Météorologie (Atmosphere)

Météorologie (Atmosphere)

Qu'est-ce que l'atmosphère standard ?

C'est un modèle théorique de référence qui, en se limitant (!) à la troposphère (jusqu'à une altitude d'environ 35 000 ft ou 11 km), répond aux hypothèses suivantes :

* au niveau de la mer, la pression atmosphérique est de 1013 hPa (1013,25 hPa exactement), et la température de + 15°C ;
* la température décroit de 6,5°C quand l'altitude augmente de 1 km (ou, de façon équivalente, décroit de 2°C quand l'altitude augmente de 1000 ft) ;
* l'air est assimilé à un gaz parfait.

Il résulte de ces hypothèses une loi (non linéaire) de correspondance entre altitudes et pressions qui peut être fournie par des formules, ou plus commodément par des tables qui ont été publiées en 1976.

Ce modèle est réaliste dans la mesure où il correspond à des valeurs moyennes de l'atmosphère réelle, mais en même temps il reste idéal car l'atmosphère réelle présente en fait de fortes variations autour de ces moyennes : plus de 30 hPa pour la pression au niveau de la mer, et plus de 20°C pour la température. Pire, la variation de température entre deux altitudes n'est pas constante et peut même localement changer de signe ; corrélativement, la loi de variation de la pression avec l'altitude est alors modifiée.

Malgré ces différences avec l'atmosphère réelle, l'atmosphère standard est utile sur plusieurs aspects :

* Comme modèle de référence, elle facilite la description de l'atmosphère réelle puisqu'il suffit maintenant d'expliciter les différences entre les deux.
* Elle définit une correspondance entre pressions et altitudes : à toute pression p mesurée en atmosphère réelle on sait associer une "altitude pression" Zp qui est l'altitude à laquelle, en atmosphère standard, on aurait la pression p. Plus simplement, on peut dire que l'altitude pression Zp est l'altitude donnée par la table d'atmosphère standard en regard de la pression p. On pourrait donc graduer un baromètre directement en altitudes pressions au lieu de le faire en hPa ou en mm de mercure. En la perfectionnant un peu, cette idée, aboutit à l'altimètre.

Qu'est-ce qu'un altimètre ?

Un altimètre est un baromètre gradué en altitudes pressions, auquel on a ajouté une possibilité de réglage : si dans la fenêtre dite "de calage" on affiche, grâce à un bouton de réglage, une pression pc, l'altimètre affiche la différence Zp - Zpc (en notant Zpc l'altitude pression correspond à la pression de calage pc).

Si pc = 1013 hPa (on parle alors de calage standard), Zpc = 0 puisqu'en atmosphère standard, c'est au niveau de la mer, donc à l'altitude 0, que l'on trouve une pression de 1013 hPa. L'altimètre affiche alors la pression standard Zp. C'est déjà une bonne nouvelle : en atmosphère standard, l'altimètre au calage standard 1013 affiche l'altitude. On avance !

Malheureusement, on a vu qu'on n'est pratiquement jamais en atmosphère standard. Mais l'altimètre va quand même nous permettre de nous "repérer verticalement" en atmosphère réelle.
En effet, la pression peut alors être une fonction assez compliquée de l'altitude réelle, mais elle en est toujours une fonction strictement décroissante même en cas de "bizarreries" locales comme l'inversion de température. Comme l'altitude pression est, de façon similaire, une fonction décroissante de la pression, elle varie dans le même sens que l'altitude réelle. Donc l'altitude pression (on devrait dire la différence d'altitude pression) affichée par un altimètre (calé à 1013 ou pas) est une fonction strictement croissante de l'altitude réelle : on ne sait pas sans calcul quelle altitude réelle correspond à une altitude pression donnée, mais on sait "graduer" la verticale en altitudes pressions et se repérer sur cette échelle des altitudes pressions grâce aux indications de l'altimètre.

En quoi l'atmosphère réelle diffère-t-elle de l'atmosphère standard ?

On peut définir une "atmosphère réelle un peu idéalisée", intermédiaire entre l'atmosphère standard et l'atmosphère réelle :

* la pression atmosphérique au niveau de la mer n'est plus égale à 1013 hPa ;
* la température qui règne sur l'isobare 1013 hPa (surface sur laquelle p = 1013 hPa) n'est plus égale à + 15°C mais à 15°C + Δt ;
* cette atmosphère réelle étant "graduée verticalement" en altitudes pressions, on lui attribue la même loi de variation de la température avec l'altitude pression qu'en atmosphère standard : la température décroit de 6,5°C quand l'altitude pression augmente de 1 km (ou, de façon équivalente, de 2°C quand l'altitude pression augmente de 1000 ft).

Cette atmosphère réelle idéalisée se déduit donc de l'atmosphère standard par deux opérations :

* Modification de toutes les températures, du même écart de température Δt : on dit qu'on est en température standard + Δt.
* Décalage vertical entre le niveau de la mer (altitude réelle 0) et l'isobare 1013 hPa (altitude pression 0).

La modification des températures se traduit par un changement de l'espacement vertical des couches isobares : elles se resserrent si Δt est négatif, et s'éloignent les unes des autres si Δt est positif. Tout se passe comme si l'échelle des altitudes pressions qui sert à graduer l'atmosphère réelle se dilatait en fonction de la température.
Le calcul montre que, jusqu'à une altitude de 10 000 ft, le "coefficient de dilatation" est d'environ 100 ft par tranche de 3000 ft et de 10°C. Si un altimètre indique une différence d'altitude pression de 7500 ft (entre le point où il est placé et la surface isobare correspondant à la pression de calage) un jour où Δt = 20°C, on en déduit que la hauteur réelle (différence d'altitude réelle) correspondante est plus élevée de 100 ft x 2,5 x 2 = 500 ft (puisqu'on a 2,5 fois 3000 ft et 2 fois 10°C). Elle est donc de 8000 ft, et conforme à l'adage "plus chaud, plus haut".

Quant à la "vraie" atmosphère réelle, elle diffère de cette atmosphère idéalisée par des tassements ou des éloignements des isobares localisés à certaines tranches de l'atmosphère. On retiendra que les valeurs données par un aérodrome n'ont qu'une portée locale car les extrapolations se heurtent à la non-conformité de l'atmosphère réelle à ce modèle idéalisé.

Quand l'altimètre indique-t-il de façon exacte l'altitude réelle ou une hauteur réelle ?

La réponse est : pas souvent, sauf si on l'y aide par le calage.

On pouvait s'en douter : les échelles d'altitude pression et d'altitude réelle ont en général "les zéros décalés" et on a vu que, de plus, la hauteur réelle entre deux graduations de l'échelle d'altitude pression varie avec Δt, généralement non nul.

On définit donc les calages suivants :

* QFF : pression au niveau de la mer.
Un altimètre calé au QFF indique bien 0 au niveau de la mer ; mais si Δt est non nul, il indique à tout niveau supérieur une altitude fausse d'environ 100 ft par tranche de 3000 ft et de 10°C de Δt.
* QNH : pression à afficher dans la fenêtre de calage de l'altimètre pour qu'il affiche l'altitude exacte au niveau de l'aérodrome.
A tout autre niveau, si Δt est non nul, il indique une altitude fausse, dans un sens ou dans l'autre selon qu'on vole au-dessus ou au-dessous du niveau de l'aérodrome.
En particulier, il n'indique pas zéro au niveau de la mer, mais environ 100 ft par tranche de 3000 ft d'altitude de l'aérodrome et de 10°C de Δt. Cette erreur est généralement faible pour les terrains de plaine, d'où la confusion fréquente entre QNH et QFF.
* QFE : pression au niveau de l'aérodrome.
Si cette pression entre dans la fenêtre de calage (ce qui n'est pas possible si l'altitude de l'aérodrome est trop élevée), l'altimètre calé au QFE indique 0 au niveau de l'aérodrome, soit la hauteur exacte au dessus de l'aérodrome. C'est le seul niveau où la hauteur indiquée soit exacte ; elle est fausse dans un sens ou dans l'autre selon qu'on vole au-dessus ou au-dessous de ce niveau.

Quand doit-on corriger l'indication de l'altimètre en fonction de l'écart avec la température standard ?

Réponse : en pratique pas souvent, et surtout, ne le faire qu'à bon escient.

Il y a à cela de nombreuses raisons évidentes : rester "devant son avion" et regarder dehors (en plus, c'est beau !) plutôt qu'avoir le nez dans une calculette ou une table d'atmosphère standard, ne pas s'embêter pour des "pouillèmes" alors qu'on est en VFR (à 100 ft par tranche de 3000 ft et de 10°C, il faut à la fois voler assez haut et dans des conditions de température "significativement non standards", pour arriver à des corrections de centaines de ft), etc.

Mais il y a aussi une raison plus subtile : c'est que le calage de l'altimètre est avant tout une convention simple qui permet de se coordonner avec un minimum d'erreurs.
Deux avions dont les altimètres au même calage affichent des altitudes pressions différentes (suffisamment pour que les erreurs de mesure soit négligeables) vont pouvoir se croiser sans risque de collision. Ils ne savent pas forcément à quelle altitude réelle ils sont, mais au moins, ils ne sont pas à la même.

Donc si le contrôle demande à un pilote de voler à 3000 ft QNH, il doit le prendre au pied de la lettre et ne surtout pas voler calé au QFF avec l'altimètre à 2800 ft sous prétexte d'être "vraiment à 3000 ft" malgré la canicule...

De même, si on doit voler par exemple au FL 85, il est pertinent de vérifier, lors de la préparation du vol, qu'en fonction des conditions du jour (QNH et Δt) ça passe bien au-dessus de l'altitude de sécurité (et pas seulement au-dessus de la surface...). Mais pour la même raison que ci-dessus, le vol au FL 85 impose de maintenir 8500 ft à l'altimètre calé à 1013, et il n'y a surtout pas de correction de température à appliquer.

Merci à Claude Goumain pour son partage