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 à la différence 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.

Principe[modifier | modifier le code]

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 différentiel du sol entre deux zones. Plus la différence de température est importante, 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 | modifier le code]

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 différence 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 | modifier le code]

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 | modifier le code]

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. Ces rues de nuages se formeront en général lorsqu'il existe une couche d'inversion au-dessus de la zone convective et lorsque la vitesse du vent augmente avec l'altitude pour atteindre un maximum juste au-dessous de la couche d'inversion[3],[4].

Modèle simplifié des ascendances thermiques[modifier | modifier le code]

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 2,5 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[5], [6],[7]. 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 \times 1000 {\rm pieds} \over n \times 100 {\rm 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[8]. 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 | modifier le code]

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 | modifier le code]

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

 r = {v^2 \over g \tan \theta}

g \approx 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 \times 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 \times 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 \times 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[8]. 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 | modifier le code]

Ascendance à source fixe[modifier | modifier le code]

On va calculer le déport d'un planeur spiralant dans une ascendance fixe. Il est recommandé de voler en ligne droite pendant quelques secondes face au vent pour recentrer l'ascendance[15]. On considère une ascendance engendrée par une source fixe comme par exemple une tour de refroidissement de centrale nucléaire ou un feu de forêt. La partie ascendante d'un rotor peut aussi être assimilée à une ascendance à source fixe car la position du rotor est approximativement stationnaire. On suppose qu'à l'origine le planeur avait centré l'ascendance. On va calculer de combien il va être décentré après un tour de spirale. Soit c la vitesse de chute du planeur.On suppose que la vitesse de l'ascendance est w et que la vitesse du vent est u. On suppose que le planeur complète un tour de spirale pendant le temps T. Pour recentrer l'ascendance, le temps de correction en vent de face est

H = {c T u \over w (b - u) + (w - c) u}

En application numérique, on considère un deltaplane volant à 23 nœuds, dans une ascendance fixe de 5 nœuds avec un vent de 10 nœuds. On suppose que la vitesse de chute est de 2 nœuds. On suppose que l'aéronef complète la spirale en 20 secondes. On obtient alors :

H = {2 \times 10 \times 20 \over 5 \times (23 - 10) + (5 - 2) \times 10 } = 4.2\ s

Thermiques et nuages convectifs[modifier | modifier le code]

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, elles 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 différences de pression en fonction de l'altitude, dues 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[16].

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 \times (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 1 500 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[17].

Localisation des ascendances[modifier | modifier le code]

Les ascendances tendent à se former aux points les plus chauds en surface. Ainsi, une falaise verticale orientée face au soleil va être plus chaude que la surface environnante et sera donc une source fiable d'ascendances. De même les centre-villes ou gros villages étant des îlots de chaleur urbaine seront des sources d'ascendances. Il en sera de même lorsqu'un lotissement est situé à proximité d'un étang artificiel; ceci est dû au gradient de température entre l'air au-dessus de l'eau et l'air au-dessus des maisons réchauffé par les climatiseurs. Ainsi, les pilotes de planeur, de deltaplane ou de parapente se dirigeront en priorité vers ces endroits. Ainsi, des pilotes de parapente ont réussi à remonter après avoir été en approche finale d'un parcage d'hypermarché. On notera aussi que les gros élevages de poules industriels sont aussi connus pour être des sources fiables d'ascendances dues à la chaleur infernale qui règne à l'intérieur de ces bâtiments où plusieurs dizaines de milliers de poules sont enfermées.

Autre effet[modifier | modifier le code]

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 présentés par Donald Menzel comme explication de nombreux cas ovnis[18], 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[19],[20].

Références[modifier | modifier le code]

  1. (de) Reichmann, H, Streckensegelflug, Motorbuch Vlg., Stuttgart,‎ 1975.
  2. Vols de campagne, p. 107
  3. a, b et c Advanced soaring, p. 202
  4. Vols de campagne, p. 22
  5. a et b Météorologie du vol libre, p. 214
  6. a et b Modèle numérique des thermiques, p. 6
  7. a et b Advanced soaring, p. 68
  8. a et b Sky full of heat, p. 224
  9. Modèle numérique des thermiques
  10. (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
  11. (en) Lenschaw D, Stepens P, « The role of thermals in the convective boundary layer », Boundary-Layer Meteorology,‎ 1980
  12. (en) Dr. Jack Glendening, « Thermal Updraft Velocity (W*) » (consulté le 2012-01-03)
  13. (en)Roland Stull, An Introduction to Boundary Layer Meteorology, Kluwer Academic Publishers,‎ 1988, 670 p. (ISBN 9027727694), p. 450
  14. Cotton et Anthes, p. 467
  15. (en)collectif, Glider flying handbook,‎ 2013 (lire en ligne), p. 10-18
  16. Cotton et Anthes, p. 535
  17. Advanced soaring, p. 166
  18. The Ufo Enigma: The Definitive Explanation of the Ufo Phenomenon, Donald Menzel et Ernest H.Taves, Doubleday, mars 1977,(ISBN 978-0385035965)
  19. Étude approfondie des mystérieux enregistrements radar des F-16
  20. Vague d'Ovni sur la Belgique tome2, éditions Sobeps

Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • [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)
  • [Advanced soaring] (en) Bernard Eckey, Advanced Soaring made easy, third edition, West Lakes, SA,‎ 2012, 432 p. (ISBN 9-780980734928)