LA PRESSION ATMOSPHERIQUE
Pour nombre de raisons, la pression atmosphérique revêt une importance capitale pour les aviateurs, fût-ce seulement parce qu'elle sert à régler l'altimètre avec précision.
Ce qui est capital, c'est que c'est elle qui régit les vents et, dans une grande mesure, l'apparition de phénomènes tels les nuages et les précipitations.
Il est donc nécessaire d'avoir une bonne connaissance de la nature de la pression atmosphérique, des unités dans lesquelles elle est exprimée, et des conditions qui la font varier, tant à l'horizontale qu'à la verticale
.CARACTÉRISTIQUES
L'atmosphère exerce sur les corps qu'elle entoure une pression causée par le bombardement des molécules d'air sur la surface exposée.
Cette pression dépend et de la masse volumique de l'air, et de la vitesse de déplacement des molécules, elle-même fonction de la température.
Comme l'air a un poids, chacune de ses particules est comprimée par celles qui se trouvent au-dessus. Plus on est près de la surface de la Terre, plus la masse volumique est élevée, plus la pression est forte.
De même lorsque l'air est refroidi sa masse volumique augmente, parce que la vitesse de déplacement des molécules est moindre.
À pression égale, l'air froid est donc plus dense que l'air chaud.
De fait, la pression atmosphérique s'exerce dans toutes les directions. Sur une surface, la résultante est perpendiculaire au plan exposé.
Contrairement à la force de gravité, qui s'exerce toujours à la verticale et vers le centre de la Terre, la force de la pression peut tout aussi bien s'exercer à l'horizontale que vers le haut.
UNITÉS
On mesure la pression atmosphérique à l'aide d'un baromètre. Le baromètre le plus simple est constitué d'un tube vertical rempli de mercure, fluide dont on connaît la masse spécifique.
Puisque le mercure a une masse volumique 13,6 fois plus élevée que celle de l'eau, la hauteur de sa colonne sera de 76 cm au lieu de 10 m!
De plus, on peut facilement déterminer sa pression hydrostatique. Pour en connaître la valeur, il suffit de comparer la pression atmosphérique à la sienne.
Cette méthode s'est tellement répandue que, pour le calage altimétrique, on exprime encore la valeur de la pression par la hauteur d'une colonne de mercure.
Mais avec l'adoption d'un système international de mesures, le pascal est devenu l'unité de mesure de la pression d'un fluide.
Dans le monde de l'aviation, c'est l'hectopascal, hPa, qui a été retenu pour faire état de la pression atmosphérique ; cette unité est de même valeur que le millibar, ancienne unité encore utilisée par les météorologues, tant au Canada que dans plusieurs pays.
STATIONS ET NIVEAU MOYEN DE LA MER
La pression à une station est la pression atmosphérique mesurée sur place au moyen d'un baromètre.
Pour avoir une idée du champ de pression à un niveau déterminé, il faut comparer la pression aux données de différentes stations, mais en tenant compte de leur altitude respective, dû au fait qu'elle diminue au fur et à mesure de l'augmentation d'altitude.
Comment savoir systématiquement de combien est la pression à diverses altitudes? Les météorologues ont trouvé une solution à cette question en référant fondamentalement au niveau de la mer, où la pression est maximale.
Écart des pressions aux stations, dû à la différence d'altitude
Pour déterminer la pression à station en référant au niveau moyen de la mer, il suffit de connaître son altitude exacte, et de déterminer la température moyenne entre cette altitude et le niveau de la mer.
Mais pour bien utiliser l'information météorologique la plus récente, il est important de différencier 3 choses bien distinctement : la pression à la station, le calage altimétrique, et la pression au niveau de la mer.
Il est par ailleurs primordial de prêter attention aux unités utilisées. La pression est habituellement exprimée en hectopascals, mais il est possible qu'elle soit donnée en millibars.
DIFFÉRENCES À L'HORIZONTALE
Au plan météorologique, l'atmosphère de la planète forme un tout. C'est dans cette optique que les observations météorologiques sont faites simultanément partout à travers le globe.
Par le Réseau météorologique mondial, elles sont immédiatement acheminées vers des centres informatisés, puis ré-acheminées vers les centres de prévision.
Le vaste réseau d'observation mis en place au cours des années permet maintenant d'obtenir en quelques minutes un profil précis des conditions qui prévalent dans toutes les régions du globe.
Ces conditions sont aussi variées que le sont, tous confondus, nature de la surface, topographie, type de climat, saison, moment du jour et état du ciel.
Ces nombreuses distinctions, aussi extrêmes par exemple que les déserts de sable et les mers, la végétation équatoriale et les champs de glace des pôles, empêchent un réchauffement uniforme. D'où fluctuation de la pression dans l'espace et dans le temps.
Cette fluctuation est de première évidence dès qu'on consulte une carte météorologique, quel que soit le nombre de points d'observation qu'elle rapporte, et quelle que soit leur proximité.
Les courbes qui relient les points d'égale pression sont, les " isobares ", habituellement tracées à intervalles de 4 hPa à partir de l'isobare principale, dont la valeur est de 1000, témoignent de cette fluctuation.
Il est courant d'avoir sur une même carte des isobares variant de 980 à 1012 hPa.
Champ de pression sur carte de surface
La figure 4.2 montre que les isobares d'une carte de surface ne s'entrecroisent jamais, mais forment des courbes plus ou moins concentriques.
Ces tracés permettent d'identifier les 5 entités, ou systèmes, directement reliées au champ de pression : dépression, creux, anticyclone, crête et col.
dépression
Tous les points où la pression est à son minimum en une même zone, constituent le centre d'une dépression.
L'étendue de ces types de zone varie de moins d'un kilomètre de large pour les tornades, à plusieurs centaines de kilomètres pour les grandes dépressions.
Parmi les plus grandes et aussi les plus dévastatrices, il y a les ouragans, que l'on nomment les typhons en Asie, qui génèrent des vents de surface égaux ou supérieurs à 64 noeuds.
Ouragan Félix. Le 17 août 1995.
Plus la pression centrale est basse, plus la dépression est vigoureuse. Lorsque cette pression est à la baisse, on dit que la dépression se creuse.
En plus de générer des vents très forts, les dépressions créent de fortes précipitations. Sous nos latitudes, elles sont plus courantes l'hiver, alors que les forts gradients de température sont répartis sur une grande échelle.
Quand il y a phénomène inverse, c'est-à-dire lorsque la valeur la plus basse augmente et devient supérieure au champ environnant, on dit que la dépression se remplit. En pareil cas, les vents diminuent et les précipitations deviennent de moins en moins importantes dans le temps.
creux
Une des abstractions popularisées par les médias est le creux barométrique. Ce creux est, de fait, une zone rectiligne ou courbée où la pression atteint un minimum. Il peut couvrir plusieurs centaines de kilomètres.
Or, il arrive souvent que la ligne de creux soit carrément située entre les isobares d'un front qui forme précisément le creux de la dépression.
Dans les bas niveaux, la dépression fait converger en son centre l'air qui gravite autour d'elle, comme s'il était aspiré par centre dépressionnaire.
Autre phénomène qui lui est directement associé : le changement radical de direction du vent, dit saute de vent. Souvent de secteur Sud en avant du creux, le vent tournera graduellement pour souffler du Nord-Ouest sur son arrière.
C'est précisément ce fort effet de convergence qui resserre les gradients de température, et crée des fronts dans les creux.
anticyclone
À l'inverse de la dépression, la zone centrale de l'anticyclone est une zone où la pression atteint un point maximal.
Les isobares sont habituellement plus écartés près du centre d'un anticyclone que près du centre d'une dépression.
L'anticyclone se forme lorsque la pression en son centre augmente, et il est fort lorsque sa valeur centrale est nettement plus haute que les valeurs environnantes.
À nos latitudes, c'est l'hiver que les anticyclones sont les plus forts puisque l'air est froid. Il arrive que la pression dépasse 1040 hPa.
Si le beau temps est généralement associé à l'anticyclone, c'est que l'air froid et sec qui le constitue est systématiquement entraîné vers le sol.
L'anticyclone s'affaiblit lorsque la pression en son centre diminue.
crête ou dorsale barométrique
La crête est l'inverse du creux, la pression étant plus élevée le long sa ligne de crête que sur ses côtés. Elle peut également être rectiligne ou courbée.
On la trouve généralement dans le prolongement des anticyclones. Or, un anticyclone peut être entouré de plusieurs crêtes dont les isobares sont généralement plus arrondies que celles du creux.
Quant à l'expression " dorsale ", elle correspond exactement au même phénomène.
col
Le col est une sorte de " no man's land " qui sépare deux crêtes ou deux creux, mais l'expression ne fait pas vraiment partie du vocabulaire utilisé dans les messages et les bulletins destinés aux usagers.
Sa dimension est telle qu'on ne tient compte que des systèmes qui le bordent.
GRADIENT DE PRESSION
L'expression gradient de pression, ou simplement gradient, désigne une différence de pression dans un espace déterminé, soit le taux de changement de pression à l'horizontale, mesuré perpendiculairement aux isobares.
Le gradient de pression au niveau moyen de la mer peut être calculé directement sur la carte du temps, puisque les isobares représentent la répartition de la pression à ce niveau.
Pour le connaître, il suffit de faire le rapport entre la différence de pression entre deux points et la distance qui les sépare.
Figure 4-4
Détermination du gradient de pression au niveau moyen de la merPlus les isobares sont rapprochées, plus le gradient est fort.
TENDANCE BAROMÉTRIQUE
Le barographe enregistre de façon permanente les variations barométriques. Si une dépression s'approche, par exemple, il enregistre une baisse régulière de la pression.
Une fois le centre de la dépression passé, la pression commence à remonter. La nature de ces variations est appelée tendance barométrique.
La tendance ne porte que sur les 3 dernières heures d'observation.
CARTES ISOBARIQUES
Les cartes isobariques sont des analyses fondées sur des champs de pression constante. Les cartes sont généralement préparées pour les champs de 850, 700, 500 et 250 hPa.
Les lignes qui relient les points de même altitude s'appellent isohypses.
Les variations de hauteur dépendent de la température et des fluctuations de pression de la couche qui leur est inférieure.
Comme c'est près des pôles que circule dans les couches inférieures l'air le plus froid, les niveaux de pression y sont habituellement plus bas qu'au-dessus de l'équateur.
Il peut cependant y avoir des différences de température très prononcées à une même latitude. Ces variations influeront aussi sur les niveaux.
Effet de la température sur la hauteur des niveaux de pression
Carte isobarique de 700 hPa
ALTIMÈTRE
L'altimètre est un baromètre anéroïde dont l'échelle correspond à une altitude plutôt qu'à des valeurs de pression.
Lorsqu'on le soumet à une baisse de pression, il indique un gain d'altitude plutôt qu'une diminution de pression (puisque l'air associé à une dépression est plus chaud).
En montant dans l'atmosphère, il est primordial de savoir qu'il existe un rapport beaucoup plus direct qu'en surface, entre la température, la pression et l'altitude.
Comme l'altimètre n'est pas conçu de manière à identifier ces écarts, on a recours à un étalonnage fondé sur l'atmosphère-type de l'OACI, qui fixe la pression au niveau moyen de la mer à 1013,25 hPa.
La température à ce même niveau est de 15 °C, et le gradient vertical de température jusqu'à 11 km, 36000 pieds, est de 6,5 °C/km, soit 1,98 °C/1000 pieds.
Dans ces conditions, une décroissance de pression de 1 hPa équivaut à un changement d'altitude de 8,4 m, 27,5 pieds, près du sol, et 1 pouce de mercure correspond à 283,7 m ou 931 pieds.
Erreur altimétrique
Lorsque l'atmosphère correspond en tout point à l'atmosphère type, ce qui n'est que très rarement le cas, l'altitude indiquée et l'altitude réelle sont identiques.
Autrement, il existe un écart dû au fait que la pression au niveau moyen de la mer, ou la température, sinon les deux, s'écarte des valeurs types.
Erreur due à la pression
Comme la pression au niveau moyen de la mer varie continuellement d'un endroit et d'un moment à l'autre, un altimètre ne pourrait indiquer l'altitude exacte s'il n'était muni d'un dispositif de compensation.
Par exemple, l'altimètre d'un avion au sol à un endroit de même altitude que le niveau moyen de la mer indiquerait 111 m, 384 pieds, si la pression réelle était de 1000 hPa au lieu de 1013,25 hPa.
On a donc prévu un mécanisme permettant de ramener l'indication de l'instrument à la valeur recherchée. C'est le dispositif que l'on nomme calage altimétrique.
Ce calage peut se faire de deux façons. Une méthode consiste à obtenir l'altitude exacte de l'aéronef. Ceci est facile lorsque l'appareil est au sol mais pas lorsqu'il est en vol.
Une autre méthode consiste à d'obtenir la mesure de la pression exacte au niveau du sol d'une station météorologique puis de calculer une valeur que le pilote devra afficher dans la fenêtre de calage afin de connaître son altitude.
Si l'aéronef est au sol, les deux méthodes peuvent être utilisées, mais si l'aéronef est en vol et se prépare à atterrir, seule la seconde méthode peut être appliquée pour des raisons bien évidentes.
Le calage altimétrique est calculé à partir de la pression à la station. La valeur obtenue correspond à la pression rétablie au niveau moyen de la mer, calculée d'après les valeurs de l'atmosphère-type.
Plus les conditions réelles s'écartent de celles de l'atmosphère type, plus l'écart entre le calage altimétrique et la pression au niveau moyen de la mer est élevée. L'exception est dans le cas précis où la station est exactement au niveau moyen de la mer.
Le calage, au sol, permet de corriger l'erreur lorsque la pression diffère de la valeur standard, en vol, l'altitude indiquée ne sera plus nécessairement exacte, et plus rien ne permettra de compenser.
Supposons qu'un anticyclone de 1025 hPa passe sur un aérodrome, suivi d'une dépression de 975 hPa.
En examinant attentivement la structure verticale de l'atmosphère type, on constate que la différence d'altitude entre deux niveaux de pression très voisins n'est pas tout à fait la même à 1025 et à 975 hPa.
Pour être précis, la différence d'altitude entre deux niveaux de pression voisins de 1 hPa est de 8,3 m, 27,1 pieds, à 1025 hPa et augmente progressivement pour atteindre 8,6 m, 28,2 pieds, à 975 hPa.
En décollant d'un aérodrome où la pression est relativement élevée, l'altimètre aura donc tendance à surestimer l'altitude.
L'aéronef sera donc en dessous de l'altitude indiquée. Si la pression est relativement basse, l'instrument sous-estime l'altitude.
Erreur due à la température
Le calage altimétrique ne suffit pas à éliminer les erreurs dues aux différences de pression, mais ces erreurs ne sont habituellement pas déterminantes.
La situation est fort différente en ce qui a trait aux erreurs causées par les écarts de température, plus difficiles à compenser.
Plus l'air est froid, plus sa masse volumique est grande et plus le gradient vertical est élevé.
Ainsi, selon l'atmosphère-type, pour une pression de 1013 hPa et une température de 30 °C, le gradient sera de 0,11 hPa/m, 8,6 m/hPa ou 28,7 pieds/hPa.
Pour une température de 15 °C, le gradient de sera d'environ 0,12 hPa/m, 8,3 m/hPa ou 27,1 pieds/hPa.
Toujours pour la même pression, si la température était de -30 °C, le gradient atteindrait cette fois 0,14 hPa/m, 7,1 m/hPa ou 23,3 pieds/hPa.
Par temps très froid, l'altimètre surestimera l'altitude, alors qu'il la sous-estimera par temps très chaud.
La démonstration précédente permet donc de constater l'ampleur que l'erreur peut atteindre.
Les exemples présument qu'il s'agit de vols se déroulant à une altitude supérieure à celle du point de départ ; si le point d'arrivée est plus bas que le point d'origine, l'erreur altimétrique se traduit par le résultat inverse.
Il est par ailleurs capital de retenir que, par temps très froid ou par pression relativement basse, l'altimètre sous-estimera l'altitude réelle. L'aéronef sera de fait plus haut que l'altitude indiquée.
Vol au calage altimétrique
Pour tous les aérodromes équipés d'instruments d'observation, il est évidemment possible d'effectuer un calage altimétrique calculé à partir de la pression enregistrée au point d'arrivée.
En calant son altimètre correctement, le pilote devrait normalement obtenir l'altitude exacte de la piste.
En vol toutefois, l'altitude indiquée n'est pas nécessairement exacte. Les altitudes minimales des itinéraires en tiennent compte, surtout pour les vols aux instruments.
Le pilote qui vole constamment à une même altitude en ne se fiant qu'à l'altimètre, vole au gré de la ligne d'un même niveau de pression.
À une altitude de 3 km, 10 000 pieds, une différence de 300 m, 1000 pieds, sur une distance de 1000 km, 540 milles marins, n'a rien d'exceptionnel.
En volant vers une dépression sans changer le calage altimétrique en cours de route, le pilote devrait s'attendre à ce que son altimètre indique, à l'atterrissage, une altitude plus élevée que l'altitude réelle.
En volant vers un anticyclone, l'inverse se produit. Le vol vers une dépression invite donc à la vigilance, surtout s'il s'agit d'un vol aux instruments.
Le vol d'une région chaude vers une région froide invite aussi à la vigilance, du moins si l'aérodrome de destination est plus élevé que l'aérodrome de départ.
Il faut aussi se méfier des montagnes, où les vents forts exercent une forte influence sur la pression. Les erreurs risquent d'être assez marquées.
On a déjà observé des erreurs de près de 900 m, 3000 pieds, en volant à basse altitude dans une vallée étroite où soufflaient de forts vents.
En secteur montagneux, les ondes orographiques (ces vagues que créent dans l'atmosphère les forts courants qui franchissent les sommets des montagnes) sont également cause d'importantes erreurs, de même que les tourbillons qu'ils génèrent aux niveaux inférieurs.
