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Météorologie élémentaire
Le vol à voile (I) En complément aux chapitres précédemment décrits, pour les amateurs de vol à voile voici quelques instructions précieuses qui vous permettront de planer tout à loisir parmi les nuages au gré des vents. Nous allons décrire les deux principaux types de courants ascendants, ceux de nature thermique et ceux de nature dynamique. Les premiers font appel à la chaleur du Soleil, les seconds sont des vents dominants qui, s’appuyant sur les reliefs, créent une composante ascensionnelle. Nous verrons successivement : - Les thermiques - Les ascendances orographiques - Les ascendances frontales Les thermiques Structure des thermiques 1. Généralités Les thermiques, objets de convoitises par les vélivoles, sont des zones convectives situées dans les basses couches de l'atmosphère qui se développent sous l'effet du réchauffement du sol par le Soleil, d'où leur nom conventionnel de "bulles" thermiques. Balisées par des cumulus ou dites "pures", ces zones sont recherchées et parfois mêmes pointées sur les cartes car elles présentent des mouvements ascendants et descendants propices au vol à voile. Les thermiques ont une structure extrêmement variable. Nous pouvons cependant décrire un modèle théorique confirmé, en première approximation, par la réalité. La colonne ascendante peut-être découpée en trois parties : - la couche turbulente : il s'agit de la zone directement en contact avec le sol;elle est le siège de mouvements désordonnées, - la couche adiabatique: il s'agit de la zone située au-dessus de la couche turbulente; elle s'étend jusqu'au sommet de l'ascendance ou jusqu'à la base du nuage qui la coiffe. C'est la seule zone exploitable par le pilote de planeur, - la couche saturée : c'est la dernière zone, celle contenant le nuage. Elle est, en principe, inexploitable par le vélivole puisque le vol en planeur est interdit dans les nuages (dans beaucoup de pays dont la Belgique). La hauteur totale de l'ascendance s'appelle la zone convective.
2. La couche turbulente L'insolation réchauffe différemment le sol selon sa nature; à son tour, de dernier réchauffe l'air par conduction et provoque la formation de petites bulles relativement chaudes qui se détachent de la surface. En s'élevant, ces petites bulles poussent l'air froid situé au-dessus d'elles, se mélangent à l'air ambiant et perdent ainsi leur énergie. En revanche, une bulle relativement importante (lorsque l'insolation est suffisante) dépasse la zone turbulente et des ascendances bien organisées apparaissent au-dessus de cette zone. La conséquence principale de la turbulence est l'homogénéisation du rapport de mélange dans les basses couches.
3. La couche adiabatique Lorsqu'une bulle quitte la zone turbulente, elle pénètre dans la zone adiabatique et continue son ascension pour autant qu'elle soit instable par rapport à l'air ambiant. Cette bulle se présente sous la forme d'un tourbillon à axe horizontal. Grâce aux mouvements convectifs, la bulle pousse l'air froid situé au-dessus d'elle, se mélangeant par entraînement à l'air ambiant. Elle grossit donc à mesure qu'elle s'élève tout en se refroidissant. Sa température ne varie pas le long d'une adiabatique sèche puisque ses caractéristiques sont continuellement influencées par les couches d'air qu'elle traverse. L'observation confirme parfaitement cette hypothèse puisque la différence de température entre l'air ambiant et la bulle est, à un même niveau, toujours inférieur à 1°C; s'il n'y avait pas d'entraînement, cette différence de température pourrait être de plusieurs degrés. A un certain niveau, la bulle est tellement diluée qu'elle devient indiscernable de l'environnement et l'ascendance cesse. Un nuage cumuliforme se développe à partir du niveau de condensation lorsque l'humidité est suffisante au sein de la bulle. 4. La couche saturée Les différents processus se compliquent à partir du niveau de condensation car il y a restitution de chaleur latente de vaporisation. Les phénomènes y sont moins bien connus; ils ont d'ailleurs peu d'intérêt pour le pilote de planeur qui ne peut exploiter cette zone.
Disons simplement qu'à partir du niveau de condensation, la bulle est matérialisée par le nuage et que la forme de ce dernier justifie la structure donnée à l'ascendance. La base des nuages convectifs est plate parce que le rapport de mélange au sein de la bulle est pratiquement uniforme et ce, étant donné l'homogénéisation dans la couche turbulente et le mélange avec l'air ambiant. Nous pouvons donc conclure que : - les thermiques se présentent sous forme de bulles; si les bulles sont libérées régulièrement les unes après les autres, l'ascendance paraît continue, - sous les petits cumulus, l'ascendance occupe toute la superficie de la base tandis que des mouvements descendants apparaissent sous les gros cumulus (voir le chapitre consacré aux orages). - le vent incline l'ascendance; un vent trop fort la hache et la rend inexploitable, - pour profiter au maximum d'une bulle, le planeur doit pénétrer par le sommet de cette bulle et en sortir par la base, formant ainsi une succession de déplacement en tire-bouchon (ou en ressort) en passant d'un thermique à l'autre. Les oiseaux ne procèdent pas autrement pour économiser leurs forces. Etude des thermiques 1. Généralités Avant de débuter ce paragraphe je vous suggère de relire attentivement les chapitres consacrés à la formation des nuages cumuliformes et des orages. Nous y avons vu que l'instabilité se déclenche lorsque la particule d'air atteint le niveau où le sondage est instable. L'énergie initiale nécessaire à la particule peut lui être fournie par réchauffement, par soulèvement orographique ou par turbulence dynamique. Ces différents facteurs dépendent de la nature du sol, du rayonnement solaire, du vent; en d'autres termes des conditions locales.
2. Evolution de la température En l'absence de soulèvement orographique, le déclenchement et l'évolution de l'instabilité sont fonction de l'évolution de la température au cours de la journée. Il est par exemple évident que la température en surface doit devenir plus grande que la température de déclenchement de l'instabilité. L'augmentation de la température dépend notamment de l'énergie reçue du Soleil. Cette énergie est parfaitement connue et on pourrait penser que, de ce fait, l'évolution de la température jusqu'à son maximum peut être prévue avec exactitude. Malheureusement, plusieurs éléments viennent perturber cette évolution. Un vent faible favorise la convection alors qu'un vent fort tend à réduire l'augmentation de température dans les basses couches en répartissant l'énergie calorifique reçue dans une couche turbulente plus épaisse diminuant ainsi l'activité des thermiques. Mais d'un autre côté, la turbulence dans les basses couches peut soulever les particules d'air et les amener plus rapidement au niveau de déclenchement de l'instabilité. Le vent a donc deux actions diamétralement opposées en ce qui concerne les thermiques : d'une part il freine l'augmentation de la température, d'autre part il favorise le déclenchement de l'instabilité. La présence de nuages freine l'augmentation de la température; il est évident que leur action est d'autant plus importante que leur nébulosité et leur épaisseur sont grandes. D'autres part, la présence de brouillard de rayonnement en début de journée retarde le début de l'augmentation de la température : l'énergie reçue du Soleil servant d'abord à dissiper ce brouillard.
3. Formation de nuages de convection Nous avons expliqué de quelle manière se formaient les nuages de convection. Remarquons que le sommet de la convection est déterminé par l'existence en altitude soit d'une inversion de température bien marquée soit d'un assèchement de la masse d'air soit des deux simultanément (subsidence). On constate souvent que les cumulus s'étalent à leur sommet; ce phénomène est défavorable aux thermiques étant donné la diminution d'insolation due à une plus grande nébulosité. Cet étalement intervient lorsque l'humidité relative augmente au niveau de la partie supérieure du nuage ou lorsque la vitesse du vent augmente à ce même niveau ou encore lorsque l'ascendance est arrêtée par une inversion très abrupte. 4. Vitesse des courants ascendants Nous avons vu que la température d'une particule ascendante évolue le long d'une adiabatique sèche jusqu'au niveau de condensation et ensuite le long d'une adiabatique saturée jusqu'au sommet du nuage. La détermination de la vitesse des courants ascendants est théoriquement aisée; il suffit en effet de se baser sur l'écart de température à un niveau donné, entre le sondage et l'adiabatique qui suit théoriquement la particule. Malheureusement les phénomènes ne sont pas aussi simples et un tel calcul conduirait à des valeurs fantaisistes; il n'en reste pas moins vrai que les vitesses ascendantes sont d'autant plus grandes que les différences de température sont élevées.
Rue de nuages On appelle "rue de nuages" un ensemble de cumulus disposés parallèlement à la direction du vent. Une telle situation est très intéressante pour les vols de distance car elle évite aux pilotes de pertes leur temps à rechercher les thermiques. La formation des rues de cumulus est mal connue, on sait cependant que les conditions favorables sont : - une masse d'air instable d'environ 2000 m d'épaisseur surmontée d'une couche stable, - une augmentation régulière du vent avec l'altitude jusqu'au sommet de la couche instable, - une nébulosité d'environ 3/8 afin de permettre une insolation suffisante. Thermiques de restitution A la fin de la journée, les ascendances diminuent puis disparaissent mais les parties du sol qui possèdent une plus grande inertie thermique (bois, marais, etc.) peuvent à ce moment devenir plus chaudes que celles qui provoquent la convection (champs de blé, ville, etc) et le phénomène peut alors s'inverser. Ces ascendances sont cependant beaucoup plus faibles, très localisées et ne persistent que très peu de temps. Deuxième partie Les ascendances orographiques et frontales
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