L’atmosphère

L’atmosphère est une couche gazeuse maintenue par gravité autour du globe terrestre, elle se compose de différentes couches :

 

L’air qui compose l’atmosphère est un mélange de plusieurs gaz en proportions constantes et de quantités variables de vapeur d’eau. Il contient notamment d’innombrables particules microscopiques en suspension. Les deux gaz prédominent dans ce mélange sont l’azote et l’oxygène.

La composition de l’air atmosphérique est un mélange de gaz constitué d’azote (78%), d’oxygène (21%) et de gaz rares (1%).
Ces gaz rares constituants l’atmosphère sont principalement : l’argon, le néon, le kripton, le xénon, le radon et l’hélium.

La composition du mélange gazeux est la même en altitude qu’au sol, à l’exception de la vapeur d’eau qui diminue avec l’altitude. Cette homogénéité est due en fait aux brassages verticaux incessants de l’atmosphère malgré que l’air soit composé de gaz de densités différentes.

La couche située entre le sol et 5 km d’altitude contiennent la moitié de la masse atmosphérique totale.

Les principaux paramètres qui définissent l’état atmosphérique à un moment donné, sont les éléments suivants :
– La pression.
– La température.
– L’humidité.
– Le vent en force et en direction.

C’est la variation de ces paramètres autour de leur valeur moyenne qui va définir les conditions atmosphériques. L’ensemble de ces valeurs moyennes va déterminer « l’atmosphère standard ISA ».

L’Atmosphère Standard Internationale (ISA) de l’OACI :
L’atmosphère standard est une atmosphère de référence se rapprochant des conditions moyennes rencontrées sous nos latitudes, dont les différents paramètres sont les suivants :

– La pression ISA :
La pression atmosphérique représente le poids de la colonne d’air s’appuyant sur l’unité de surface autour du point considéré.
La pression au niveau de la mer est prise égale à 1013,25 hPa (hectopascal).
Cette pression décroît, suivant l’altitude, d’1 hPa par 28 ft dans les basses couches de l’atmosphère. La décroissance de pression n’est pas linéaire, en altitude (en haute montagne par exemple), il faut monter de 50 ft pour la voir diminuer d’1 hPa.

– La température ISA :
La température au niveau de la mer est de 15° C.
Cette température décroît de 0,65° par 100 m (2°C par 1000 ft) jusqu’à environ 11000 m, sous nos latitudes, qui correspondent à la tropopause qui est la surface de séparation entre la troposphère qui s’arrête et la stratosphère qui commence.
Suivant cette loi, la température calculée pour la stratosphère, est de -56,5° C et reste constante.

Par définition, l’atmosphère standard de référence qui n’est qu’une atmosphère purement théorique, va servir :
– D’une part, pour le besoin de définir un calage altimétrique unique des aéronefs, qui soit indépendant du lieu de survol et des autres paramètres aérologiques.
– D’autre part, pour le besoin de définir les variations des principaux paramètres qui caractérisent les conditions météorologiques d’un lieu donné.

Ainsi, pour étudier l’atmosphère vraie, on devra utiliser les variations qu’elle présente par rapport à l’atmosphère standard.

 

Les unités utilisées en météorologie :
– La pression s’exprime en hectopascal (hPa).
– La température s’exprime en degré Celsius.
– Le vent s’exprime en nœud (kt) pour sa force et en degré (°) pour sa direction.

 

Phénomènes météorologiques impactant l’activité de télépilotage

Les vents locaux (régionaux) :
L’examen porte sur les vents locaux en métropole, nous n’évoquerons donc que trois vents locaux majeurs dans ce cours : Tramontane, Autan et Mistral.

La direction et la vitesse du vent sont majoritairement imposées par les anticyclones et les dépressions. Dans l’hémisphère nord, le vent souffle dans le sens inverse des aiguilles d’une montre autour d’une dépression et dans le sens des aiguilles d’une montre autour d’un anticyclone. Sa vitesse est proportionnelle à l’écart de pression entre deux points (on parle de « gradient » de pression). Cependant, le relief présent sur une zone donnée va canaliser l’écoulement d’air dans cette région, créant un effet venturi. Des vents apparaîtront ainsi plus fréquemment dans certaines contrées et seront plus soutenus: il s’agit des vents régionaux. Ils deviennent alors de véritables acteurs du climat local.

La Tramontane est un vent du Nord-Ouest, qui se créé par effet venturi entre le massif Central et les Pyrénées :

 

Le vent d’Autan est un vent de Sud-Est, violent et turbulent qui s’établit entre le massif Central et les Pyrénées :

 

Le Mistral est un vent du Nord, froid et fort, associé à une dépression sur l’Italie et un anticyclone sur l’Espagne :

 

 

Variations diurnes, saisonnières et turbulences au sol :

Brise de mer et brise de terre

En journée, le soleil chauffe la terre, cela engendre de la turbulence d’origine thermique. Mais en fonction de la nature de la surface du sol (terre ou eau), le réchauffement ne s’opère pas à la même vitesse. En bord de mer, l’eau se réchauffe plus lentement que la terre produisant la brise de mer le jour.

 

Vous aurez des ascendances thermiques sur les terres, le vent soufflera en venant de la mer, si le contraste entre la température de la mer et de la terre est important, le vent pourra être fort. Pour entreprendre une mission télépiloté en bord de mer, il vaudra mieux débuter en tout début de matinée ou en fin d’après-midi.

A l’inverse, la brise de terre s’établira la nuit après que le soleil soit passé sous l’horizon :

 

La température de l’eau ne change pas beaucoup entre le jour et la nuit, mais celle de la terre diminue fortement. L’air chaud se situe donc au-dessus de la mer. C’est là que s’amorcera la convection: l’air chaud s’élève au-dessus de la mer.
L’air chaud s’étant élevé au-dessus de la mer cause une « aspiration » générant un mouvement d’air qui s’en va de la terre vers la mer.

 

Brise de vallée et brise de montagne

Toujours sur le même principe de réchauffement du sol par le soleil et refroidissement nocturne, on trouve d’autres sources génératrices de turbulences, les brises de vallée et de montagne.

La brise de vallée (la brise qui vient de la vallée et) va vers la montagne, en raison du réchauffement plus rapide des versants montagneux le jour.
L’air plus léger, va s’élever et être remplacé par celui provenant de la vallée. Elle génère des ascendances parfois forte le long du relief, vous devez les prendre en compte lors d’évolutions de votre drone à proximité du relief.

 

La brise de montagne survient la nuit, le vent souffle alors des sommets du relief vers la vallée car, la nuit, la vallée conserve la chaleur plus longtemps créant dans ce cas une brise descendante.

 

 

Les nuages et leurs effets

Un nuage est formé d’une multitude de gouttelettes d’eau ou de cristaux de glace en suspension dans l’atmosphère. Son aspect est fonction de la nature, de la taille et de la répartition des particules qui le composent, ainsi que de la lumière qui l’éclaire. Parfois, il nous apparaît blanc, presque transparent ou éclatant comme la neige, ou à l’inverse gris, voire noir et menaçant.

À l’intérieur d’un nuage, les particules sont sans cesse en mouvement. Elles fusionnent, fondent, s’évaporent, se subliment pour mieux condenser ou geler à nouveau.

Les nuages se forment par condensation de vapeur d’eau, c’est-à-dire par passage de l’eau qu’ils contiennent de l’état gazeux à l’état liquide. En effet, une masse d’air ne peut contenir qu’une certaine quantité de vapeur d’eau, qui dépend de la température. Plus l’air est chaud, plus il peut être chargé en vapeur d’eau. Lorsqu’une masse d’air chaud saturée en vapeur d’eau se refroidit, une partie de l’eau qu’elle contient sous forme gazeuse va se condenser et former des gouttelettes.
Dans l’atmosphère, les nuages se forment donc par refroidissement d’une masse d’air humide. Ce refroidissement est provoqué soit par contact avec une surface plus froide, soit (cas le plus fréquent) par soulèvement dans l’atmosphère. En prenant de l’altitude, une masse d’air voit en effet sa pression diminuer, ce qui la refroidit (la compression d’un gaz le réchauffe, la détente le refroidit).

Malgré leur diversité et le nombre de formes qu’ils peuvent prendre, il est possible de classer les nuages d’après leur forme, leurs dimensions, leur structure interne et leur altitude, en 10 genres qui correspond au classement international.
Ce classement est basé sur la forme et l’apparence. Mais comme il existe en général une relation entre la forme des nuages et leur hauteur, ce classement selon la forme est en même temps un classement selon la hauteur.

 

Le classement des nuages se fait :
Par leurs formes :
A toutes les altitudes, les différents genres de nuages présentent un des trois aspects caractéristiques suivants :
– Nuages plus ou moins isolés et séparés les uns des autres.
– Nuages en bancs ou en couche plus ou moins continue couvrant ou non la totalité du ciel mais présentant un aspect ondulé, ridé, en forme de lamelles, de galets, de rouleaux.
– Nuages en voile ou en nappe continue d’aspect assez uniforme couvrant ou non la totalité du ciel.

Par leur altitude :
La considération des altitudes auxquelles certains genres de nuage se rencontrent le plus fréquemment, a conduit à la notion d’étages.
Les nuages ont alors été répartis dans trois branches superposées de l’atmosphère.
On distingue les étages supérieur, moyen et inférieur. Ces étages se chevauchent quelque peu et leurs limites varient avec la latitude.

A noter que certaines syllabes des noms des nuages correspondent :
Soit à une forme :
Cumulus : nuages divisés ou en masses isolées.
Stratus : nuages étalés.

Soit à une altitude :
Cirro : nuages élevés.
Alto : nuages moyens.
Strato : nuages bas.

 

Reconnaître les nuages :

1 – L’étage inférieur :
L’étage inférieur va du sol à 2 km environ. Ces nuages sont constitués par de petites gouttelettes d’eau, parfois mêlées à des cristaux de glace lorsque la température descend au-dessous de 0°C.

On distingue parmi ces nuages, les :

2 – L’étage moyen :
L’étage moyen va de 2 à 7 km environ. Ces nuages sont constitués essentiellement par des gouttelettes d’eau ou d’un mélange de gouttes d’eau et de cristaux de glace.

On distingue parmi ces nuages, les :

3 – L’étage supérieur :
L’étage supérieur va de 5 à 13 km environ. Les nuages de l’étage supérieur sont tous formés de cristaux de glace. Ils ont un aspect blanc plus ou moins fibreux et souvent un éclat soyeux. Leur opacité est toujours faible et ils ne présentent jamais d’ombres propres.

On distingue parmi ces nuages, les :

4 – Les nuages à grande extension verticale :
Les nuages à grande extension verticale ont presque toujours leur base à l’étage inférieur mais ils ne peuvent être considérés comme des nuages caractéristiques de l’étage inférieur car leur sommet s’étend souvent jusque dans l’étage moyen ou même supérieur.

On distingue parmi ces nuages, les :

 

Les cas particuliers :

1 – Le Cumulonimbus (CB) :
Le cumulonimbus est le plus grand nuage du ciel. Il peut s’élever à plus de 10 km. Il est aussi grand dispensateur d’orages, de pluie ou de grêle, mais aussi générateur de foudre. Il est une immense tour bourgeonnante et bouillonnante surmontée d’une enclume de faux cirrus.

L’intérieur de cette formation nuageuse est extrêmement dangereux pour l’aviation car on y rencontre des mouvements verticaux de l’air allant jusqu’à 20 m/s. De plus, la base du cumulonimbus est déchiquetée et difficilement perceptible en raison des fortes précipitations de neige, de pluie ou de grêle qui en déferlent, elle ressemble à des nimbostratus et est souvent accompagnée en dessous de nuages bas déchiquetés.

Le cumulonimbus est donc un nuage dense et puissant, à extension verticale considérable, en forme de montagne ou d’énormes tours. Une partie, au moins, de sa région supérieure est habituellement lisse, fibreuse ou striée, et presque toujours aplatie. Cette partie s’étale souvent en forme d’enclume ou de vaste panache.

Les différents stades de développement d’un CB :

Le stade de maturité est caractérisé par des mouvements ascendants et descendants : Le stade de maturité débute avec les précipitations. L’importante quantité d’eau tombant à travers le nuage provoque, par frottement, un renversement du sens des courants verticaux. Les courants ascendants persistent cependant à côté des courants descendants et se concentrent dans la partie supérieure du nuage (ils peuvent dépasser 90 km/h). Les mouvements descendants sont généralement moins violents que les mouvements ascendants ; ils sont les plus importants dans la partie inférieure du nuage. La limite entre les mouvements ascendants et descendants constitue une zone de turbulence sévère et de fortes accélérations verticales. Ce stade de maturité constitue la période d’orage ; il dure de quinze à vingt minutes.

Le stade de dissipation est caractérisé par des mouvements descendants : Le stade de dissipation commence dès que les courants ascendants disparaissent. Le nuage commence à se dissiper. Le sommet du nuage prend la forme caractéristique d’une enclume qui peut s’étendre horizontalement sur plusieurs kilomètres. Dès le début de ce stade, qui dure environ 30 minutes, les risques d’orage disparaissent.

2 – Le nuage lenticulaire :
Les nuages lenticulaires indiquent la présence de turbulence et d’ondes orographiques. Si la direction du vent est perpendiculaire au relief (avec un écart de plus ou moins 30°) et si sa vitesse est supérieure à 36 km/h (10 m/s ou 20 kt), et se renforce avec l’altitude, il y a la possibilité de création d’un système ondulatoire, matérialisé par les sommets accrochés, puis des nuages lenticulaires au-dessus et à l’aval du relief :

 

Les ondes sont dites stationnaires ou de ressaut ou orographiques, à cause de leur association avec les montagnes. Leur profil peut s’étaler sous le vent à des distances de 150 km. En dessous et à proximité de nuages orographiques, il y a de fortes turbulences.

 

Le vent en surface et ses effets

Le vent en surface diffère du vent en altitude. Il n’est pas inhabituel de voir des nuages bas se déplacer dans une certaine direction et avec une certaine vitesse et d’apercevoir en même temps, au-dessus de ces nuages, d’autres nuages se déplaçant dans une direction différente et avec une autre vitesse.
Le vent en surface subit en effet un phénomène de friction (frottement) qui tend à le ralentir, et du fait de ce ralentissement, l’angle entre la direction du vent en altitude et la direction du vent en surface change d’approximativement 30° sur la terre, et 10° à la surface de la mer.

On notera aussi que sur la terre, la vitesse du vent dans la couche de frottement diminue d’approximativement 50%. Sur la mer, la vitesse du vent dans la couche de frottement diminue d’approximativement 30%.

Ce frottement occasionne souvent de la turbulence, c’est notamment pour cette raison que les éoliennes sont si hautes : faire en sorte que les pales soient dans un flux d’air continu (laminaire) et le moins perturbé possible, pour obtenir le meilleur rendement.

Au niveau du télépilotage, l’impact du vent en surface rend vite l’atmosphère turbulent : la présence de bâtiments, d’arbres ou  d’amas rocheux génèrent des rotors qui sont susceptibles de déséquilibrer facilement un drone.

 

On retiendra également que l’absence de vent en surface n’implique pas forcément l’absence de vent en altitude. On peut vite se laisser surprendre et « vider » plus rapidement que prévu la ou les batteries, car votre drone, pour conserver sa trajectoire et une vitesse de déplacement définie ou maintenir un vol stationnaire stabilisé, aura besoin de beaucoup plus d’énergie que dans un environnement sans vent. Sans même vraiment monter en altitude, c’est notamment le cas si vous évoluez à proximité d’une falaise, un flux d’air perturbé, fort, parfois violent, peut vite mettre en danger votre aéronef.

 

Composer son dossier météorologique :

Pour préparer sa mission, il conviendra de réunir le maximum d’information sur la météo à venir. Nous allons voir ci-dessous qu’il existe de nombreuses sources d’informations pour réaliser notre dossier météorologique.

Ces informations sont à retrouver sur le site : https://aviation.meteo.fr/login.php

a) La carte du temps significatif (carte « TEMSI ») :

La carte TEMSI (pour TEMps Significatif) est une représentation du temps significatif prévu à heure fixe sur laquelle sont portés les phénomènes intéressant l’aéronautique et les masses nuageuses.
La carte TEMSI France (basses altitudes) est éditée toutes les 3 heures de 06h à 21h, elle est mise à disposition 2 heures avant l’heure de validité.

Présentation et interprétation des cartes TEMSI France sur le « guide aviation » édité par Météo-France ici (page 7) : guide_meteo_aviation.pdf

b) Les messages METAR :

Un METAR est le nom de code utilisé pour le chiffrement d’observations météorologiques régulières d’aérodromes. Le nom METAR figure en tête de chaque message d’observation individuel.
Le message METAR est diffusé toutes les heures rondes ou toutes les demi-heures rondes. Un message METAR comprend généralement une prévision de tendance.

Présentation et interprétation des METAR sur le « guide aviation » édité par Météo-France ici (page 16) : guide_meteo_aviation.pdf

c) Les messages TAF :

Le TAF est un message de prévision. Ces prévisions sont faites pour un terrain donné. Il existe deux types de TAF, les longs (prévision sur 24 ou 30 heures) et les courts (prévision sur 9 heures). Le TAF court est renouvelé toutes les 3 heures, le long, toutes les 6 heures, ils sont disponible une heure avant le début de la prévision. Le TAF emploie les mêmes codes que le METAR.

Présentation et interprétation des TAF sur le « guide aviation » édité par Météo-France ici (page 20) : guide_meteo_aviation.pdf

 

Suivi du vol :

Il faut être conscient que des facteurs météorologiques imprévisibles, ou difficilement prévisibles, peuvent localement survenir et perturber nos évolutions. Ces phénomènes sont peu nombreux mais doivent être connus : bruine, brouillard, brume, pluie, neige… fumée et même soleil !

On différencie la réduction de la visibilité due aux précipitations (pluie, neige et bruine) de la réduction de la visibilité par des phénomènes obscurcissant (brume, brouillard, fumée). Le soleil peut perturber notre vol en fonction de sa position par rapport à la direction du regard du télépilote.

Réduction de la visibilité due aux précipitations : bruine, pluie et neige
La bruine est composée de très nombreuses et très fines gouttelettes d’eau, d’un diamètre inférieur à 0,5 mm, qui tombent très lentement. La bruine compose le brouillard.
La pluie est composée de gouttes d’eau à l’état liquide, de grosseurs diverses et d’un diamètre variant entre 0,5 et 3 mm.
La neige est composée de cristaux de glace aux formes variées mais souvent hexagonaux ou étoilés, rassemblés en flocons.
Ces précipitations réduisent fortement la visibilité (de quelques mètres à moins d’1 km). Les services météorologiques parlent de brouillard quand la visibilité est inférieure à 1 km.

Réduction de la visibilité due aux phénomènes obscurcissant : brouillard, brume et fumée
Il existe plusieurs types de brouillard (brouillard d’advection, de rayonnement, de mélange et de pente). Le brouillard est très dangereux car il peut se former rapidement et de façon inattendue, réduisant la visibilité à moins d’1 km.
La brume est un brouillard « léger ». La visibilité y est meilleure que dans le brouillard, on a souvent entre 1 à 2 km de visibilité.
La fumée est un phénomène non météorologique, bien que les incendies puissent être créés par la foudre, et c’est une gène forte pour nos évolutions. On peut facilement se laisser surprendre à passer derrière un volume très opaque de fumée et perdre de vue son drone.

Réduction de la visibilité due à la position du soleil par rapport à la direction du regard :
L’éblouissement solaire peut vous empêcher de suivre l’évolution de votre drone, même avec de bonnes lunettes polarisante. Que ce soit sur fond de soleil couchant, ou quand le soleil est au zénith, vous risquez d’être temporairement « aveuglé » par le soleil. Pendant quelques secondes, vous pourrez perdre de vue votre drone. Il convient donc de prendre en compte la position du soleil dans le choix de votre positionnement au sol et d’adapter votre trajet en ce sens.