Capteur / Déclencheur

 

Le site Air Bouz Band partage les 3 volets d’une publication de Will Gadd sur les thermiques : Une grosse tartine, mais une tartine de miel, un délice d’observations et d’expériences, à dévorer d’urgence, si ce n’est pas déjà fait. Voici – le lien sur le site Air Bouz – cette page est imprimable  – ici –  en pdf.

Je m’intéresse dans cet article à sa 1 ère partie : Capteurs et déclencheurs. Nous ne pouvons tous que confirmer la pertinence des observations de Will Gadd. Je résume : Will pour trouver l’ascendance en basse couche, recherche au sol les zones qui convertissent le mieux l’énergie solaire en énergie thermique: les capteurs. Ces capteurs à eux seul ne déclenchent pas le mouvement ascendant, il leur faut des déclencheurs pour provoquer le décollement attendu.

En gros chez nous en ce mois d’août, les grosses parcelles moissonnées devant, sèches, pierreuses et aujourd’hui non encore déchaumées sont le capteur, l’arrête du coteau sous le vent de ces champs, déclencheur.

Dans sa phase « en contact avec le capteur », la bulle thermique est animée par un mouvement convectif interne, certes étroit et souvent violent, mais exploitable. La partie ascendante de ce mouvement ne nous permet pas de nous extraire, mais nous entraîne jusqu’au déclencheur.

Will Gadd, explique: « Je crois que les thermiques ont une certaine tension de surface, et ont tendance à suivre et coller le sol avant de se libérer »

Je ne commente pas ici les lois de la physique fondamentale : tension superficielle, forces de Van der Walls, etc. Sur ces sujets, nous trouvons d’excellentes pages sur la toile.  Les tensions de surface mentionnés par W. Gadd sont certainement à évaluer. J’ajoute une autre explication simple, voir cette vidéo mise en ligne par l’Université de Lille. – Lien ici ou sur l’image – 

Pour que la poussée d’Archimède puisse s’exercer il faut qu’une lame « d’air froid » (j’emploie cette expression par facilité, les termes air froid à l’extérieur de la bulle et air chaud à l’intérieur m’indisposent), se glisse entre la bulle et le sol. Sans ce décollement les forces de pression plaquent la bulle au sol. C’est le cas pour la balle de ping-pong, l’écoulement de l’eau par l’entonnoir empêche la formation de la lame d’eau sous la balle qui permettrait aux forces de pressions de s’exercer sur la totalité de la surface de celle-ci.

C’est le « rôle » du déclencheur que de provoquer ce décollement salvateur.

Tant que notre particule d’air adhère au sol, l’énergie thermique transmise des molécules du sol aux molécules du gaz, dilate la bulle selon les lois des gaz parfaits.une remarque

A ce sujet quand nous citons Boyle, Mariotte, Avogadro, Charles et Gay-Lussac, il ne faut pas oublier Van der Walls qui formalisa les forces de cohésion qui expliquent la formation de nos bulles, et modula l’expression des lois des gaz parfaits à appliquer dans les calculs relatifs à nos thermiques

La variation de volume de la bulle crée des contraintes sur l’air environnant, ces contraires dans le schéma classique de la représentation du thermique sont libérées par la poussée d’Archimède.une autre remarque
Le théorème d’Archimède « Tout corps plongé dans un fluide au repos etc… » n’est applicable que dans un fluide au repos. Nous ne ne pouvons pas considérer nos basses couches atmosphériques comme un fluide au repos, c’est tout le contraire les bulles thermiques sont en expansion dans un environnement brassé par le vent. Il faut donc être prudent sur l’application de ce théorème dans tout calcul mettant en jeux les forces exercées sur les thermiques.

Tant qu’elle reste collée au sol l’énergie acquise ainsi par la bulle ne peut être dissipée verticalement via Archimède, il faut donc qu’elle le soit par l’établissement et l’accélération d’un mouvement de rotation interne, une sorte de spin, sur le plan horizontal et sur le plan vertical. Ce phénomène est bien visible en juin sur les orges, et en plein été grâce aux poussières et aux pailles charriées. Ce n’est qu’une fois la bulle décollée du sol par le déclencheur que la poussée d’Archimède s’exerce. Cette poussée prend au fil de l’ascension le pas sur le spin. En effet cette rotation n’étant pas entretenue, la résistance de l’air, sa viscosité, les frictions internes la freinent. Nous pouvons tous constater globalement un ralentissement de la vitesse de rotation du thermique à mesure qu’il s’élève. Ce “freinage” n’est que la dégradation naturelle de l’énergie mécanique de ces mouvements internes en énergie thermique (frottement -> chaleur). Donc à terme la poussée d’Archimède nous les convertit en Vz, rien ne se perd…

Dans les ouvrages et sur les pages internet traitant des thermiques, je suis agacé qu’aucune explication soit avancée pour justifier la course de nos bulles sur la surface des champs, cf. les orges et les poussières. Diantre ! parapentistes, deltistes et vélivoles, serions-nous plus bête que les footballeurs ? (humour à 2 balles, à prendre au second degré bien entendu). Une frappe enveloppée dans la lucarne et la trajectoire de la bulle dans la plaine relèvent du même phénomène : l’effet Magnus.

Je vous revoie encore une fois aux pages des professeurs, celle de wikipédia par ex, toutefois le schéma proposé sur cette page et souvent copié, est à mon avis incorrect. Voici en plus une vidéo fort sympatrique  – Lien ici ou sur l’image –  pour illustrer la question.

Le vent météo crée l’impulsion initiale qui lancera la translation. L’effet Magnus compte tenu du diamètre de nos bulles et de leur vitesse propre de rotation, accélérera leurs déplacements et incurvera leurs trajectoires.

Durant sa course, le «tourbillon» balaye la plaine tout en avalant les autres particules thermiques en cours de formation ou de développement situées sur sa trajectoire. Les variations de pression brutales qu’il génère créent des vagues de pression qui se propagent et qui jouent à leur tour le rôle de déclencheur et d’attracteur pour des particules thermiques proches de leur état d’instabilité situées dans son champ d’interaction Cette accrétion renforcera le vortex en ajoutant à l’énergie de la bulle primaire l’énergie des bulles et bullettes avalées, et cela dans des proportions grandissantes.

La trajectoire résulte donc de l’action conjointe des 2 forces, la résistance de l’air induite par le vent météo qui entraîne la bulle dans son axe et l’effet Magnus qui l’accélère.

Toutes les bulles formées ou en formations ne sont pas homogènes, le vent météo au sol n’est pas non plus laminaire. Chaque particule a donc un effet Magnus propre qui dévie sa trajectoire dans une direction et à une vitesse différente des particules voisines. Il est communément admis que pour une journée donnée tous les thermiques tournent dans le même sens (ce principe peut être discuté mais le cas contraire ne remet pas en question le raisonnement). Je suppose donc que dans la plaine toutes les bulles se déplacent globalement dans la même direction le sens du vent, voir vers le centre d’un système thermique établi, sur des trajectoires et à des vitesses chaotiques. Inévitablement les bulles vont entrer en contact, c’est l’accrétion.Remarque

Dans la 2eme partie de son article Will Gadd décrit le thermique comme un arbre, je cite: « je me représente l’alimentation des thermiques vers les nuages comme des arbres, avec de nombreux petits thermiques racines qui en alimentent de plus grandes jusqu’à ce qu’elles atteignent le tronc et conduisent au nuage. » Le schéma ici est imagé c’est celui communément admis, c’est ce que j’appelle un système thermique établi.

Dans le cas le plus probable, le plus favorable à l’accrétion, celui ou la vitesse relative des 2 bulles est la plus importante, à l’instant et au point de contact , les vitesses tangentielles sont directement opposées. C’est le choc frontal ! La grosse gamelle. Une analogie facile en exemple: dans un peloton, quand la roue avant d’un vélo percute la roue arrière du vélo qui le précède l’envol du malheureux est alors spectaculaire, cette première chute en provoque d’autres en cascade. Si on imagine notre thermique comme un flux de petites cellules formant un mouvement convectif général, l’image est parlante. Il faut ajouter le fait que, dans nos thermiques, localement le gradient de pression chute brusquement ce qui provoque une dilatation violente la zone de contact. En bordure de noyau puissant, nous avons tous en mémoire des vracs inoubliables.

Autre conséquence de l’effet Magnus. Le volume de nos bulles n’est pas inscrit dans une enveloppe rigide comme un cylindre, un tore ou une sphère. La surface de contact entre les milieux intérieur et extérieur se situe au point d’équilibre entre les pressions internes et externes. Cette surface se déforme en permanence en fonction de la variation des contraintes. Si on ne prend en compte à l’extérieur que la pression atmosphérique et à l’intérieur que les pressions définies par les lois des gaz parfait, en coupe nos bulles et nos thermiques seraient parfaitement circulaires. La résistance de l’air tend à déformer cette section en forme de goutte d’eau. L’effet Magnus la courbe de façon dissymétrique. A première vue, la combinaison de ces 2 effets dans un milieu perturbé, ne peut conduire qu’à des déformations chaotiques.

Une stabilité en très basse couche favorise bien entendu ce phénomène. Juste une piste pour aborder cet aspect sur le plan aérologique. Il faut se replonger dans les radiosondages et aborder les calculs de Hauteur de Convection Libre : HCL noté aussi sur les émagrammes LFC : Level of Free Convection. Encore un sujet de réflexion digne d’intérêt. Au cours du réchauffement diurne, les couches d’air au contact du sol se déstructurent, leur stabilité augmente par l’augmentation de leur température propre, on constate aussi l’augmentation de la hauteur des couches concernées, cette hauteur de convection libre monte donc en cours de journée, naturellement les vortex les plus puissants apparaissent au maximum de l’activité thermique.

 

 

Dans ces 3 publications, Will Gadd nous livre une mine d’observations et de réflexions, il y a là matière à quelques articles intéressants, à vos claviers !

 

22 août 2017 – jjacques