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Météorologie élémentaire

Ça plane ! Document Hugues Beslier.

Les ascendances orographiques (II)

Vol de pente

Lorsque nous avons décrit les caractéristiques du vent, nous avons vu comment les filets d'air sont déviés par un relief et comment apparaissent les mouvements ascendants au vent du relief. 

Si la vitesse des courants ascendants est supérieure à la vitesse de chute du planeur, l'ascendance peut être exploitée par le vélivole. Des études théoriques, vérifiées expérimentalement, ont montré que la vitesse verticale de l'air est proportionnelle à la composante du vent "perpendiculaire" à la crête.

L'importance des courants ascendants dépend donc, en premier lieu, de la direction du vent. En effet, pour une même vitesse, un vent perpendiculaire au relief n'entraîne aucune ascendance. D'autre part, il est évident que pour une même direction, l'ascendance augmente avec la vitesse du vent.

D'autre part, la configuration horizontale du relief influence fortement la direction et la vitesse des filets d'air. La figure ci-dessous montre clairement que lorsque la projection horizontale du relief se présente sous forme concave, une concentration vers le centre des filets d'air intervient et, de ce fait, une plus grande vitesse ascendante en cet endroit; une forme convexe entraîne le phénomène inverse.

Remarquons que la qualité de l'ascendance est fonction du caractère de stabilité de la masse d'air. En effet, lorsque l'air est initialement très stable, le mouvement ascendant est freiné et les filets d'air ont tendance à contourner l'obstacle plutôt qu'à le franchir. Par contre, si l'air est très instable, les particules poursuivent d'elles-mêmes leur mouvement ascendant et des ascendances irrégulières, semblables aux thermiques, prennent naissance. En conséquence, une masse d'air en état proche de l'instabilité présente les conditions les plus favorables au développement de l'ascendance de pente. D'autre part, ne perdons pas de vue que des nuages peuvent se former sur un relief pour autant que l'humidité de l'air soit suffisante; dans ces conditions, l'ascendance n'est pas exploitable par le pilote de planeur.

Une utilisation optimale de ce genre d'ascendance implique que le pilote maintienne son planeur dans la zone ascendante. Pour ce faire, il doit décrire des huit dont l'axe est parallèle à la ligne de crêtes tout en veillant à ne jamais laisser dériver son planeur de l'autre côté de la montagne où il se trouverait dans une zone descendante.

Vol d'onde

Mouvement ondulatoire

Le mouvement ondulatoire de l'atmosphère résulte du passage au-dessus d'un obstacle d'une masse d'air stable qui revient à son niveau initial après une série d'oscillations autour de sa position d'équilibre.

Pour que le phénomène apparaisse, il faut que le vent souffle selon une direction et une vitesse appropriées qui diffèrent d'un endroit à un autre. Les particules d'air décrivent des courbe que l'on peut, en première approximation, assimiler à des sinusoïdes; il en résulte des zones ascendantes et descendantes.

Vol de pente et vol d'onde au-dessus des vallées alpines. Si le pilote de planeur profite judicieusement des ascendances il pourra gagner de l'altitude et s'élever au-dessus des nuages bas. Dans les meilleurs cas il pourra prolonger son vol jusqu'au coucher du Soleil. Documents Pierre Lamon et Jean-Frédéric Fuchs.

L'onde formée par un relief à une longueur d'onde de 2 à 40 km et une amplitude de 600 à 1200 m. Ce mouvement ondulatoire peut exister jusqu'au niveau de la tropopause et il a été observé jusqu'à 125 km en aval du relief.

La couche d'air en contact avec le sol est turbulente; elle est caractérisée par des tourbillons à axes horizontaux. La limite supérieure de la couche turbulente est marquée par une surface de discontinuité; celle-ci constitue un véritable écran qui interdit tous mélange ou incursion de particules de la couche turbulente vers la couche ondulatoire ou inversement. De part et d'autre de la couche de séparation, outre la limite nette de la turbulence, chaque écoulement véhicule ses calories et son humidité sans s'interpénétrer.

Facteurs influençant le mouvement ondulatoire

L'importance et la disposition des accidents orographiques, la direction et la vitesse des vents ainsi que leurs variations avec l'altitude, les propriétés physiques des masses d'air et leurs modifications diurnes et saisonnières sont autant de facteurs qui affectent le volume, la forme et la structure de la couche ondulatoire.

Ainsi que l'illustre le schéma précédent, l'onde formée par un relief peut être amplifiée ou détruite par un deuxième relief situé en aval du premier. En effet, le phénomène se renforce lorsque la distance entre les deux reliefs est un multiple de la longueur d'onde; dans les autres cas, le déphasage qui en résulte entraîne une diminution et même une disparition de l'onde.

L'importance de la direction et de la vitesse du vent a été esquissée précédemment à propos du vol de pente. Il faut toutefois ajouter que le phénomène ondulatoire se propage généralement vers le haut.

Par 2500 m d'altitude (8500 pieds), entourant un vol d'onde à travers les rues de cumulus, deux vols de pente, l'un sur le Cheval Blanc l'autre durant la traversé entre la Chartreuse et le Vercors (on aperçoit au loin des cumulus sur la Belledonne). Documents Jean-Frédéric Fuchs.

Si la vitesse du vent augmente avec l'altitude (ce qui s'observe le plus souvent en pratique) l'amplitude de l'onde augmente; par contre, elle diminue lorsque la vitesse du vent diminue avec l'altitude.

Le caractère de stabilité de la masse d'air a une importance essentielle sur la formation et le développement du phénomène ondulatoire. Dans une masse d'air instable ou en instabilité conditionnelle, l'onde ne peut se développer puisque les particules d'air soulevées ont tendance à continuer d'elle-mêmes leur mouvement vers le haut. Dans une masse d'air stable, plus l'amplitude de l'onde est grande, plus la longueur d'onde est petite.

Compte-tenu de l'humidité de la masse d'air, nous avons vu comment et où se forment les nuages éventuels. Je vous conseille vivement une nouvelle lecture des paragraphes consacrés à l'effet de Foëhn, aux nuages dans la couche de turbulence et aux nuages d'onde, de même d'ailleurs que le chapitre consacré à la stabilité de l'air.

Les ascendances frontales

Front chaud et front froid

Lorsque nous avons étudié les fronts et les perturbations, nous avons vu que dans tout système frontal, l'air chaud est soulevé par de l'air plus froid; ce dernier joue donc le même rôle que le relief : on peut assimiler l'air froid à une montagne que l'air chaud tente de franchir.

En ce qui concerne le front chaud, notons que la pente de la surface frontale est très faible; de ce fait, la composante verticale du déplacement de l'air est très petite et nettement insuffisante pour maintenir un planeur en l'air. De plus, le soulèvement de l'air chaud entraîne la formation de nuages, de précipitations, etc, bref des conditions telles que le pilote ne pourrait en aucun cas exploiter l'ascendance même si elle était suffisante.

La pente d'un front froid est nettement plus grande que celle d'un front chaud; d'autre part, des nuages d'instabilité (cumulus, cumulonimbus) se forment le plus souvent sur le front. Le soulèvement de l'air sur un front froid est donc théoriquement exploitable par le vélivole. Cependant, les conditions sur le front sont tellement mauvaises (averse, turbulence, ...) que le vol à cet endroit serait excessivement dangereux.

L'expérience montre toutefois que l'ascendance dans l'air chaud se manifeste devant les nuages frontaux.

Une telle particularité peut être exploitée; il suffit de maintenir le planeur constamment à l'avant des nuages frontaux tout en ne perdant pas de vue que le front froid se déplace constamment (parfois très rapidement) par rapport au sol. D'autres ascendances, associées à un système frontal, se trouvent sous les cumulus qui suivent le front froid. il ne s'agit plus ici d'ascendances frontales mais bien de thermiques tels que décrits à la page précédente.

Front de brise de mer

Nous avons vu dans le chapitre consacré au vent ce qu'est la brise de mer, comment elle apparaît, ainsi que les mouvements de l'air qui en découlent.

Nous devons toutefois décrire plus en détails les caractéristiques des mouvements ascendants, souvent exploitables par les planeurs qui existent au-dessus des terres.

Les conditions les plus favorables au développement de la brise de mer existent au printemps, c'est-à-dire au moment où l'écart entre la température de la terre et celle de la mer est maximum.

La brise de mer entraîne vers le continent de l'air relativement froid et humide; ce dernier se trouve alors en présence d'air chaud et généralement plus sec qui se déplace sur la terre. La zone de transition entre ces masses d'air nettement différent peut être considérée comme un front froid.

Lorsque l'air chaud est suffisamment humide, le front est matérialisé par une ligne de cumulus d'autant plus développés que l'instabilité conditionnelle de cet air est grande. Lorsque l'air chaud est sec, les cumulus ne se forment pas et la localisation du front est plus difficile.

Stratus, nuages orographiques et couche de stratocumulus au-dessus des Alpes. Porté au-dessus de la zone convective, en fin de journée et avec un peu de chance, un pilote de planeur expérimenté peut atteindre 15000 pieds. Documents Jean-Frédéric Fuchs.

D'autre part, des mouvements ascendants existent aussi dans l'air froid et humide près de la surface de séparation avec l'air chaud; ces ascendances donnent naissance à un rideau de nuages qui peuvent se développer sous forme de cumulus si la température de la surface est suffisamment élevée.

Le vol dans ce genre de front est caractérisé par de faibles ascendances et une très mauvaise visibilité (étant donné la très grande humidité de l'air).

Dans certaines régions très favorisées (Devon en Grande-Bretagne par exemple), ce genre de front peut se trouver jusqu'à 70 km à l'intérieur des terres; en Belgique considérez que 15 km constitue une limite maximum avec une visibilité moyenne de 5 km.

Appendice

Comment vole un planeur ?

Un planeur pèse environ 400 kg et ne dispose d'aucun moyen de propulsion. Dans ces conditions comment peut-il évoluer entre les nuages et même gagner de l'altitude ?

Lorsqu'un planeur se déplace à une certaine vitesse par rapport à l'air environnant, l'écoulement de l'air le long du profil particulier des ailes entraîne une forte dépression sur l'extrados qui a pour effet de créer une force verticale appelée la portance. Cette force vient compenser une grande partie du poids du planeur. Animé d'une vitesse de 150 km/h, le planeur ne pèse apparemment plus qu'une dizaine de kilos quand il vole. La portance n'est pas constante et varie en fonction de la densité de l'air (sa température et sa pression).

A voir : Airflow accross a wing

A lire : Cambridge scientist debunks flying myth

Mais quelles que soient les circonstances, ce poids résiduel qui n'est pas compensé par la portance fait descendre le planeur très lentement et de manière imperceptible, jusqu'au sol. En piquant du nez, le planeur subit donc une poussée vers l'avant qui le fait avancer et qui s'oppose à la force de frottement. 

Le planeur a donc besoin de descendre en permanence par rapport à l'air environnant pour maintenir sa vitesse, et garder sa portance, bref, pour voler. Mais arrivé dans la couche turbulente, les ascendances sont tellements perturbées par les vents de travers que le vol est terminé. C'est la raison pour laquelle les pilotes de planeurs recherchent les courants ascendants pour gagner de l'altitude et se maintenir le plus longtemps possible en vol.

Pour plus d'informations

Atlas des nuages (OMM-WMO)

Fédération Française de vol à voile (FFVV)

Planeur.net, le site de Jean-Frédéric Fuchs

Le guide aviation de Météo France

Les articles "météo" du club suisse de parapente SHV/FSVL

Aeroweb (prévisions aéronautiques de Météo France)

AlpMet (liens et cartes)

CAVOK

Aérodrome de la Gruyère (cartes aéronautiques)

Aérodrome de St Hubert (EBSH)

Aérodrome de Temploux (Namur)

Aviation Digital Data Service (METAR, TAF, etc)

Metar Data Access

Les cartes météorologiques (sur ce site)

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