Les Ballons-sondes : de faux OVNI
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Les Ballons-sondes
Le ballon-sonde a été inventé par Gustave Hermite en 1892. Un ballon-sonde (sounding balloon en anglais), dans les domaines de la météorologie et de l'astronautique, est un ballon libre non habité, utilisé pour faire des mesures locales dans l'atmosphère. Son principal intérêt est de pouvoir atteindre des altitudes d'environ 30 km voire plus, ce qu'il est impossible de faire avec des moyens plus conventionnels tels que les avions. Son prix est par ailleurs sans commune mesure avec celui d'un satellite.
Ballon plafonnant (« Ballon qui, après une phase ascensionnelle, évolue à des altitudes correspondant à une valeur prédéterminée de la pression atmosphérique », d'après la définition du B.O. n° 4 du 26 janvier 2006)
Types de ballons-sondes
Il existe plusieurs types de ballons-sondes :
Les ballons-sondes standards gonflés à l'hélium pouvant emporter des charges importantes en haute altitude. Dans ce cas, le ballon est fermé et en composés élastiques, ce qui implique qu'il éclate aux environs de 30 km à cause de la pression très faible régnant à cette altitude ;
Ballon gonflé à l'hydrogène
Les ballons ouverts : constitués d'une enveloppe légère, ils sont ouverts par le bas et permettent ainsi à l'hélium de sortir au fur et à mesure de la montée. Ils peuvent atteindre jusqu'à 45 km d'altitude et y rester jusqu'à 4 jours. Ce type de ballon-sonde représente la majorité des ballons lancés dans un cadre scientifique ;
Les ballons pressurisés gonflés à l'hélium. Ceux-ci sont constitués d'une enveloppe rigide les empêchant d'éclater. Ils peuvent ainsi rester des semaines dans l'atmosphère — entre 10 et 20 km — et permettent de réaliser des expériences de longue durée, pouvant survoler des terrains différents ;
Ballon météo
Les ballons infrarouge : l'enveloppe est souvent aluminisée et permet l'entrée des rayons infrarouges du Soleil, ce qui permet de chauffer l'air contenu dans le ballon de manière continue et ce même à haute altitude. Le jour, le ballon monte à environ 28 km et descend la nuit vers 20 km. Le grand intérêt de ce type de ballon est leur très longue durée de vie ; des vols de plusieurs mois ont ainsi déjà été réalisés et permettent de faire plusieurs fois le tour du monde !
Constitution
Ballon météo avec sa cible radar, et débris photographiés à Fort Worth.
On voit les restes noircis du ballon en néoprène aux pieds du général Ramey et de son adjoint, le colonel DuBose.
Un ballon-sonde est constitué d'une chaîne de vol, composée par :
Le ballon lui-même, tirant le reste de la chaine
Un parachute dans la plupart des cas, afin de permettre une descente en douceur
Un transpondeur permettant aux contrôleurs aériens de connaître sa position — ou un réflecteur radar pour les ballons les plus simples
Une ou plusieurs nacelles, pouvant souvent se détacher à des phases différentes du vol, si nécessaire chacune avec son parachute et/ou son propre transpondeur. C'est la nacelle (le panier en osier et moins utilisé que la simple boîte) qui contient les expériences.
Utilisation
La plupart des ballons expérimentaux ont un but d'étude de l'atmosphère (par exemple : la couche d'ozone) et sont mis en œuvre par des professionnels tels que le CNES ou des universités. Il existe aussi des ballons météo dont le but est de relever la température, l'humidité, la vitesse et la force des vents qui aident à l'élaboration de prévisions météorologiques : il s'agit des radio-sondages. En France, il existe 7 stations de radio-sondage qui lâchent un ballon météo, certaines de manière automatique, a 0h UTC et 12h UTC.
Enfin, il faut préciser que les ballons-sonde peuvent être également mis en œuvre par des amateurs, notamment des clubs aérospatiaux et les radioamateurs. Il s'agit plus ici d'une conception ludique et technique que purement scientifique.
Des ballons à l'école
Les ballons sondes sont de formidables vecteurs pour les expériences. C'est pour cela que le CNES en partenariat avec Planête Sciences permet aux jeunes de créer eux même leur(s) expérience(s). Celles-ci seront alors accrochées dans une nacelle qu'un ballon en latex emmènera à 25-30kms d'altitude.
Ces expériences menées déjà dans de nombreuses écoles (~150 par an) permettent aux élèves d'étudier l'atmosphère, la pollution, de prendre des photos ou des films à des altitudes diverses...
"Un ballon pour l'école" (UBPE) est un moyen qui permet aux plus jeunes de mettre en oeuvre leurs propres expériences "en vrai".
Statistiquement et grâce à l'autocollant posé sur la nacelle on récupère 2 ballons sur 3.
Dans certaines régions, les radioamateurs sont mis à contribution pour la récupération du ballon. Un module GPS associé à un émetteur et à une interface APRS permet une localisation précise en temps réel de la nacelle pendant presque tout le vol. La recherche au sol s'effectue ensuite par radiogoniométrie classique. Le taux de récupération peut alors atteindre 100%. Les élèves peuvent suivre le déplacement du ballon sur un fond de carte grâce à un logiciel approprié.
http://fr.wikipedia.org/wiki/Ballon-sonde
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Aérologie
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L'aérologie est l'étude expérimentale in situ des caractéristiques physiques et chimiques de la troposphère et de la stratosphère[1]. C'est une technique de la météorologie où on utilise les radiosondes, les satellites, les données venant d'avions de ligne et de fusées.
Sommaire[masquer] |
Principes [modifier]
On constate que dans l'atmosphère terrestre:
- La température diminue avec l'altitude, de manière plus ou moins régulière, dans la partie inférieure appelée troposphère, de 5 à 7°C par tranches de 1 000 m jusqu'à une altitude de 10 à 20 km ;
- La température se stabilise ensuite sur une certaine épaisseur dans la tropopause puis se met à augmenter. Cette nouvelle portion de l'atmosphère se nomme la stratosphère. Le réchauffement y est due à l'absorption par la couche d'ozone de la plus grande partie du rayonnement ultraviolet que la Terre reçoit du Soleil.
Les variations de température et de pression ci-dessus ne sont que moyenne. La répartition réelle dépend de l'énergie solaire absorbée ainsi que des échanges latéraux. Les régions polaires reçoivent moins d'énergie que les régions tropicales et la structure de pression et de température avec l'altitude sera donc différente entre ces deux zones. En plus, les échanges d'énergie se produisant par circulation atmosphérique feront que la structure de P et T est unique au-dessus de chaque point de la surface terrestre.
Cependant, si on prend une parcelle d'air où P et T sont définis et qu'on la change d'altitude, le changement de pression amènera un changement de température, qu'on peut approcher par selon la loi des gaz parfaits:
où
- P est la pression ;
- T est la température ;
- V est le volume de la parcelle.
Cette loi dite de Mariotte ou des gaz parfaits ne s'applique pas parfaitement à l'air atmosphérique puisque V est infini (système ouvert) et que l'air n'est pas un gaz parfait. Toutefois l'approximation est acceptable sous les hypothèses suivantes :
- La gravité terrestre restreint la majorité de l'air dans une épaisseur de quelques dizaines de kilomètres au-delà de laquelle on peut considérer que l'atmosphère se « termine ». Ceci nous donne un système presque fermé avec la pression atmosphérique proportionnelle au poids de la colonne d'air qui surmonte le point où nous la mesurons et qui décroît avec l'altitude : c'est la loi de Laplace.
- L'air est un mélange de gaz dont certains changent de phase si on change la pression et/ou la température, en particulier la vapeur d'eau. On doit donc tenir compte de l'énergie libérée ou absorbée lors de ce changement, appelée énergie latente.
- On soulève de manière adiabatique, c'est-à-dire sans qu'il n'y ait transfert thermique avec l'environnement.
L'objet de l'aérologie est donc de trouver par divers instruments les variables de l'atmosphère, comme sa composition, sa température, sa pression, ses vents…
Instruments de mesure [modifier]
Les caractéristiques physiques réelles d'une colonne d'air sont mesurables par des sondageq. Ces derniers sont effectués à l'aide de radiosondes suspendues à des ballon-sondes. Les différents services météorologiques mondiaux ont depuis longtemps établis tout un réseau de stations qui lâchent deux fois par jour (0 et 12 heures TU) de tels ballons afin d'obtenir une vision en trois dimensions de l'atmosphère. L'Organisation météorologique mondiale coordonne le transfert de ces informations à travers le globe.
Plus récemment, d'autres moyens sont utilisés pour trouver la structure de l'atmosphère dans des couches plus élevées ou à des endroits plus difficiles d'accès :
- Les satellites donnent des informations sur la température et l'humidité de l'atmosphère qu'on peut approximer à celle de P et T grâce à certaines hypothèses. Ils peuvent donner d'autres informations comme la composition de l'atmosphère par l'analyse de la radiation.
- Les avions de ligne peuvent donner des informations sur P et T le long de leur trajectoire. Ce n'est pas une mesure complète puisque l'avion ne parcours pas toutes les altitudes mais l'information est complémentaire.
- Les fusées ou avions de recherche munies de capteurs vont donner des informations également sur la composition de l'atmosphère.
- Les profileurs de vent, des radars pointant verticalement, donnent des informations sur les vents horizontaux, la précipitation et le mouvement vertical de l'air.
- Les célomètres donne des indications sur la hauteur des nuages, sur la présence de particules de poussière, de fumée ou de précipitation dans l'air. De plus, par le coefficient d'extinction de leur faisceau, on peut estimer la visibilité verticale et la présence de pollution.
Données météorologiques [modifier]
La principale utilisation des données aérologiques est en météorologie. L'aérologie n'est pas une explication du temps mais un outil pour obtenir des données qui seront utilisées dans ce domaine.
Notions de base [modifier]
Les mesures obtenues par sondage sont portées sur des diagrammes thermodynamiques comme les émagrammes, les téphigrammes, les Skew-T ou les Diagrammes de Stüve. On y trace selon la pression et l'altitude :
- La température ;
- Le point de rosée ;
- La vitesse et la direction des vents, tirés du sondage, qu'on retrouve sur un diagramme connexe : l'hodographe.
On peut en déduire les caractéristiques de la masse d'air :
- Le gradient vertical de température, c'est-à-dire le taux de décroissance de température avec l'altitude ;
- La quantité d'humidité, déduite du point de rosée, lequel correspond à la température où la vapeur d'eau contenue dans l'air se mettrait à condenser si on refroidissait l'air à pression constante.
Là où la température et le point de rosée sont égaux, on a du nuage (altitude) ou du brouillard (sol).
Selon le taux de variation de la température avec l'altitude (gradient thermique adiabatique), l'air est :
- « stable » : dans une situation d'inversion de température où la parcelle soulevée verra sa température, selon la loi des gaz parfaits, être plus froid que l'environnement. Ceci ramène la parcelle vers son altitude d'origine selon la poussée d'Archimède ;
- « neutre » : la température de la parcelle reste égale à celle de l'environnement dans tout soulèvement ;
- « instable » : une parcelle soulevée devient plus chaude que l'environnement et continue à monter.
Le soulèvement de la parcelle doit se faire selon les lignes adiabatiques sèches pour l'air non saturé et selon les lignes pseudo adiabatiques pour l'air saturé. La condensation restitue de l'énergie et la pente n'est donc pas la même.
Évolution des caractéristiques [modifier]
Les éléments à prendre en compte sont :
- Le refroidissement nocturne qui se traduit par une forte inversion au sol en cas de ciel clair ou en refroidissement du sommet des nuages ce qui peut créer une instabilité en altitude ;
- L'activité solaire qui donne de l'énergie et donc peut déstabiliser les basses couches de l'atmosphère ;
- La configuration du terrain, selon laquelle l'exposition des pentes et l'altitude, le réchauffement différentiel peut mener à une déstabilisation et aux déclenchement de convection ou à l'établissement de circulations (brises de vallée) ;
- le soulèvement orographique : les vents poussent la masse d'air à monter la pente détente adiabatique puis à redescendre (compression). L'air change de pression et de température au cours de ce phénoméne appelé effet de foehn ;
- L' advection de température dans la masse d'air provenant d'une région en amont selon la circulation atmosphérique.
Autres Données [modifier]
Les sondages aérologiques peuvent porter également sur:
- La composition de l'air et les polluants qu'on y retrouvent, en particulier l'ozone troposphérique ;
- Les phénomènes électriques et électromagnétiques.
Utilisations [modifier]
Prévisions météorologiques [modifier]
Article détaillé : Prévision météorologique.Les données aérologiques de la troposhpère sont utilisées pour initialiser les modèles de prévision numérique du temps. Ces complexes programmes informatiques, qui essayent de résoudre les équations dynamiques de l'atmosphère, utilisent comme variables les données obtenus par l'aérologie pour prévoir le déplacement des systèmes météorologiques et les précipitations. La précision est telle, que l'on a couramment 1 minute d'écart sur un temps de vol prévu de 8 heures.
Vol à Voile [modifier]
Article détaillé : Vol à voile.Il y a longtemps que le vol des oiseaux (voiliers) à été observé. Un énorme travail d'observation a été réalisé notamment par Louis Mouillard (1834-1897) qui a réalisé des planeurs primitifs et a surtout laissé deux livres: L'empire de l'air et Le Vol sans battements. Il pensait qu'un jour viendrait ou l'homme voyagerait dans les airs en se faisant porter par le vent. Il s'est pas mal trompé dans ses théories, même si l'apport scientifique est très positif. La théorie de l'ascendance dynamique est cependant connue depuis Otto Lilienthal (1848-1896) qui fut le premier à monter plus haut que son point de départ à bord d'un planeur primitif de son invention. Le vol à voile dépend d'une bonne connaissance de la structure atmosphérique en utilisant l'instabilité thermique, les soulèvements orographiques et les ondes de reliefs.
Acoustique [modifier]
Article détaillé : Acoustique.
Les données aérologiques ont permis de tirer les variables affectant la vitesse du son dans l'air : la température et l’humidité.
L'atténuation des bruits est elle due à la compression élastique dans un gaz à pression constante selon :
où
- L0 est le niveau théorique à la source en décibel (dB) ;
- D est la distance.
En pratique l'atténuation horizontale est nettement plus élevée (on ajoute en moyenne -8 dB) et surtout extrêmement variable car les calculs de bruits sont toujours très empiriques. En plus, l'air n'est pas à pression et température constante, sa composition est variable et finalement, il n'est pas élastique de manière symétrique à cause de l'action du vent sur l'onde verticale et du gradient sur l'onde horizontale. Les données aérologiques permettent donc de calculer les caractéristiques acoustiques d'un endroit à un moment donné.
Dispersion des polluants [modifier]
Article détaillé : Pollution.
La pollution est en partie visible, comme dans les autres milieux, à cause des poussières et aussi parce que certaines particules favorisent la condensation. Dans les cas extrêmes, il y a odeur. Cependant, le plus gros de la pollution est inodore et invisible. Ce faisant, les polluants peuvent être plus ou moins dispersées par le vent et l'air peut être lavé par la pluie. Leur concentration après émission dépend de la stabilité de l'air: les polluants seront concentrés dans une mince couche (air stable) ou dispersés (air instable). De plus, la variation de la stabilité et les vents montrent la trajectoire de ces matières.
L'utilisation des données aérologiques permet de définir la hauteur des cheminées pour éviter les situations stables, comme les inversions, afin de diluer la concentration des rejets de combustion. Ces mêmes données peuvent servir à retracer la source d'un polluant et à prévoir d'éventuelles dépositions au sol, à condition de bien connaitre non seulement les caractéristiques de la masse d'air mais également les apports chimiques et d'humidité de l'activité industrielle responsable.
