LE PLANEUR

LES ASCENDANCES

- Ascendances thermiques
- Ascendances de pente
- Ascendances de convergence
- Ondes orographiques

Introduction

Nous avions vu dans le chapitre Mécanique du vol qu’un planeur ne fait que descendre en vol plané, c’est-à-dire qu’il chute en permanence par rapport à la masse d'air, qui l’entoure. Si cette masse d'air est stable ou descendante, le planeur descend par rapport au sol.
Pour se maintenir en l'air, voire gagner de l’altitude et transformer cette altitude en distance après un treuillage ou un remorquage par avion, le pilote (vélivole) devra rechercher et spiraler dans les ascendances (ou pompes) qui monte plus vite que lui ne descend pour gagner de l'altitude, puis transiter le plus rapidement possible dans les descendances (ou dégueulantes) pour spiraler dans une autre ascendance. Le vol à voile consiste donc à prendre et à reprendre de l'altitude par ses propres moyens dans le but d'accomplir des vols autour de l'aérodrome, d'effectuer des distances ou des circuits.
Il existe trois principaux types de courants verticaux :
- les ascendances thermiques ;
- les ascendances dynamiques (vol de pente) ;
- les ondes orographiques.

Ascendances thermiques

L’ascendance thermique, ou bulle de convection, Voir Météo La convection est le mouvement vertical d'une "bulle" plus légère que l'air environnant par réchauffement thermique. En effet plus une masse d'air donnée est chaude plus son volume est grand et son poids spécifique est faible. Ces ascendances thermiques sont le plus souvent dues au réchauffement diurne. En fin de matinée elles sont provoquées par un réchauffement différentiel du sol entre deux zones, tel champ de blé sera par exemple rendu plus chaud que la bordure de la forêt avoisinante, telle pente de relief verra croître sa température par rapport à la portion de vallée d'où elle s'élève, etc. Plus la différence de température est importante, plus la probabilité de trouver un thermique sera forte.

Forme et structure des thermiques

Il existe deux modèles conceptuels primaires pour la structure des thermiques :
- le modèle à bulles ;
- le modèle à colonnes ascendantes.
Le modèle qui représente le mieux les thermiques rencontrés par les pilotes de planeurs fait l'objet d'un débat permanent entre les "scientifiques de l'atmosphère". En réalité, il existe probablement des thermiques correspondant aux deux modèles conceptuels, plus un mélange de ces modèles, comme des bulles fortes individuelles s'élevant à l'intérieur d'une colonne, c'est certainement ce qui se produit dans de nombreuses situations. Ces modèles tentent de simplifier un phénomène complexe et souvent turbulent, beaucoup d'exceptions et de variations sont à prévoir en vol en thermiques.
Le modèle à bulles décrit un thermique individuel ressemblant à un anneau vortex, avec de l'air ascendant au milieu et de l'air descendant sur les côtés. L'air au milieu de l'anneau vortex monte plus vite que la bulle thermique entière.
Parfois, un planeur peut se trouver au sommet de la bulle en grimpant lentement, tandis qu'un planeur en dessous monte rapidement dans la partie la plus forte de la bulle.

Le plus souvent, un planeur qui vole sous un autre planeur, dans un thermique peut spiraler dans ce même thermique et monter, même si les planeurs sont espacés verticalement de 300 mètres ou plus. Cela suggère que le modèle de colonne ascendante des thermiques existe.

Lequel des deux modèles décrit le mieux les thermiques dépend de la source ou du réservoir d'air chaud près de la surface. Si la surface chauffée est plutôt petite, une seule bulle peut monter et emporter avec elle tout l'air de cette surface chauffée. Par contre, si une grande surface est chauffée et qu'un point agit comme déclencheur initial, l'air chaud environnant s'écoule dans le vide relatif laissé par le thermique initial. L'air chaud entrant suit le même chemin, créant une colonne thermique ascendante. Comme il est peu probable que tout l'air réchauffé près de la surface ait exactement la même température, il est facile d'envisager une colonne avec quelques ou plusieurs bulles encastrées. Des bulles individuelles à l'intérieur d'une ascendance thermique peuvent fusionner, tandis qu'à d'autres moments, deux bulles adjacentes et distinctes semblent exister côte à côte. Il n'y a pas deux thermiques identiques puisque les sources thermiques ne sont pas les mêmes.

Qu'il s'agisse d'une bulle ou d'une colonne, l'air au milieu du thermique monte plus vite que l'air en périphérie du thermique. Les vrais thermiques ne sont généralement pas parfaitement concentriques leur diamètre est de l'ordre de 150 mètres à 300 mètres, bien que la taille varie considérablement d'un thermique à l'autre.
Ci-dessous coupe horizontale d'un thermique idéalisé.

Généralement, en raison du mélange avec l'air ambiant, les thermiques se dilatent au fur et à mesure qu'ils montent. Ainsi, la colonne thermique peut ressembler à un cône, avec la partie la plus étroite près du sol. Les ascendances thermiques s'inclinent également sous un vent régulier et peuvent devenir très déformées en présence d'un cisaillement vertical.
Ci-dessous cycle typique de vie d'un thermique avec cumulus.

Un vent faible favorise la convection alors qu'un vent fort tend à réduire l'augmentation de température dans les basses couches et à incliner l'ascendance avec l'altitude. Un vent trop fort cisaillera l'ascendance et la rendra inexploitable.

Thermiques purs

On rencontre en général le thermique pur appelé également thermique bleu en situation anticyclonique l'air y étant sec. N’étant pas matérialisé par un cumulus ce type de thermique est beaucoup plus difficile à visualiser et le pilote devra chercher les zones à forts contrastes susceptibles de déclencher les ascendances comme les champs de blé, les carrières...

Émagramme d'un thermique pur
La particule d'air non saturé suivra l'adiabatique "séche" jusqu'au point de croisement avec la courbe d'état.

Température prévue au sol Tc 24 °C à 14 heures.
Pas de condensation "air sec".
Le point de rencontre entre l'adiabatique "sèche" et la courbe d'état donnera le sommet de l'ascendance, soit : 1800 mètres
Voir Les émagrammes

Thermiques avec cumulus

L'air présent au voisinage d'un sol chaud se réchauffe à son contact et se dilate. Plus léger, il monte dans l'atmosphère avant de se refroidir en altitude pour former des nuages. Ces nuages de convection, apparaissent d'autant plus facilement qu'il y a de l'air froid en altitude (masse d'air instable). Leur base est horizontale, l'altitude et la forme de leur sommet évoluent en fonction de la température. Ils sont fréquents l'été sur terre, l'hiver au-dessus de la mer.

Émagramme d'un thermique avec cumulus
Dans l'exemple ci-dessous la pression au sol est de 1000 hPa et l'altitude 150 m. Le sondage prévoit une température au sol de 24°C à 14 heures et la température du point de rosée à 9 °C soit un rapport de mélange de 7,2 g/Kg. L'atmosphère est instable au moins jusqu'à 3500 m d'altitude. On suppose que le rapport de mélange ne varie pas au cours de l'ascension de la bulle, c'est-à-dire que la bulle d'air n'échange pas d'eau avec l'air environnant.
Base du cumulus
- En P1 température 24 °C.
- En P2 point de rosée 9 °C
- En quittant le sol en P1 la température de la particule d'air se refroidit en suivant l'adiabatique sèche (ligne verte continue).
- La température du point de rosée suit la ligne iso-rw (ligne bleue).
- Le point de condensation Tc est l'altitude de la base des cumulus 1800 m et correspond à l’intersection de la ligne iso-rw et de l’adiabatique sèche passant par 1.

Arrivée à Tc la particule d'air est saturée et sa température se refroidira en suivant la pseudo-adiabatique (adiabatique saturée ou humide).
- Au croisement avec la courbe d'état la particule d'air s'arrête de monter, c'est le sommet des cumulus. Sur le graphique 3400 m.
- Lors de son ascension si la particule d'air ne rencontre pas la courbe d'état, elle atteindra la tropopause, et les cumulus se transformeront en cumulonimbus.

Thermiques de restitution

En fin de journée le rayonnement solaire est plus faible, les parties du sol qui dans la journée ont été le plus chauffées se refroidissent rapidement au crépuscule et la convection ralentit. Mais le refroidissement n’est pas uniforme, certaines zones sombres (bois, prairies etc...) qui ont pendant toute la journée accumulé de la chaleur vont la restituer alors que les zones plus claires (blés, carrière, etc.) ont déjà refroidi. Ces zones avec des Vz de l'ordre de 0,5 à 0 m/s sont généralement très larges et calmes et le pilote devra afficher la vitesse de chute minimale pour rester le plus longtemps possible en vol, ou la vitesse de finesse maximale pour aller le plus loin possible. Le planeur devra être le plus léger possible avec ses ballasts vides. Malheureusement ce phénomène est de courte durée.

Ascendances de pente

On distingue plusieurs types d’ascendances en vol de pente :
- ascendances dynamiques : soulèvement de la masse d’air le long du relief ;
- ascendances thermiques : dues au réchauffement de la paroi par l'ensoleillement ;
- ascendances thermodynamiques : combinaison des deux

Ascendances dynamiques

Les filets d'air ont toujours tendance à épouser plus ou moins le profil de relief de sorte qu'une colline ou une montagne déforme considérablement le flux d'air. Les ascendances de pente consiste donc à utiliser ces courants ascendants produits par le soulèvement mécanique de l'air lorsqu'il rencontre le relief en amont au vent d'une colline, d'une crête ou d'une montagne. Cette colline ou montagne va engendrer une zone d'ascendance sur la face au vent, suivie d'une zone descendante sur la face sous le vent.
L'action perturbatrice sur l'écoulement de l'air sera fonction de :
- la forme de la montagne ;
- la vitesse du vent ;
- la valeur de décroissance de la température avec l'altitude.
Pour une colline isolée à faible pente, une partie de la masse d'air s'écoulera latéralement, tandis que l'autre partie s'élèvera, mais les mouvements verticaux resteront faibles.

Une colline un peu plus large avec une face au vent d'au moins 1,5 km ou plus de long, peut produire une ascendante, mais l'effet de pente est limité à une petite zone. Les meilleures collines pour le vol à voile sont d'au moins quelques kilomètres de long, avec une hauteur minimale d'environ 300 mètres au-dessus de la vallée adjacente. En plus la pente doit être assez raide. Les pentes peu raides ne créent pas une composante de vent verticale assez forte pour compenser le taux de chute du planeur. Par contre, les pentes très raides, presque verticales, peuvent ne pas être idéales non plus. De telles pentes créent des ascendances, mais peuvent produire des tourbillons turbulents en bas de la pente, n'importe où le long de la pente et même près de la crête.

Facteurs influents
- le relief doit être suffisamment étendu afin d'éviter d'être contournés par le vent. Il faut tenir compte également de sa hauteur, de sa forme ;
- la force du vent doit être suffisante et régulière (15 à 30 Kts) ;
- l'orientation idéale du vent est quand il souffle perpendiculaire à la pente, mais le vol de pente reste exploitable pour des angles plus faible (40° à 30°).
- la configuration de la pente isolée avec dégagement ou dans une vallée.

Ascendances thermiques

Ce phénomène existe lorsqu'il n'existe ni vent, ni brise de pente. Le réchauffement d'une paroi exposée au soleil est plus intense que celui d'un terrain plat adjacent parce que le rayonnement solaire frappe la pente sous des angles plus perpendiculaires. De plus, l'air plus frais s'accumule habituellement en bas des collines pendant la nuit et met plus de temps à se réchauffer le matin. Si cette masse d’air est légèrement instable, cela va générer une ascendance sur toute la longueur de la paroi. Comme pour le vent anabatique les thermiques se manifesteront sur les faces Est le matin et sur les faces Ouest l'après-midi.

Ascendances thermodynamiques

Comme pour les ascendances thermiques la masse d'air située le long d'une pente s'échauffe sous l'action du soleil, le sommet sera en général plus exposé que le bas de la pente ce qui crée un réchauffement différentiel supplémentaire, ce phénomène va créer une brise de pente. Cette brise va longer la pente pour des raisons de viscosité et ainsi créer le mouvement de brise montante. Ce vent dit « anabatique » se manifestera sur les faces Est le matin et sur les faces Ouest l'après-midi et peut s'ajouter au vent ambiant. Voir Météo - Vents locaux
Ce phénomène est appelé par les vélivoles français «ascendance thermodynamique»; aux États-Unis, on parle simplement de vent anabatique.

Les zones le long de la pente qui sont à l'ombre sont celles où l'air descend et s'enfonce. S'il y a de fortes ascendances du côté ensoleillé de la montagne, il y a certainement de fortes descendances sur le côté à l'ombre ou sombre de la pente. La crête est l'endroit où l'air ascendant commence à redescendre.

Précautions à prendre

Tout comme l'écoulement qui est dévié vers le haut du côté au vent d'une crête, il est dévié vers le bas du côté sous le vent d'une crête. Ce courant descendant peut être d'une force alarmante - jusqu'à 2 000 ft/min (600 m/min) ou plus, près d'une crête abrupte avec des vents forts.

Les collines avec les sommets plats offrent également peu de refuge, car l'enfoncement (descendance) et la turbulence peuvent se combiner pour rendre impossible l'approche de la colline au vent.

Enfin, la partie d'une colline au vent avec des rebords ou des " marches " exige une prudence supplémentaire, car des tourbillons, de la turbulence et un "enfoncement" à petite échelle peuvent s'y former.

En résumé : Ne jamais croire qu'il y a toujours une ascendance sur une pente bien orientée par rapport au vent ou ensoleillée, et il faut toujours prévoir une alternative de dégagement.

Vol en planeur à Saint Rémy des Alpillles
Séquence ajoutée https://www.youtube.com/watch?v=3MGBJxKdgpo

Ascendances de convergence

Lorsque deux masses d'air opposées se rencontrent, l'air est poussé en altitude par les deux vents opposés. L'air n'a pas besoin de rencontrer un front pour s'élever. On trouve couramment une ligne de convergence près des zones côtières avec la brise de mer et la brise de terre. Voir Météorologie - Les vents.
Pendant les journées les zones à l’intérieur des terres se réchauffent, tandis que la mer adjacente maintient à peu près la même température. Ce réchauffement entraîne une baisse de la pression atmosphérique, ce qui permet d'aspirer de l'air marin plus frais. À mesure que l'air plus frais se déplace vers l'intérieur des terres, il se comporte comme un front froid miniature peu profond et se soulève le long d'une ligne de convergence (dessin ci-dessous). Parfois, on peut trouver une ascendance constante le long du front de brise de mer, tandis qu'à d'autres moments, elle sert de point de mire pour une ligne de thermiques. Si l'air intérieur est assez instable, le front de brise de mer peut servir de foyer à une ligne d'orages.

La convergence peut également se produire le long et autour des montagnes ou des crêtes. Dans le dessin ci-dessous, l'écoulement est dévié autour d'une ligne de crête et se rencontre comme une ligne de convergence du côté sous le vent de la crête. La ligne peut être marquée par des cumulus ou par une limite avec un fort contraste de visibilité. Ce dernier cas se produit si l'air qui arrive autour de l'extrémité de la crête s'écoule le long d'une zone urbaine polluée. Dans les terrains très complexes, avec des crêtes ou des pentes orientées à différents angles les unes par rapport aux autres, ou avec des passages entre de hauts sommets, des zones de convergence à petite échelle peuvent se trouver dans des vallées adjacentes, selon la force et la direction du vent.

Ondes orographiques

Ces ondes orographiques sont aussi connues sous les noms d'« onde de relief », d'« onde de montagne » ou « onde de ressaut » ou en anglais Mountain waves (vagues de montagne).
Les ascendances des ondes orographiques sont fondamentalement différentes des ascendances de pente. Le vol de pente se produit du côté au vent d'une crête ou d'une montagne, tandis que le vol en ondes se produit du côté sous le vent. La remontée mécanique de montagne s'incline parfois au vent en fonction de la hauteur. Par conséquent, à certains moments près du sommet de la vague, le pilote du planeur peut se trouver presque directement au-dessus de la montagne ou de la crête qui a produit la vague. L'ensemble du système d’ondes est également plus complexe que le scénario relativement simple du vol de pente.
Dans un environnement stable, les vents forts qui soufflent perpendiculairement à une barrière (montagne) sont forcés de s'élever du côté au vent et de descendre le long des pentes sous le vent. Le courant d'air perturbé commence à osciller en une série de vagues lorsqu'il se déplace vers l'aval, générant des ondes ou des vagues de montagne.

Mécanisme de formation de l'onde

L’onde se forme dans l'air stable lorsqu'une parcelle d’air est déplacée verticalement et oscille ensuite de haut en bas alors qu'elle tente de revenir à son niveau initial.
Dessin ci-dessous.
1 - à gauche, la parcelle sèche est au repos à son niveau d'équilibre.
2 - puis la parcelle est déplacée vers le haut le long de l'adiabatique sche, où elle devient plus froide que l'air ambiant.
3 - la parcelle accélère alors vers le bas vers son niveau d'équilibre, mais elle dépasse le niveau dû à l'élan et continue à descendre.
4 - la parcelle est maintenant plus chaude que l'air ambiant, et recommence à monter. Le processus se poursuit jusqu'à l'amortissement du mouvement. Le nombre d'oscillations dépend du déplacement initial de la parcelle et de la stabilité de l'air.
Dans la partie inférieure du dessin, le vent a été ajouté, illustrant la configuration des vagues que la parcelle produit lorsqu'elle oscille verticalement. S'il n'y avait pas de vent, une parcelle déplacée verticalement oscillerait de haut en bas au même endroit au-dessus du sol, et subirait un amortissement lent un peu comme un ressort.

La partie inférieure du dessin illustre également deux caractéristiques importantes de toute onde. La longueur d'onde est la distance horizontale entre deux crêtes d'onde adjacentes. Les longueurs d'onde typiques des montagnes varient considérablement, entre 3 et 30 kilomètres. L'amplitude est la moitié de la distance verticale entre le creux et la crête de l'onde. Voir Turbulences orographiques
Si les ondes restent essentiellement stationnaires pendant que l'air les traverse, on parle d'ondes stationnaires.

Sous l'écoulement régulier de l'onde se trouve une zone de turbulence à basse altitude, avec une circulation rotorique intégrée sous chaque crête de l'onde. La turbulence, surtout à l'intérieur des différents rotors, est habituellement modérée à forte et peut parfois devenir extrême. (dessin ci-dessus).
Ce modèle conceptuel est souvent représentatif des ondes orographiques réelles, mais de nombreuses exceptions existent. Par exemple, des variations du modèle conceptuel se produisent lorsque la topographie comporte de nombreux éléments tridimensionnels complexes, comme des pics plus élevés, de grandes crêtes ou des éperons à angle droit avec la chaîne principale.
Lorsque l'air est suffisamment humide, certains nuages peuvent apparaître dans l'air ascendant des ondes orographiques :
- Cirrocumulus permanent lenticulaire (CCSL).
- Altocumulus permanent lenticulaire (ACSL).
Ces nuages en forme de lenticulaire se forment le plus souvent au-dessus ou en aval des chaînes de montagnes et restent stationnaires, généralement pendant quelques heures (rarement plus d'une journée), ils ne produisent pas de précipitations. Parfois, ces ondes se propagent sur de longues distances dans des "trains d'ondes sous le vent", de sorte que les effets peuvent aussi se faire sentir sur une grande distance. Les nuages d'onde peuvent également apparaître à différents niveaux simultanément (empilement de lenticulaires photo ci-dessous).
L'auteur de ce site se souvient d'un vol avec un ami vélivole en planeur Bijave immatriculé F-CCTE et équipé d'oxygène. En partant de Colmar être monté au-dessus des Vosges à 7 500m à l'avant d'un front chaud. C'était en décembre ........ 1966.

Résumé

Les sources d'ascendances ont été classées en quatre catégories : thermique, pente, convergence et onde. Souvent, il existe plus d'un type d'ascendances en même temps, comme les ascendances thermiques avec ascendances de pente, les ascendances thermiques dans une onde, les zones de convergence améliorant les ascendances thermiques, les ondes thermiques et les ascendances d'onde et de pente. En terrain montagneux, il est possible que les quatre types d'ascendances existent en une seule journée. Le pilote de planeur devra donc s'adapter pour profiter des différents types et emplacements d'air ascendant pendant le vol. Il existe probablement d'autres sources d'ascendances que ces quatre types mentionnés.