Des variations de portance conséquences d’une masse d’air non homogène

Au passage d’une zone de turbulence, les aérodynes sont soumis à des variations brutales de portance. C’est pour cette raison que, équipages, passagers ou objets embarqués sont censés être attachés.

L’avion vole grâce à une force : la portance. Cette force est dite aérodynamique. Étymologiquement cela suggère qu’il faut de l’air et du mouvement.
Si, sur la trajectoire de l’avion, les propriétés de l’air (densité, Pression, température, vent) sont constantes, alors il n’y a pas de fluctuation notables de la portance.
Si au contraire il y a une instabilité d’un de ces paramètres, alors la portance est sujette à brèves variations. L’avion traverse une zone de turbulences.

Les turbulences et la sécurité.

Dimension caractéristique des turbulences

Commençons par le commencement : une turbulence est perçue dans le sens commun, comme une brève et inattendue perturbation du mouvement de l’avion due au passage dans une masse d’air non homogène.

Cette masse d’air turbulent comporte des mouvements internes erratiques. Or ces mouvements internes, que l’on peut se représenter comme des tourbillons peuvent avoir des dimensions caractéristiques assez différentes. Ainsi s’ils sont de petite dimension par rapport à l’avion il provoqueront l’apparition de vibrations comparables à celles que l’on ressent en voiture si le revêtement routier est bosselé.

Si leur taille augmente, la fréquence des vibration va en diminuant. Cela peut conduire à la perception de ce que l’on appelle un trou d’air par exemple (c’est à dire une impression de tomber puis de se tasser sur son siège) ou bien encore conduire l’avion à se pencher vers la droite ou vers la gauche (mouvement de roulis).

Mais à partir de quand ces phénomènes deviennent-ils dangereux ? Et bien tout est une affaire d’intensité du phénomène.

Quels sont les dangers des turbulences ?

Les turbulences sont considérées comme légères quand il est encore aisé de se déplacer dans la cabine d’un avion de ligne par exemple,  et comme modérées lorsque ce déplacement devient problématique. S’attacher devient une obligation car on n’est pas loin de se décoller de son siège.

Au delà, si elles peuvent conduire à une brève perte de contrôle (attitude et altitude) de l’avion. elles seront qualifiées de sévères et elles commencent à représenter un problème sérieux suivant la phase du vol dans laquelle on se trouve.

Enfin, en cas de turbulence  extrême, cela peut aller jusqu’à une perte de contrôle durable avec un risque d’altération de la structure de l’avion. Pour ce dernier point, il convient de préciser que ce cas de figure est extrêmement rare car pour atteindre les limites structurelles de l’avion, les accélérations doivent approcher un ordre de grandeur de plusieurs G c’est à dire le niveau d’accélérations ressenties dans un grand 8 par exemple.

Comment prévenir des problèmes liés aux turbulences

Si la vitesse de l’avion dans un air turbulent est trop importante, il est possible que les limites de résistance structurelles de l’avion soient atteintes. Une partie de la structure peut se briser.

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Limitation des performances de vol en cas de turbulence

Les remous les plus importants peuvent secouer sévèrement un avion. C’est pour cela qu’il est généralement préconisé de modérer sa vitesse dans de telles conditions afin de ne pas abîmer la structure de l’avion un peu comme il est déconseillé de rouler trop vite en voiture sur un chemin cabossé..

Il est heureusement peu fréquent d’être surpris par des turbulences car le problème peut être prévu et les apparitions d’événements sévères ou extrêmes sont plutôt rares.

  • Eviter les zones convectives à proximité des cumulonimbus,
  • Anticiper les effets du relief et du vent,
  • Ne pas voler trop proche d’un autre avion à proximité du sol,
  • S’informer sur les risques de cisaillement

Peut-on prévoir où se situent les turbulences ?

Turbulences associées à la présence de nuages

En premier lieu, les nuages sont généralement le siège de turbulences. Pour les nuages plats de la famille des stratus, celles-ci sont faibles. A l’inverse, les nuages de la famille des cumulus, (qui prennent des formes de choux-fleur), sont le siège de courants ascendants plus ou moins forts et sont donc plus turbulogènes la palme revenant au cumulonimbus dans lequel les turbulences sont extrêmes. Il ne faut pas y voler.

Turbulences associées à l’instabilité de l’air

En deuxième lieu, la présence supposée de thermiques lorsque le soleil chauffe le sol cause la plupart du temps des turbulences. Rien de grave dans ce cas là. Il est fréquent que ce phénomène soit associé d’ailleurs à la formation de cumulus.

Le long d’un front chaud froid ou occlus, on trouve des turbulences modérées à fortes. associées aux mouvements convectifs associés à ces fronts.

Turbulences associées au vent et au relief

Extrait de carte TEMSI (temps significatif) . Les turbulences sont repérées par un symbole en forme de chapeau.

Par jour de vent, le relief perturbe la circulation de l’air et il se forme proche du sol des systèmes tourbillonnaires ou turbulents qu’il est prudent d’éviter ou d’anticiper car le tourbillon a la fâcheuse tendance à faire pivoter l’avion. La proximité du sol, invite à un excès de prudence.

Témoignant de ce phénomène au contact du relief, dans un fort système tourbillonnaire on peut observer la formation d’un nuage (rotor) restant comme accroché à la montagne. Associé à cela, un peu plus loin par rapport au relief, on trouve une onde comparable aux vagues de la mer pouvant elle aussi être repérée par des nuages. Les planeurs adorent aller faire joujou dans l’onde. Leurs grandes ailes leur permet d’y être assez à l’aise malgré les turbulences.

Le risque de turbulence associé à un système orographique est repéré sur une carte TEMSI

Turbulences associées au cisaillement de vent

Plus rare est la turbulence associée au cisaillement de vents. Il s’agit de deux couches d’air en contact l’une de l’autre mais dont les vitesses sont très différentes voire inversées.

Turbulence de sillage

Séparation des aéronef à l’arrivée sur Roissy Charles de Gaule (img Flight radar 24)

La turbulence de sillage se forme, comme son nom l’indique dans le sillage des avions. Le même phénomène apparaît derrière tout objet se déplaçant dans l’air. Elle peut se révéler dangereuse notamment lorsqu’elle est proche du sol (typiquement sur les aéroports) et les effets qu’elles produit peuvent se révéler suffisants pour provoquer un crash. Elle s’estompe en quelques minutes ce qui permet d’éviter les problèmes en séparant les aéronefs. Si on trouve des images de beaux tourbillons dans le sillage d’avions volant juste au dessus d’une couche de stratus, la turbulence de sillage n’est que rarement associée à un phénomène visible et doit être anticipée par la connaissance des trafics dans son environnement proche.

Ajoutons que la turbulence de sillage disparaît presque totalement quelques minutes après le passage de l’aéronef.

Turbulence en ciel clair

Enfin, il arrive que l’on parle de turbulences en ciel clair pour désigner des zones de turbulences qui ne sont liées à aucun phénomène apparent (Nuage, onde, sillage, relief). On en trouve par exemple dans en bordure des courants jets dans la haute troposphère. ou au dessus de l’enclume de gros cumulonimbus.

Lorsque de telles turbulences sont repérées, et qu’elles représentent un danger, les organisme de prévision météo aéronautique émettent un signalement sous la forme d’un message SIGMET. Il est composé d’une délimitation géographique du phénomène dans un volume dont les 4 sommet sont repérés par leurs coordonnées géographiques et l’épaisseur est données par deux niveaux de vol.

exemple :

WTN AREA BOUNDED BY 5000N04800W – 5000N04200W – 4500N03600W – 4500N04200W – 5000N04800W. MODERATE TO SEVERE TURBULENCE FORECAST FL320 TO FL400.