Expérience et science des thermiques
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- Publication : samedi 13 juin 2009 23:00
- Écrit par Martin Gassner
NDLR: article super intéressant. A lire absolument, car il va à l'encontre de la croyance de beaucoup de libéristes !
Si le gradient de température est trop grand, les thermiques deviennent durs et étroits. La constatation du chef de la ligue, Martin Scheel, concorde de façon étonnante avec les études scientifiques faites dans ce domaine.
«Si le gradient de température est trop grand dans la couche atmosphérique inférieure, à partir d'environ 0,8°C par 100 m,» explique Martin Scheel, directeur d'épreuves aux CS à Fiesch, «les thermiques se renforcent, mais ne sont guère exploitables. De nombreuses bulles filent dans le ciel telle une succession de coups de canon. Quasi inutilisables.» Avec grande attention et quelque peu ébahis, les pilotes qui l'entourent suivent ses explications tellement contraires à l'opinion courante, selon laquelle les thermiques s'améliorent avec l'accroissement du gradient de température. Et il poursuit: «L'expérience a montré qu'un gradient d'environ 0,6°C par 100 m est meilleur. Les thermiques sont plus doux, plus larges, plus faciles à exploiter.» Pilote d'essai, riche en expériences, il prend soin de préciser que son interprétation s'est avérée petit à petit et n'existe dans aucun abécédaire des thermiques, puis il demande aussitôt si la science n'avait pas abouti à des résultats similaires.
Que dit la science?
Il y a longtemps déjà que les bulles thermiques en milieu liquide ou gazeux ont relevé l'attention, tout particulièrement en dynamique des fluides et en thermologie, et sont une fort exigeante matière tant sur le plan expérimental que théorique. La première grande observation de convection dans une couche horizontale nous renvoie au physicien anglais Thomson (1882). Celui-ci observa qu'une bassine remplie d'eau savonneuse se refroidissait en haut sous l'effet de l'humidité qui s'évaporait. Il vit apparaître à la surface refroidie un dessin linéaire mosaïqué. A juste titre, il conclut que de l'eau froide convergeait à hauteur de ces lignes et s'affaissait vers le bas à travers l'eau chaude. Et c'est le physicien Townsend qui en 1959 prouva que des bulles thermiques naissaient aussi sur une plaque chauffée dans l'atmosphère. En 1966, le théoricien Howard formula une théorie phénoménologique encore largement valable aujourd'hui. Selon son modèle, les bulles thermiques apparaissent dans un cycle périodique à trois étapes. Sur la plaque chauffée se forme d'abord une couche d'air uniformément réchauffé, qui s'épaissit progressivement jusqu'à atteindre une épaisseur critique. Puis arrive le moment où devenue instable, elle se déchire ouvrant ainsi la voie aux bulles thermiques. Pour finir, les masses d'air se mélangent intensivement, anéantissant les écarts de température, de là recommence l'ensemble du processus.
De bulles thermiques en forme de champignons se détachent
périodiquement d'une surface chauffée. Petit taux d'échauffement.
Grand taux d'échauffement
La forme: Le sommet d'une bulle thermique en ascension s'aplatit sous l'action du freinage. La pression qui conduit ainsi à un élargissement latéral confère à la bulle une forme de champignon.
L'endroit: Comme le montre la photo n° 1 où trois générations de bulles thermiques sont matérialisées, les bulles suivantes s'échappent toujours plus ou moins du même endroit, bien que la plaque chauffante soit entièrement plate.
Le gradient: Le taux d'échauffement exerce un impact décisif sur la production des bulles. Une comparaison des photo n° 1 (petit écart de température) et photo n° 2 (grand écart de température) montre clairement que la fréquence et la densité des bulles thermiques augmentent avec un taux d'échauffement croissant.
La rapidité à laquelle les différentes phases se succèdent dépend de l'écart de température existant entre la plaque chauffante et le milieu liquide ou gazeux en son contact. Quelques chercheurs de l'université de Minnesota aux USA ont étudié la structure des bulles thermiques et le déroulement des trois phases par différentes températures en matérialisant les bulles thermiques dans l'eau moyennant une méthode électrochimique. Les deux photos dans cet article regroupent les plus importants de leurs résultats (voir encadré).
Le second point a été mis en doute dans des travaux expérimentaux ultérieurs. Les bulles thermiques ne se détachent d'un même endroit que pendant un court laps de temps, autrement plutôt fortuitement de différents endroits. Elles ne montent pas en ligne droite, mais zigzaguent vers le haut. Le prélèvement précis de la répartition des températures sur la plaque chauffante fait apparaître des lignes à températures plus élevées, vraisemblablement les sources d'émergence des bulles. En compensation des bulles ascendantes, de l'air ou liquide plus froid descend entre ces lignes et, ce faisant, pousse encore vers ces lignes la chaleur transmise par la plaque chauffante. Le modèle Howard a lui aussi été élargi. Il n'y a pas seulement formation de bulles thermiques, mais aussi de colonnes verticales d'air chaud d'une plus grande longévité par taux d'échauffement élevés.
Et dans l'atmosphère?
Ces constatations, bien que résultant de l'observation des thermiques dans le verre à eau, s'appliquent aussi à l'atmosphère: Il existe différentes théories sur la forme des bulles thermiques. Leur forme en champignon étaie la théorie de l'anneau de tourbillons.On observe également que les pompes se détachent en général aux mêmes endroits. Le sol dans la nature, contrairement à la plaque chauffante des études expérimentales, n'est pas homogène. Les
bulles se détachent le plus souvent à des endroits où le terrain est irrégulier comme en montagne, à la limite entre bois et prairies. Plus intéressantes sont les lignes à probabilité thermique accrue. Elles sont l'explication des zones mortes situées entre, où il ne faut pas attendre de thermiques. L'expérience des pilotes de plaines montre aussi qu'elles favorisent des itinéraires précis.
Les scientistes ont déterminé le taux d'échauffement à partir de l'écart de température existant entre la plaque chauffante et la température du fluide situé loin au-dessus. Le taux d'échauffement dans l'atmosphère peut être estimé de façon analogue. Plus les gradients de température augmentent, plus la température diminue avec l'altitude. L'écart entre la température du sol et la température de l'atmosphère peut donc augmenter différemment. Un gradient de température plus élevé engendre une plus grande différence de température et donc un taux d'échauffement plus important. Ces réflexions, par conséquent, permettent d'appliquer à l'atmosphère les résultats des études expérimentales faites avec différents taux d'échauffement de l'eau. Ils correspondent qualitativement de façon étonnante à la théorie des gradients de Scheel. Quant aux déclarations quantitatives, l'expérience des pro reste essentiel.
Martin Gassner, SWISSGLIDER mars 1997
Tous droits de reproduction interdits. Article repris avec autorisation du magazine SwissGLIDER de la FSVL.
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