La Couche Limite pour les nuls

 
Pour les nuls

L’important n’étant pas de convaincre, mais de donner à réfléchir (Bernard Weber), je m’attache dans les pages mises en ligne à livrer le matos “brut de décoffrage”. Visiblement, si on n’est pas comme Obélix tombé dedans quand on était petit… la gamelle est indigeste. Aussi je vais ici essayer de distiller la pâtée, le ragoût sera un peu insipide et guère calorique, l’appétit venant en mangeant, l’espoir est de vous coller une faim de loup.

A notre échelle, pour rendre compte de la complexité des phénomènes en jeu dans la couche limite, les LES (Large Eddy Simulation) sont les schémas de modélisation qui collent le mieux aux observations, aux relevés sur sites et aux expérimentations. La couche limite est analysée comme la somme de systèmes tourbillonnaires complexes et en interaction. Pour schématiser je propose un jeu de calques à superposer sur 4 niveaux, de la plus grosse résolution à la plus fine.

Vz mesurées le 10 juin 2005 par LIDAR au-dessus de Palaiseau

LIDAR, 30 septembre 2005 Palaiseau

 

2 journées thermiques au-dessus de Palaiseau. Ces figures sont tirées du pdf de l’article publié dans Boundary-Layer Meteorology, de Gibert et al. 2007. J’ai poussé au max le zoom, au détriment de la qualité. Ces images ne sont pas le produit d’une simulation mais résultent des relevés des 2 LIDAR de l’IPSL-LMD. L’objectif du travail était la validation des mesures de Vz par ces instruments, et non la description du développement des structures thermiques. Les mesures ne descendent pas jusqu’au sol, la résolution : 75m verticalement, et le pas des relevés : 1mn, sont énormes à l’échelle de nos parapentes, aussi le but n’est pas d’en extrapoler une description du comportement thermique, mais d’en tirer un gabarit des profils de Vz . Aucun besoin de décrire les structures thermiques, les images sont édifiantes, la couche limite c’est cela…  

Pour figurer les phénomènes en jeu dans CLA ce sera notre fond de calque

Turbulence, E. Universalis

 

F. Couvreux, redescentes

 

Le 1 er canevas que je propose est tiré de l’article sur la turbulence de l’Encyclopédie Universalis, ce sera notre calque “grosse résolution”. J’ai choisi ce schéma pour son dessin des mouvements turbulents qui structurent dans son ensemble la couche limite, “les grands attracteurs thermiques”. Nous pouvons afficher en parallèle la figure tirée de Taconet Weill 1981 cf. page Modélisation qui rend compte des mêmes observations.

Outre les mouvements ascendants, sont schématisées les redescentes à contre gradient d’air chaud provenant de l’atmosphère libre par effet d’entraînement par le thermique. J’ai bien dit chaud,  cf. la page sur les températures potentielles, il est aussi sec, ce point est moins intéressant pour nous cf. page La flotte. Ces redescentes diminuent la Vz des subsidences, le mot argot pour nos dégeulantes, par mélange elles en augmentent la flottabilité et elles apportent un surcroît d’énergie thermique à l’ascendance, c’est du tout bon pour nous.

Pour enfoncer le clou, j’ajoute un schéma du Stull, complété par Fleur Couvreur où elle y dessine ces redescentes à contre gradient. Ces redescentes sont actives, en situation de thermique pur comme en présence de cumulus. Il est certain que la libération de la chaleur latente, et les grandes extensions cumuliformes amplifieront le phénomène.

Le schéma d’Universalis tente de rendre compte, des différentes échelles des mouvements tourbillonnaires. Il renvoie implicitement au schéma de Stull, en décrivant une “couche de surface” à la turbulence très fractionnée par rapport à la “couche de mélange”. Ce point mérite réflexion, la représentation de la CLA en couche comme le fait Stull est trop réductrice. Que ce soit le bordel dans la zone de la couche limite soumise aux interactions avec la surface du sol, c’est certain, j’y reviens plus loin. On doit de la même façon constater les mêmes désordres, peut-être de façon moins marquée, dans ce que Stull nomme la “zone d’entrainement”. Pour autant la turbulence à toutes les échelles est présente sur toute la hauteur de la CLA

F. Couvreux, thermique composite 

 

Le schéma de Stull repris et complété par F. Couvreux, avec les petits tourbillons ajoutés latéralement à l’ascendance et à la subsidence me permet d’introduire le 2 ème calque à superposer. Cette turbulence à tous les étages n’est plus négligée elle est maintenant prise en compte dans les calculs des modèles LES ou en flux de masse via les taux d’entraînement et de détraînement. Le commentaire de F Couvreux sur sa fig 1.6 me dispense de tout ajout.

L’entraînement et le détraînement de particules d’air sur toute la hauteur de la structure thermique a les mes effets sur nos Vz que l’injection de particules d’air de l’atmosphère libre au sommet de la couche limite

Gradient de vent

 

Convergence/divergence sous les structures thermiques 

 

Il reste à superposer le calque qui schématise “la couche de surface”, je reprends la terminologie de Stull par facilité d’écriture, c’est la partie de la CLA qui nous apporte le plus d’émotions, le domaine où tout se joue. Une courte liste des forçages, il faudrait consacrer une page pour chaque point.

  • Le gradient de vitesse du vent géostrophique (météo).
  • Le gradient de vitesse des flux de surface convergent ou divergents générés pas les cellules thermiques structurantes.
  • La rugosité de la surface (et ses variations) qui induit non seulement la dynamique de la turbulence, mais  aussi l’épaisseur de la couche soumise aux effets de gradient.
  • La nature, l’hygrométrie, la capacité thermique du sol et de sa couverture, les échanges radiatifs.
  • La géométrie de la surface convexité, concavité.

La liste des items à ajouter est longue, sa seule limite est notre capacité d’observation.

 

 

Température au sol et déclenchement thermique sont intriqués, dans le modèle “traditionnel”, ce sont les hétérogénéités des capacités thermiques et de la conductibilité des surfaces au sol qui induisent le déclenchement des thermiques (i), dans le modèle présenté ici, les structures thermiques qui structurent l’ensemble de la CLA en se déplaçant  lèchent la couche de surface et provoquent les déclenchements (ii).

Qu’est-ce que cela change pour nous ? En altitude rien, c’est malheureusement au moment où il ne faut pas se panner, lors des points bas, que les “tactiques” divergent. Dans le cas (i) le flux thermique est continu, la méthode préconisée est la recherche et le placement en fonction des zones aux meilleurs rendements thermiques. Dans le cas (ii), le pilote chemine en fonction des cellules thermiques structurantes. A un instant donné la bulle qui va être avalée est celle qui possède la plus forte flottabilité. Dans le cas où les couples : surface au sol/bulle d’air au contact, de 1er et 2eme choix ont été ratissés par la structure thermique qui vient de passer, le temps qu’ils se regonflent, nous ne pouvons pas exclure que ce sont les 3eme, et 4eme choix, les zones a priori pourries, celles  qui n’ont pas bronché lors du 1er passage, qui offrent sous la structure thermique suivante, le plus de potentiel.

Pour clore la question, cet article publié en 2013 dans le journal : Boundary-Layer Meteorology par : Anirban Garai, Eric Pardyjak , Gert-Jan Steeneveld et Jan Kleissl sous le titre : Surface Temperature and Surface-Layer Turbulence in a Convective Boundary Layer, rend compte d’une étude faite pendant la  campagne d’observation BLLAST du 14 juin au 8 juillet 2011. lien CNRS

L’étude porte sur la corrélation entre la température mesurée au sol et la turbulence mesurée au contact dans la couche de surface. Elle conclue que les fluctuations de température de surface au sol sont fortement liées à la turbulence de l’ensemble de la couche limite. Les schémas cohérents surface-température se déplacent à une vitesse d’advection similaire à celle des structures thermiques ou de la vitesse du vent dans la couche de mélange. Des résultats similaires ont été rapportés par Derksen 1974,  Schols et al. 1985, Paw U et al. 1992, Katul et al. 1998, Balick et al. 2003, Ballard et al. 2004, Renno et al. 2004, Vogt 2008, Christen and Voogt 2009 & 2010, Christen et al. 2012, Garai and Kleissl 2011. Ces travaux ont déduit que les fluctuations de la température de surface au sol étaient causées par les structures thermiques de la couche de mélange.

Les observations expliquent l’interaction entre les structures thermiques et la surface. Après un 1er déclenchement, lors du balayage, une parcelle d’air froid descend pour remplacer la bulle éjectée, la surface au sol se refroidit en raison du transfert de chaleur ici entre l’air et le sol, le flux de chaleur est négatif. La température au sol descend, le flux de chaleur : surface au sol/particule d’air au contact y est donc inférieur aux flux des parcelles environnantes, d’une flottabilité moindre la parcelle d’air reste au contact et isole le sol qui se réchauffe progressivement, le flux de chaleur s’inverse, le sol réchauffe la parcelle d’air qui gagne alors en flottabilité, quand sa flottabilité est suffisante, le passage d’une nouvelle structure thermique provoque le déclenchement et un nouveau cycle.

 

La loi de Murphy : Tout ce qui peut arriver, arrivera… Nous avons tous enroulé et nous enroulerons encore des thermiques parfaitement cylindriques, aux Vz en poupée russes. Lorsque le vario s’emballe, la probabilité que la pompe dans laquelle je pénètre respecte ce modèle reste tout de même marginale. 

Seb me rembarre en citant Audiard : Dans un tel merdier…  un con qui enroule ira toujours plus haut qu’un intello qui … et me fait remarquer que peu de buses se tapent Lenschow & Stephens dans le texte.

Effectivement, Komprendre n’est pas une nécessité absolue. Réfléchir voir tenter de respecter 1 ou 2 fondamentaux peut tout de même nous faire avancer… un peu…

1 er point : le placement. J’ai expliqué ma position sur la page Remarque, je n’y reviens pas.

2 ème et 3 ème point : la lecture et le  pilotage dans le thermique. La question est récurrente : me suis-je fait gerber de la pompe, ou suis-je arrivé au terme du cycle de vie de la cellule ou du noyau thermique ? Le fait d’être ou non au plaf n’offre aucune garantie quand à la meilleure réponse à apporter : se casser au plus vite ou merdouiller dans du négatif  pour retrouver le flux salvateur. Nous sommes un peu haut pour jouer à pile ou face, dommage car s’en remettre à une proba 50/50 une fois que le vario râle doit à mon avis donner d’aussi bon résultat que de s’en remettre à la fameuse “carte mentale” de la pompe.

Le “plan mental'” du thermique est un conjecture qui implique a priori une atmosphère idéale où les thermiques sont cylindriques, en poupées russes, stables dans l’espace et dans le temps. Il faut garder à l’esprit que notre collecte d’informations est linéaire dans un environnement turbulent. C’est ce que je sous-entends quand je choisis d’employer le terme lecture, nombre des analogies que suscite ce mot sont parlantes. Avec nos machines nous ne sommes pas aidés, il n’est pas question de revenir ici sur les effets dynamiques de nos appuis et de nos actions aux commandes. Dans l’ascendance une lecture du thermique et non de notre trajectoire impose autant que possible un pilotage cool pour limiter au maximum les variations brutales d’incidence et de direction, pour enrouler en une spirale continue et régulière, pour se limiter à des recentrages  progressifs….

 

 

Je vous conseille la lecture de cette version de : Chasseur de thermiques de Will Gadd  traduit et annoté par Luc Armand. Les 2 pointures nous livrent un des articles les plus abouti sur la question, il regorge d’observations, d’expériences de vol, et d’excellents  conseils. Hormis quelques points de détail, il supporte tout à fait le basculement de paradigme. Les avancées scientifiques y ouvrent des angles de vue des plus intéressants.

 

j.jacques  –  8 août 2018