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Définition L'atmosphère est dite turbulente, à l'échelle aéronautique, lorsque la distribution des mouvements d'air subit des variations brusques et importantes provoquant des secousses brutales, de fréquentes embardées et contraignant le pilote à ramener continuellement l'avion en ligne de vol. Les tourbillons capables de tels effets ont une dimension comprise entre 10 et 150 mètres de diamètre. Les secousses peuvent être considérées comme décrivant tout mouvement de l'avion clairement perceptible, résultant de la turbulence atmosphérique, de faible longueur et de peu de durée et impossible à corriger par les méthodes normales de contrôle. En pratique, ces secousses ont une telle périodicité qu'elles entraînent des troubles physiologiques chez les passagers. Une définition moins restrictive des secousses inclut des mouvements à plus grande échelle qui peuvent être partiellement contrecarrés par le pilote. Ces mouvements à plus grande échelle sont suffisamment intenses pour être significatifs dans deux situations: dans les orages et dans les ondes de relief. Effets de la turbulence aéronautique La turbulence peut entraîner une perte de contrôle momentanée de l'appareil, des troubles physiologiques et des dégâts à la structure de l'appareil. De plus, notons la difficulté d'atterrir et de décoller dans des conditions de turbulence sévère et la difficulté de maintenir une altitude constante dans une atmosphère turbulente.
Les sources principales de turbulence, qu'elles soient naturelles ou artificielles, peuvent être classées en 5 catégories. Par ordre d'importance nous trouvons : 1. La turbulence d'origine mécanique; 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 créée par le sillage des avions, 5. La turbulence en ciel clair (CAT) due à l'énergie du flux moyen à haute altitude. La turbulence dans la couche de frottement Cette turbulence résulte principalement de l'action des irrégularités du sol sur le mouvement des particules d'air dans les basses couches. Le spectre de cette turbulence est très étendu et dépend des dimensions des irrégularités du terrain. L'intensité de la turbulence dépend de la vitesse et de la direction du vent, des irrégularités du terrain, de la hauteur de vol au-dessus du sol, de la stabilité des basses couches et éventuellement de la libération 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 à 5 noeuds mais peut atteindre 2000 pieds d'épaisseur si le vent souffle à 20 noeuds. Le réchauffement ou le refroidissement du sol joue un grand rôle comme source d'énergie de turbulence et pour l'épaisseur de la couche de frottement (couche de mélange). Ce genre de turbulence est toujours important pour les atterrissages et les décollages et pour tout vol à 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 près du sommet des montagnes. Cependant la turbulence la plus sévère n'est pas issue de ce processus mais de la présence d'ondes de gravité qui prennent naissance sous le vent du relief. Le mouvement ondulatoire lui-même est souvent doux bien que des vitesses verticales de 5 à 10 m/s ne soient pas exceptionnelles dans des ondes engendrées par un relief d'altitude modérée. La turbulence se rencontre en traversant ces ondes; les rafales de vent rencontrées peuvent atteindre 25 m/s (pour une moyenne de 5 à 12 m/s) soit des vitesses qui peuvent entraîner des dégâts à la structure de l'appareil. Il est donc nécessaire d'aborder ces régions à vitesse réduite 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'interférence avec le flux général de l'air. Cette turbulence orographique se ressent au-dessus des collines jusqu'à 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 élevés (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 déclenchement de l'instabilité : fronts, orographie, etc. L'instabilité crée des mouvements verticaux organisés. Nous avons vu à propos des orages que les supercellules constituées de plusieurs cumulonimbus sont le siège de mouvements ascendants et descendants; il existe donc entre les deux courants un mouvement de cisaillement (shearing) formant une zone de turbulence sévère. Cette turbulence est localisée dans l'espace et dans le temps et, étant donné la durée de vie d'une cellule, l'intensité de la turbulence est très variable. Elle est très difficilement prévisible avec exactitude dans un cas bien précis. Lorsque cette turbulence forme une colonne d'air ascendant elle peut être mise à profit par les pilotes de planeurs; ce sont les fameux "thermiques". Cette zone convective leur offre l'opportunité d'accélérer et de monter en altitude avec la possibilité de parcourir de grandes distances.
La turbulence artificielle La turbulence provoquée par un avion peut représenter un danger potentiel. Les grands avions à forte charge alaire provoquent la formation de tourbillons de bout d'aile qui peuvent entraîner une turbulence sévère dans une zone étroite derrière l'avion. Ceci peut constituer un danger sérieux lorsqu'un petit avion tente d'atterrir derrière un plus gros.
Les tourbillons sont entraînés par le vent et leur intensité diminue lentement avec la distance de telle manière que la situation la plus critique se présente lorsqu'il y a peu ou pas de vent de travers et lorsque l'air est très stable (inversion de température).
De telles variations entraînent, par viscosité, la formation de tourbillons dans la zone de discontinuité et sont liées à 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 atmosphère claire se rencontre donc principalement à ces niveaux (à partir du FL200). Il est important de noter que le degré de turbulence est différemment estimé par les pilotes en fonction de leur personnalité, de leur fatigue, du type d'avion et de la nature du vol; lors d'un exercie de combat aérien par exemple le pilote est prêt à supporter des conditions de vol très stressantes alors qu'un vol de longue distance au flight level se déroule en général de manière "relax". Le premier pilote ne ressentira pas le même CAT de la même manière que le second. Toutefois, les points de vue sont plus faciles à concilier lorsque la turbulence est sévère ou violente.
Détection de la turbulence et des aérosols Outre les cartes synoptiques qui révèlent la position des fronts et les cartes d'altitude qui permettent de localiser les courants jets associés, il existe aujourd'hui des moyens électroniques pour détecter la turbulence en atmosphère claire. Ces systèmes font appel à des diodes d'émission laser émettant des impulsions à très basse fréquence ou reposent sur des détecteurs infrarouge dont le fonctionnement sort du cadre de ce dossier.
Le centre de recherche aéronautique Dryden de la NASA a experimenté avec succès ce genre d'appareil, utilisant un Lidar (Light Detection and Ranging) qu'ils ont fixé 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 éventuels dommages sur l'appareil. L'industrie aéronautique a testé les premiers prototypes en l'an 2000 et les a installés depuis sur ses longs courriers. Prochain chapitre
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