La science des thermiques : 1- l’origine

avec Pas de commentaire

En hiver, les longs vols ambitieux sont en suspension et nous nous préparons pour la prochaine saison. C’est l’occasion de vérifier son matériel, de se focaliser sur sa condition physique ou de parfaire ses connaissances telle que la science météorologique d’un niveau plus ou moins avancé.
A cette occasion, je vous propose de découvrir avec moi le secret des thermiques. Ce sera une légère approche scientifique mais suffisamment dégrossie pour rendre accessible sa compréhension.
On tentera d’analyser plus particulièrement la vie de ce phénomène dont certains oiseaux, pilotes et autres volatiles profitent et subissent.
A travers plusieurs articles, nous étudierons principalement la thermodynamique, la dynamique des fluides afin de mieux appréhender les thermiques.

Voici un premier article qui vous présente la source, soit l’origine des thermiques que nous exploitons en vol.

Intéressons nous au rayonnement thermique du Soleil, que je qualifierais de source naturelle principale des bulles de convection que nous nommons plus généralement ascendances thermiques.
Le Soleil, délivre la source principale d’énergie dans la longueur d’onde du rayonnement visible et proche de l’infra Rouge (IR) (0,3µm-3µm) :

L’exosphère, sommet de notre atmosphère situé à 600km de la surface terrestre reçoit du Soleil un flux thermique dont la moyenne annuelle est de 1,4 kW/m² *. Ses fluctuations, liés aux variations saisonnières de la distance Terre-Soleil sont de +/- 3,4%.

Pour rappel, voici la coupe de l’atmosphère terrestre :

En l’absence de nuages, voici le voyage des rayonnements du soleil indispensables à la formation de nos thermiques :

  • 33% du rayonnement est réfléchi dans l’espace,
  • 17% est absorbé dans l’atmosphère via l’humidité (H2O), l’oxygène (O2), l’ozone (O3), le dioxyde de carbone (CO2) etc.
  • 25% est diffusé dans toutes les directions par certaines molécules et particules en suspension dans l’atmosphère,
  • le restant du rayonnement, soit 25% parviennent à la surface du sol.

Dans notre étude, nous sommes en présence de 2 milieux, l’un l’atmosphère, l’autre le sol.
Le schéma ci-dessous illustre la pénétrations des radiations thermiques de l’atmosphère au sol et les phénomènes rencontrés :

*chaleur sensible : chaleur qui modifie la température d’une matière
*chaleur latente : chaleur qui modifie l’état physique d’une matière solide, liquide ou gazeuse

En fonction de la position du Soleil donnée par l’angle zénithal ε, la puissance brute reçue au sol varie. Celle-ci correspond à la puissance ne prenant pas en compte les phénomènes de réflexion et d’absorption et de diffusion, et elle est donnée par :

Ɛ (rad)
Qs (w.m²)

Ainsi, l’activité thermique la plus intense serait obtenue lorsque le soleil serait au zénith, soit un angle zénithal de 90°, soit  ε= 1,5708rad et donnant ainsi le maximum de puissance dans la journée.

En fonction des régions, l’énergie moyenne reçue au sol varie de 116 à 197 W/m². Il en résulte des conditions aérologiques pouvant être plus ou moins forte selon la région. Voici la carte de France avec l’énergie moyenne (W/m²) reçue au sol par journée de très beau temps  :

Mais beaucoup d’autres paramètres, que nous analyserons au fil des articles, contribuent également à une activité thermique.

Préalablement à la formation des thermiques, les sols accumulent une certaine quantité de chaleur fournit par les radiations solaires. En supplément d’autres paramètres, l’idéal serait d’obtenir un sol réfléchissant un minimum le rayonnement solaire afin d’obtenir suffisamment d’énergie contribuant au réchauffement de nos sols.
Le terme correspondant au rapport de l’énergie solaire réfléchie par une surface sur l’énergie solaire incidente est l’albédo, dont sa valeur est comprise entre 0 et 1.

Ainsi, plus le sol est réfléchissant, plus son albédo est élevé. Voici 2 exemples significatifs :

  • la couleur noire ayant une réflexion nulle correspondrait à l’albédo 0,
  • le miroir parfait, quant à lui, a un albédo de 1.

L’albédo, est un des paramètres indéniable pour le réchauffement du sol que nous survolons.
En général, nos sols ont un albédo (a) compris entre :

0,1 < a < 0,3

Voici des données intéressantes sur les différents types de surfaces :

Image satellite aux couleurs variant en fonction le l’albédo (bassin d’Arcachon):

Ainsi, l’expression suivante prend en compte la nature du sol pour en déterminer le rayonnement solaire incident :

α (adim)
𝛕 (s)

Pour clarifier :

– plus l’albedo est faible, plus le rayonnement solaire incident sera important et inversement.
– plus l’angle Zénital se rapproche de 0°, meilleur sera le rayonnement solaire incident et inversement.

Un autre paramètre important sur l’apparition de thermiques est l’humidité dans l’air et dans dans nos sols. Une forte teneur en humidité dans l’atmosphère peut également rendre difficile le réchauffement de nos sols.
On a déjà entendu un pilote dire “il y a trop d’humidité pour tenir en l’air”. En effet, l’humidité dans l’air peut être un facteur non négligeable dans le développement des thermiques pour différentes raisons dont voici la première.
En présence d’humidité, nous sommes confrontés à une interaction matière-rayonnement. Le taux d’humidité correspond à la quantité de vapeur d’eau contenue dans l’air. Sa présence conditionne la présence de nuages, de brouillard, de précipitations.
Cette humidité, constituée de gouttelettes d’eau de taille variable, absorbe et diffuse (changement de direction) les rayons solaires. Nous appelons extinctions du rayonnement les 2 phénomènes additionnés. Ainsi, nous pouvons concevoir que l’humidité impacte le réchauffement des sols

La présence d’humidité dans nos sols peut influencer son albédo. Deardoff (1978) en donna l’exemple suivant avec un sol argileux en fonction de son contenu en eau :

wg(%) : teneur en eau au sol
wk(%) : valeur critique au delà de laquelle le sol a un comportement saturé

 

L’humidité a t’elle vraiment un rôle néfaste ou bénéfique dans le développement des thermiques ? Voici une des questions intéressantes auxquelles nous tenterons d’y répondre.
Si cette première approche est riche en éléments clef, il ne faut pas oublier que d’autres facteurs ont également leur importance dans le processus du développement des thermiques.

Dans le prochain article, nous aborderons le phénomène de conduction de la chaleur dans le sol et son stockage ainsi que les effets de la présence d’eau dans les sols sur son réchauffement.

 


INFOS +

*Afin de mieux appréhender les notions développées par la suite, le flux correspond à la puissance délivrée sur une surface, soit le transfert d’énergie par unité de temps et par la surface, sachant que
1W = 1J/s (J.s-1)
nous obtenons
1,4kW/m² = 1,4 J/s/m² (J.m-1.m-2)
Le Joule est définit comme le travail d’une force de 1N pour déplacer un point de cette force d’une distance d’1m, ce qui donne :
1J = 1N.m
Son ancienne unité, la calorie, correspond à la quantité de chaleur nécessaire pour élever la température de 1g d’eau de 14,5°C à 15,5°C sous pression atmosphérique normale de 1 atm correspondant à 1013,25hPa.


 

Répondre