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M�t�orologie �l�mentaire
La turbulence Dans un fluide, tout mouvement qui ne suit pas l'�volution g�n�rale du flux moyen est dit turbulent. Pour d�terminer ce flux moyen, il est indispensable de d�finir une �chelle de r�f�rence. De cette mani�re, un ph�nom�ne turbulent relativement � une �chelle peut, � l'�chelle inf�rieure, repr�senter correctement le mouvement moyen du fluide, par rapport auquel d'autres mouvements � plus petite �chelle jouent le r�le de mouvements turbulents. Par exemple : - Les d�pressions mobiles donnent le flux moyen � l'�chelle synoptique mais constituent des ph�nom�nes de turbulence lorsqu'on �tudie la circulation g�n�rale moyenne de l'atmosph�re, - les brises de terre et de mer sont des ph�nom�nes de turbulence � l'�chelle synoptique. Il est donc indispensable de d�finir le plus exactement possible la turbulence � l'�chelle a�ronautique. D�finition L'atmosph�re est dite turbulente, � l'�chelle a�ronautique, lorsque la distribution des mouvements d'air subit des variations brusques et importantes provoquant des secousses brutales, de fr�quentes embard�es et contraignant le pilote � ramener continuellement l'avion en ligne de vol. Les tourbillons capables de tels effets ont une dimension comprise entre 10 et 150 m�tres de diam�tre. Les secousses peuvent �tre consid�r�es comme d�crivant tout mouvement de l'avion clairement perceptible, r�sultant de la turbulence atmosph�rique, de faible longueur et de peu de dur�e et impossible � corriger par les m�thodes normales de contr�le. En pratique, ces secousses ont une telle p�riodicit� qu'elles entra�nent des troubles physiologiques chez les passagers. Une d�finition moins restrictive des secousses inclut des mouvements � plus grande �chelle qui peuvent �tre partiellement contrecarr�s par le pilote. Ces mouvements � plus grande �chelle sont suffisamment intenses pour �tre significatifs dans deux situations: dans les orages et dans les ondes de relief. Effets de la turbulence a�ronautique La turbulence peut entra�ner une perte de contr�le momentan�e de l'appareil, des troubles physiologiques et des d�g�ts � la structure de l'appareil. De plus, notons la difficult� d'atterrir et de d�coller dans des conditions de turbulence s�v�re et la difficult� de maintenir une altitude constante dans une atmosph�re turbulente.
Pendant les orages, les rafales de vent peuvent atteindre 40 � 60 noeuds et elles se produisent g�n�ralement avec de brusques changements de direction. Notons encore que la vie d'un avion est limit�e par la fatigue du m�tal associ�e � des rafales r�p�t�es. Finalement les statistiques montrent que 73% des accidents aux passagers sont dus � la turbulence; ces accidents interviennent lorsque les passagers dont la ceinture de s�curit� n'est pas boucl�e ou sont de botu dans le couloir de l'avion et sont projet�s dans l'avion ou lorsque des passagers sont atteints par des objets volants dans la carlingue dans des conditions de turbulence inattendue. En conclusion, si vous �tes un jour passager d'un avion, si les stewarts vous demandent de rester assis, de boucler votre ceinture et de placer vos objets dans les �tag�res, c'est avant tout pour votre s�curit� ! Sources de la turbulence Les sources principales de turbulence, qu'elles soient naturelles ou artificielles, peuvent �tre class�es en 5 cat�gories. Par ordre d'importance nous trouvons : 1. La turbulence d'origine m�canique; dans les couches de frottement, 2. La turbulence due aux ondes de relief, 3. La turbulence d'origine convective, dans et sous les nuages cumuliformes, 4. La turbulence artificielle cr��e par le sillage des avions, 5. La turbulence en ciel clair (CAT) due � l'�nergie du flux moyen � haute altitude. La turbulence dans la couche de frottement Cette turbulence r�sulte principalement de l'action des irr�gularit�s du sol sur le mouvement des particules d'air dans les basses couches. Le spectre de cette turbulence est tr�s �tendu et d�pend des dimensions des irr�gularit�s du terrain. L'intensit� de la turbulence d�pend de la vitesse et de la direction du vent, des irr�gularit�s du terrain, de la hauteur de vol au-dessus du sol, de la stabilit� des basses couches et �ventuellement de la lib�ration de chaleur latente de condensation (lorsqu'il y a formation de nuages bas). Cette couche de fiction atteint environ 500 pieds pour un vent soufflant � 5 noeuds mais peut atteindre 2000 pieds d'�paisseur si le vent souffle � 20 noeuds. Le r�chauffement ou le refroidissement du sol joue un grand r�le comme source d'�nergie de turbulence et pour l'�paisseur de la couche de frottement (couche de m�lange). Ce genre de turbulence est toujours important pour les atterrissages et les d�collages et pour tout vol � basse altitude (en avion mais aussi en parapente, ULM, y compris pour les parachutistes). La turbulence due aux ondes de relief La turbulence due aux frottements intervient pr�s du sommet des montagnes. Cependant la turbulence la plus s�v�re n'est pas issue de ce processus mais de la pr�sence d'ondes de gravit� qui prennent naissance sous le vent du relief. Le mouvement ondulatoire lui-m�me est souvent doux bien que des vitesses verticales de 5 � 10 m/s ne soient pas exceptionnelles dans des ondes engendr�es par un relief d'altitude mod�r�e. La turbulence se rencontre en traversant ces ondes; les rafales de vent rencontr�es peuvent atteindre 25 m/s (pour une moyenne de 5 � 12 m/s) soit des vitesses qui peuvent entra�ner des d�g�ts � la structure de l'appareil. Il est donc n�cessaire d'aborder ces r�gions � vitesse r�duite car la turbulence s'y manifeste sans aucun avertissement. Remarquons que la turbulence la plus violente se manifeste au bord des ondes par suite de l'interf�rence avec le flux g�n�ral de l'air. Cette turbulence orographique se ressent au-dessus des collines jusqu'� une hauteur atteignant le tiers de la hauteur du relief mais elle atteint 3 fois la hauteur de la montagne pour les reliefs les plus �lev�s (massif alpin, etc).
La turbulence d'origine convective Ce type de turbulence s'observe dans et sous les nuages cumuliformes et principalement les cumulonimbus. En fait, on peut l'observer dans tous les nuages instables quelle que soit la cause de d�clenchement de l'instabilit� : fronts, orographie, etc. L'instabilit� cr�e des mouvements verticaux organis�s. Nous avons vu � propos des orages que les supercellules constitu�es de plusieurs cumulonimbus sont le si�ge de mouvements ascendants et descendants; il existe donc entre les deux courants un mouvement de cisaillement (shearing) formant une zone de turbulence s�v�re. Cette turbulence est localis�e dans l'espace et dans le temps et, �tant donn� la dur�e de vie d'une cellule, l'intensit� de la turbulence est tr�s variable. Elle est tr�s difficilement pr�visible avec exactitude dans un cas bien pr�cis.
Lorsque cette turbulence forme une colonne d'air ascendant elle peut �tre mise � profit par les pilotes de planeurs; ce sont les fameux "thermiques". Cette zone convective leur offre l'opportunit� d'acc�l�rer et de monter en altitude avec la possibilit� de parcourir de grandes distances. Dans une masse d'air sec on observera des thermiques purs, tandis que dans une masse d'air humide les thermiques seront balis�s par des nuages cumuliformes. Je vous propose de consulter le chapitre consacr� au vol � voile pour plus de d�tails. Citons �galement pour m�moire l'effet Kelvin-Helmholt-Wellen, KHW en abr�g�, qui participe � la cr�ation des nuages form�s par turbulence, tel l'exemple pr�sent� � gauche, y compris en ciel clair. Reportez-vous au chapitre consacr� aux nuages form�s par turbulence pour d'autres illustrations. La turbulence artificielle La turbulence provoqu�e par un avion peut repr�senter un danger potentiel. Les grands avions � forte charge alaire provoquent la formation de tourbillons de bout d'aile qui peuvent entra�ner une turbulence s�v�re dans une zone �troite derri�re l'avion. Ceci peut constituer un danger s�rieux lorsqu'un petit avion tente d'atterrir derri�re un plus gros.
Les tourbillons sont entra�n�s par le vent et leur intensit� diminue lentement avec la distance de telle mani�re que la situation la plus critique se pr�sente lorsqu'il y a peu ou pas de vent de travers et lorsque l'air est tr�s stable (inversion de temp�rature).
La turbulence en atmosph�re claire (CAT) Bien que certains types de turbulence pr�cit�s puissent intervenir en atmosph�re limpide (couche de frottement, ondes de relief) nous devons traiter maintenant la turbulence que l'on rencontre en atmosph�re claire en dehors des zones d'influence orographique et des zones perturb�es. Elle peut �tre observ�e � moyenne et haute altitude sans qu'on puisse affirmer qu'elle soit, aux niveaux moyens, compl�tement ind�pendante de l'action perturbatrice du sol. Contrairement � la turbulence li�e aux nuages, au relief, etc, qui se manifeste de mani�re d�sordonn�e, la turbulence en atmosph�re claire pr�sente un aspect plus r�gulier rappelant les cahots ressentis par "une automobile rapide qui roulerait brusquement sur une s�rie de profondes orni�res dont la pr�sence n'aurait pas �t� d�cel�e auparavant" (impression d'un pilote anglais). La fr�quence des secousses para�t constante pendant la travers�e d'une m�me zone turbulente. Cette fr�quence varie �videmment avec la vitesse de l'avion et avec chaque situation, mais elle est de l'ordre de 2 � 4 sursauts par seconde. Cette turbulence r�sulte d'une brusque augmentation de la vitesse du vent et/ou d'un net changement de la direction du vent avec l'altitude. De telles variations entra�nent, par viscosit�, la formation de tourbillons dans la zone de discontinuit� et sont li�es � la variation du vent avec l'altitude. Ces variations existent principalement au niveau de la tropopause et au bord des jets streams qui font l'objet du prochain chapitre; la turbulence en atmosph�re claire se rencontre donc principalement � ces niveaux (� partir du FL200).
Il est important de noter que le degr� de turbulence est diff�remment estim� par les pilotes en fonction de leur personnalit�, de leur fatigue, du type d'avion et de la nature du vol; lors d'un exercie de combat a�rien par exemple le pilote est pr�t � supporter des conditions de vol tr�s stressantes alors qu'un vol de longue distance au flight level se d�roule en g�n�ral de mani�re "relax". Le premier pilote ne ressentira pas le m�me CAT de la m�me mani�re que le second. Toutefois, les points de vue sont plus faciles � concilier lorsque la turbulence est s�v�re ou violente. Les observations de turbulence effectu�es � haute altitude donnent les r�sultats suivants : - CAT l�g�re : 75% des cas - CAT mod�r�e : 15-20% des cas - CAT s�v�re : 5-10% des cas - CAT violente ou extr�me : 1% des cas De plus dans 66% des cas, la turbulence est associ� � un jet stream D�tection de la turbulence et des a�rosols Outre les cartes synoptiques qui r�v�lent la position des fronts et les cartes d'altitude qui permettent de localiser les courants jets associ�s, il existe aujourd'hui des moyens �lectroniques pour d�tecter la turbulence en atmosph�re claire. Ces syst�mes font appel � des diodes d'�mission laser �mettant des impulsions � tr�s basse fr�quence ou reposent sur des d�tecteurs infrarouge dont le fonctionnement sort du cadre de cet article.
Le centre de recherche a�ronautique Dryden de la NASA a test� avec succ�s ce genre d'appareil, utilisant un Lidar (Light Detection and Ranging) qu'ils ont fix� sur la carlingue d'un avion. Ainsi que nous le verrons, le Lidar a de multiples applications et peut par exemple visualiser les couches nuageuses, mesurer le stress subit par la structure d'un avion et diagnostiquer les �ventuels dommages sur l'appareil. L'industrie a�ronautique a test� les premiers prototypes en l'an 2000 et les a install�s depuis sur ses longs-courriers. Prochain chapitre Retour � la M�t�orologie
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