Ascendance thermique

 

Ascendance thermique

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Ciel pavé de cumulus

L’ascendance thermique, ou bulle de convection, est le mouvement vertical de l'air causé par la poussée d'Archimède due au différentiel de température entre l'environnement et une parcelle d'air. En été, les ascendances thermiques sont provoquées par un échauffement important du sol par le soleil qui est pratiquement à la verticale tandis que pendant la saison froide, les ascendances thermiques peuvent être provoquées par l'advection d'une masse froide au-dessus d'un sol encore relativement chaud.

Ces ascendances sont très prisées par les oiseaux, mais aussi par les humains à bord d'aéronefs sans moteur (vol à voile, parapente, deltaplane, ...) pour gagner de l'altitude et sont présentes à peu près partout. Par beau temps, un après-midi de printemps ou d'été, le ciel se remplit souvent de nuages cotonneux appelés cumulus de beau temps dont la formation indique l'emplacement de ces thermiques. Cependant, ces ascendances peuvent aussi donner des vitesses ascensionnelles très grandes, lorsque l'air est très instable, qui sont associées à la formation de nuages d'orage très dangereux.

Sommaire

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Principe [modifier]

Article principal : Convection atmosphérique.
Ascendance thermique

Une ascendance thermique se produit quand la température d'une parcelle d'air à un niveau donné est plus chaude que l'environnement et doit monter selon la poussée d'Archimède. Cela peut se produire par un réchauffement du sol par le Soleil, par un refroidissement des niveaux moyens ou par un réchauffement différentielle du sol entre deux zones. Plus le différentiel de température est important, plus la probabilité de trouver un thermique sera forte. Une ascendance thermique a en général une vitesse verticale de plusieurs mètres par seconde et peut donc être utilisée par les oiseaux, les planeurs et autres aéronefs.

Ainsi en montagne, les falaises tournées à l'ouest ou au sud sont de bonnes sources de thermiques car directement opposées au Soleil tandis les forêts tournées au nord sont des sources de descendances. En effet, d'une part ces arbres reçoivent peu d'énergie solaire et d'autre part ils utilisent cette énergie pour leur croissance et pour transpirer de la vapeur d'eau. En été, les étendues d'eau sont aussi des sources de descendances car plus froides que le sol environnant. À contrario, un stationnement d'hypermarché est une excellente source de thermiques car le sol et les voitures absorbent énormément d'énergie et donc réchauffent la couche d'air près du sol. Les villes où les habitants utilisent des climatiseurs sont aussi de bonnes sources de thermiques car une pompe à chaleur chauffe l’extérieur de la maison et donc engendre des ascendances.

Déclenchement des ascendances [modifier]

Les ascendances thermiques sont le plus souvent dues au réchauffement diurne. Par une nuit claire, le sol se refroidit par rayonnement et devient plus froid que l'air environnant le surplombant. En fin de nuit, se produit une inversion de température et il n'y a alors absolument aucune ascendance thermique. En milieu de matinée, le sol se réchauffe et finalement sa température devient supérieure à celle de l'air environnant. Le processus convectif commence alors.

Par contre, si une masse d'air froide envahit une région où le sol est plus chaud (ex. passage d'un front froid ou masse d'air arctique passant sur un lac non gelé), il se crée le même genre de différentiel de température entre le sol et l'altitude. Ceci peut se produire à n'importe quel moment de la journée ou de la nuit.

Bulles de convection [modifier]

Les ascendances ont des formes très variées qui dépendent des conditions aérologiques du moment. En milieu de matinée, les ascendances thermiques diurnes ont généralement la forme de bulles d'air isolées ayant la structure d'un tore[1][2] Plus tard dans la journée, les bulles isolées se muent en colonnes continues d'air chaud. Ces colonnes ne sont pas nécessairement circulaires. Par vent fort, les ascendances peuvent être allongées dans la direction du vent et être étroites dans la direction opposée.

De plus, le long d'une pente exposée à l'ouest se produiront l'après midi des vents anabatiques tout le long de la pente (phénomènes de brises). Ces ascendances peuvent être confondues avec des ascendances orographiques. Elles seront particulièrement mises en valeur en présence d'un vent synoptique d'ouest même faible.

Matérialisation des ascendances [modifier]

On peut considérer qu'une parcelle d'air chaud qui s'élève ne se mélange pas avec l'air extérieur et donc son taux de vapeur d'eau reste constant. En s'élevant, la parcelle d'air se détend adiabatiquement et donc se refroidit suivant l'adiabatique sèche (9,75 ⁰C/km). À partir d'une certaine altitude, la parcelle sera saturée en vapeur d'eau et un cumulus se formera. Il est à noter que lorsque la couche d'inversion est basse ou que la différence entre point de rosée et température est trop importante aucun nuage ne se formera et l'on parlera alors de thermiques purs. En cas de vents forts, les ascendances peuvent s'aligner et pourront être matérialisées par des rues de nuages.

Modèle simplifié des ascendances thermiques [modifier]

Dans la boîte déroulante qui suit, un modèle numérique des ascendances thermiques est exposé qui confirme plusieurs règles empiriques. Ainsi, il est dit que la distance entre 2 thermiques exploitables est égale à 3 fois la hauteur de la colonne ascendante[3], et qu'une ascendance de n nœuds va atteindre l'altitude de n × 1000 pieds[4], [5],[6]. Sachant qu'1 nœud est approximativement égal à 100 pieds/minute, le temps nécessaire T pour atteindre le sommet de l'ascendance est donc

 T = {H over W}  = {n 	imes 1000 {
m pieds} over n 	imes 100 {
m pieds/minute}} = 10 minutes

H est la hauteur de l'ascendance et W est la vitesse verticale du courant ascendant. Une étude faite sur les vols effectués en 2007 lors de la Compétition Lilienthal a montré que les pilotes de planeur atteignaient le sommet des ascendances en 700 secondes[7]. En tenant compte du temps passé à centrer l'ascendance, cette dernière étude corrobore la formule empirique plus haut qui exprime que le temps passé à atteindre le sommet de l'ascendance est de 10 minutes soient 600 secondes.

Vol à voile [modifier]

Les ascendances thermiques sont communément utilisées par les pilotes de planeur, d'aile volante ou de parapente. Vu que la vitesse de chute d'un planeur est de 1 m/s ou moins et que ces ascendances sont de l'ordre de plusieurs mètres par seconde, un planeur peut donc spiraler dans cette colonne et gagner de l'altitude.

Efficacité des différents types de planeur [modifier]

Soit heta l'angle d'inclinaison du planeur dans le virage, v sa vitesse horizontale. Le rayon de la spirale sera :

 r = {v^2 over g 	an 	heta}

g pprox 10 m/s^2 est l'accélération de la pesanteur.

Ainsi, un planeur volant à 40 nœuds (20 m/s) incliné à 45 degrés effectuera un cercle de rayon

 r = {20^2 over 10 	imes 1} = 40 mètres.

Une « grande plume » (planeur de classe libre) devra voler à 100 km/h soit environ à 30 m/s. Son rayon deviendra

 r = {30^2 over 10 	imes 1} = 90 mètres.

Si le pilote de la grande plume incline son planeur à seulement 30 degrés, son rayon deviendra

 r = {30^2 over 10 	imes 1/sqrt{3}} = 156 mètres.

Comme il est vu dans la boîte déroulante, le rayon des ascendances est de l'ordre de 70 mètres. En pratique, le diamètre des ascendances varie entre 150 mètres et 300 mètres[7]. Par conséquent, une « grande plume » aura beaucoup plus de mal à spiraler dans les ascendances et même dans certains cas, un planeur modeste sera capable de grimper efficacement tandis que la « grande plume » ne pouvant pas centrer le même thermique pourra finir dans un champ « aux vaches ».

Démonstration de la formule donnant le rayon de la spirale [modifier]

Thermiques et nuages convectifs [modifier]

Articles détaillés : Vol à voile et Cumulonimbus et aviation.
Nuage d'orage formé par ascendance thermodynamique.

Les bulles de convection sont bien connues des pilotes de planeurs et des oiseaux qui les utilisent pour soutenir leur vol. Si elles sont dues au réchauffement diurnes de la surface, elles sont alors nommées « thermiques ». Lorsque l'utilisateur trouve un thermique, souvent repérable par la présence d'un cumulus, il se met à décrire des spirales et tente de trouver la meilleure zone de montée. Celle-ci l'élèvera jusqu'à ce qu'il rencontre la base des nuages. Par contre, elle peuvent aussi être basées en altitude et être seulement le fait de l'instabilité de l'environnement. Elle se repère alors par la présence de tourelles au sommet de nuages stratiformes de l'étage inférieur à la couche instable.

Les bulles de convection peuvent être bénignes ou très puissantes. Le second cas est souvent associée avec les cumulonimbus où le mouvement ascendant est de deux types : thermique et mécanique. Les formules dans la boîte déroulante ne sont applicables que pour la partie thermique de ce mouvement. Elles ignorent les différentiels de pression en fonction de l'altitude, dus à la différence de pression entre une basse pression en altitude et une haute pression au sol, qui va aspirer l'air à l'instar d'un aspirateur à l'intérieur du nuage. Il peut donc y avoir une vitesse ascensionnelle non nulle localement près ou dans un orage même si la poussée d'Archimède y est négative et donne une ascendante thermique négative selon la formule.

Les cumulonimbus développent beaucoup d'énergie et sont généralement dangereux pour la pratique aérienne. Il est donc fortement recommandé d'éviter ces nuages sauf dans des cas limités. En outre, la partie supérieure d'un cumulonimbus est constituée de cristaux de glace ce qui différencie ces nuages des gros cumulus. En effet, le second changement de phase de l'état liquide à l'état solide engendre une production supplémentaire d'énergie qui rend ces nuages encore plus violents. On remarquera que même les cumulus congestus peuvent être dangereux et engendrer des tornades[14].

La hauteur h, exprimée en mètres, de la base des cumulus dépend de la différence entre la température et le point de rosée. Une formule approchée pour calculer la base d'un cumulus est la suivante : h = 1250 	imes (T - D)T est la température en K (ou ⁰C) et D est le point de rosée exprimé en K (ou ⁰C).

Ainsi, une différence de 12 K entre T et D engendrera une base de cumulus à 1500 m. Cependant, cette formule n'est pas valable lorsque l'ascendance thermique se produit le long d'une montagne exposée au soleil. L'air ascendant va lécher la pente qui est encore chaude. Cette masse d'air va donc se refroidir à un taux inférieur à l'adiabatique sèche et par conséquent, l'ascendance sera plus vigoureuse et la base du nuage associé sera plus élevée[15].

Autre effet [modifier]

Ces bulles de convection forment une petite zone où l'air est plus chaud que l'environnement et dont la densité est donc différente ce qui donne une réfraction des ondes sonores et électromagnétiques qui la traversent, causant des artefacts. La déviation des signaux sonores et électromagnétiques lors du passage dans ces bulles est la cause de nombreuses illusions, des mirages localisés. Ils sont ainsi présenté par Donald Menzel comme explication de nombreux cas ovnis[16],ce phénomène étant généralement mal connu des ufologues. Ce phénomène a été repris par Auguste Meessen comme explication de certains faux échos radar (échos parasites) lors de la vague belge d'ovnis[17],[18].

Références [modifier]

  1. (de) Reichmann, H, Streckensegelflug, Motorbuch Vlg., Stuttgart, 1975. 
  2. (en) Reichmann, H, Cross-Country Soaring, Soaring Society of America, 1978 (ISBN 1-883813-01-8) 
  3. a et b Advanced soaring, p. 45
  4. a et b Météorologie du vol libre, p. 214
  5. a et b Modèle numérique des thermiques, p. 6
  6. a et b Advanced soaring, p. 68
  7. a et b Sky full of heat, p. 224
  8. Modèle numérique des thermiques
  9. (en)Shannon et al., « Measurements of thermal updraft intensity over complex terrain using american white pelicans and a simple boundary-layer forecast model », Boundary-Layer Meteorology, 2002 
  10. a et b (en)Lenschaw D, Stepens P, « The role of thermals in the convective boundary layer », Boundary-Layer Meteorology, 1980 
  11. a et b (en) Bretherton, « Turbulent fluxes and TKE budgets » [archive], 2011. Consulté le 2011-12-26
  12. (en) Dr. Jack Glendening, « Thermal Updraft Velocity (W*) » [archive]. Consulté le 2012-01-03
  13. Cotton et Anthes, p. 467
  14. Cotton et Anthes, p. 535
  15. Advanced soaring, p. 166
  16. The Ufo Enigma: The Definitive Explanation of the Ufo Phenomenon,Donald Menzel et Ernest H.Taves, Doubleday, mars 1977,(ISBN 978-0385035965)
  17. Étude approfondie des mystérieux enregistrements radar des F-16 [archive]
  18. Vague d'Ovni sur la Belgique tome2, éditions Sobeps

Bibliographie [modifier]

  • [Storm and Cloud Dynamics] (en) William Cotton et Richard Anthes, Storm and Cloud Dynamics, vol. 44, Academic Press, coll. « International geophysics series » (ISBN 0-12-192530-7) 
  • [Météorologie du vol libre] (en) Dennis Pagen, Understanding the sky, Dennis Pagen Sport Aviation Publications, 1992, 280 p. (ISBN 0-936310-10-3) 
  • [Modèle numérique des thermiques] (en) Michael Allen, Updraft Model for Development of Autonomous Soaring Uninhabited Air Vehicles, American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2005 [lire en ligne (page consultée le 2012-07-26)] 
  • [Advanced soaring] (en) Bernard Eckey, Advanced Soaring made easy, second edition, West Lakes, SA, 2009, 336 p. (ISBN 978-09807349-0-4) 
  • [Sky full of heat] (en) Sewbastian Kawa, Sky full of heat, Elay & SCG, 2012, 342 p. (ISBN 978-1481147354)


11/06/2013
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