambiant. Si leur vitesse ne varie pas énormément, leur orientation en est par contre grandement affectée.

Du point de vue du barreur, le vent semble avoir toujours à peu près la même force, mais des directions qui oscillent plus ou moins régulièrement ; des bascules de 50 degrés et plus sont fréquentes.

Risées en rubans

Il s'agit d'un cas particulier de risées oscillantes : suite à l'intense excitation thermique, l'air ascendant atteint une altitude plus élevée, où le vent ambiant est sensiblement plus fort. L'air y acquiert donc une plus grande vitesse, qu'il conserve en partie lors de la redescente.

En arrivant à la surface de l'eau, il a toujours une partie de cette vitesse, et « creuse » des « sillons » dans l'eau. Le frottement avec l'eau le ralentit assez rapidement, et le résultat général est une alternance de « rubans » parallèles, alternativement sombres (là où règne un vent assez fort) et miroitants (là où il n'y a plus de vent).

Aspects pratiques

Les risées d'origine thermique ont toutes cette particularité qu'elles ne se déplacent pas (ou assez lentement) vers le barreur. C'est la nature de la thermique qui dicte la direction dans laquelle la risée souffle, et pas le vent ambiant. Donc, pour bénéficier de ces risées, il est nécessaire d'aller les chercher!

En théorie, les risées décrites ci-dessus laissent à la surface de l'eau des traces caractéristiques, qui permettent de les identifier sans ambiguïté. De fait, si l'on pouvait surplomber le plan d'eau d'assez haut, ces traces seraient bien visibles.

•  Les risées provenant de thermiques isolées marquent la surface de l'eau de manière très locale par des zones plus sombres ; le reste du plan d'eau conserve son aspect miroitant.

•  Les thermiques réparties de manière homogène recouvrent la totalité de la surface du plan d'eau, qui acquiert l'aspect d'un damier.

•  Dans le cas des thermiques disposées en rouleaux perpendiculaires (risées pulsantes), le plan d'eau est strié de bandes alternativement sombres et miroitantes disposées perpendiculairement à l'axe du vent ambiant.

•  Dans le cas des risées oscillantes, les bandes sont alignées avec la direction du vent ambiant.

•  Les risées en rubans ne sont pas notablement différentes des risées oscillantes.

Malheureusement, du point de vue du barreur, les choses sont beaucoup moins simples. Parce que son œil se situe à environ un mètre de la surface, le barreur ne peut pas voir au-delà d'une cinquantaine de mètres. C'est en général insuffisant pour distinguer clairement une disposition de l'autre, surtout en mer. Le vent que l'on ressent à bord est souvent plus révélateur du type de « pattern » qui s'est vraisemblablement installé, que l'observation visuelle, et constitue une véritable signature.

D'autre part, l'expérience et l'observation suggèrent que les « patterns » que nous venons de décrire sont tout à fait réguliers, au sens où :

•  une disposition particulière est TOUJOURS associée à une intensité de réchauffement donnée

•  une disposition particulière EXCLUT toutes les autres ; il n'y a jamais coexistence de deux patterns distincts

•  la progression des patterns est toujours la même : thermiques isolées, thermiques réparties, risées pulsantes, risées oscillantes, risées en rubans, dans cet ordre-là

•  les thermiques réparties et les risées oscillantes peuvent se maintenir assez longtemps ; les autres dispositions ont un caractère plus transitoire. Le passage d'une disposition à l'autre est toujours relativement rapide, de l'ordre de quelques minutes

•  la dimension caractéristique d'une circulation thermique est de l'ordre de la centaine de mètres

L'observation attentive de l'environnement, liée à un peu de logique et à la compréhension des mécanismes en jeu, donne au barreur la possibilité de traiter chaque situation de manière probabiliste. Sur base de l'image mentale du plan d'eau et de ce qui s'y passe vraisemblablement, il est alors en mesure de définir une tactique lui permettant de se placer là où le vent doit théoriquement être le plus fort, et de bénéficier ainsi d'un avantage évident.

Selon le type de pattern en place, on peut dégager quelques principes :

•  Dans le petit temps, le bateau le plus rapide est celui qui parvient à bénéficier le plus longtemps d'un vent plus fort ; il est donc en général avantageux de se dérouter pour aller chercher la risée (privilégier la vitesse).

•  Dans le cas des thermiques réparties de manière homogène, il faut essayer de rester dans les « draperies », là où le vent redescend, et où il est le plus fort. Ce pattern est certainement l'un des plus difficiles à gérer.

•  Pour les dispositions en rouleaux, il est toujours préférable d'aller chercher la risée suivante en remontant le vent plutôt qu'en le descendant, car sous l'effet du vent ambiant, l'ensemble du système à tendance à se déplacer, et en allant chercher la risée sous le vent, on risque fort de courir longtemps. De même, on a intérêt à lofer dans les molles, de manière à raccourcir la distance parcourue dans la zone sans vent ; inversement, on abattra dans la risée, pour bénéficier plus longtemps du vent plus fort.

Conclusions

En régime laminaire, lorsque la vitesse du vent ne dépasse pas 5 nœuds, des phénomènes d'excitation thermique peuvent engendrer des circulations d'air (les risées) qui se disposent toujours selon un ordre dicté par l'intensité du réchauffement.

Article rédigé par JM Ghyoot,
Photos de N.Genette www.kiphoto.net
Avec la "participation intellectuelle" de C Fraboulet
Janvier 2004