Données scientifiques

Contrails ! Traînées de condensation

Contrails ?

Contrails ! eût été bien incomplet sans une page consacrée aux...contrails !
Les contrails (de condensation trails) sont les traînées de glace laissées par les moteurs d'avions dans certaines conditions.
Sans ces traînées la turbulence et le tumulte qui accompagnent nécessairement le vol resteraient insoupçonnés.
Quand la météo le permet les contrails laissent un témoignage persistant des forces en action.

Comment naissent les contrails

Froid, eau, aérosols
Les contrails sont des traînées de cristaux de glace. Elles apparaissent à haute altitude, de 23 000 à 40 000 pieds (7000 à 12000 m), en atmosphère humide par des températures inférieures à -30 °C.
Les gaz d'échappement contiennent de la vapeur d'eau et de nombreuses particules : imbrûlés, suies, poussières métalliques, sulfures, oxydes d'azote (NOx)...
Selon le taux d'humidité ambiante, le mélange des gaz avec l'air froid environnant peut entraîner la condensation solide de l'eau en cristaux autour de ces aérosols.
En fonction des conditions atmosphériques, les contrails peuvent durer de quelques secondes à plusieurs heures.
Certaines contrails persistantes s'étalent et évoluent en un voile de cirrus.

If the eyes don't see, the heart won't break
L'air est invisible. On oublie souvent l'intensité des forces mises en jeu dans la sustentation d'un avion.
Les contrails peuvent nous aider à visualiser l'étendue et la violence des perturbations créées dans l'atmosphère par le passage d'un avion.
Comparer la taille de ces C-141 en route pour l'Europe avec l'importance des contrails matérialisant leur sillage.

Effets à grande échelle

Contrails vues de l'espace



Contrails sur la vallée du Rhône et les Alpes à hauteur de Lyon, vues depuis la Station Spatiale Internationale (ISS) le 15 mai 2002.
Les contrails récentes apparaissent comme de minces lignes, les plus anciennes se sont étalées sous l'effet des vents faibles.
En raison de cette tendance à s'étaler au fil du temps, on estime la superficie de ces "nuages artificiels" à 0,1 % de la surface du globe.
Ce pourcentage peut dépasser 10 % au-dessus de certaines régions du monde, comme ici en Europe.

Effets climatiques
L'effet des contrails sur le climat est encore mal compris.
Lors de l'arrêt des vols qui a suivi le 11 Septembre aux États Unis, des chercheurs¹ estiment que les fluctuations de températures dans les zones habituellement couvertes par les contrails se sont notablement accrues.
Il n'a pas encore été possible de déterminer si les contrails contribuent à réchauffer ou à refroidir l'atmosphère.
Il est certain toutefois, que les effets à long terme du voile nuageux tissé par les contrails ne pourront être négligés.
Déjà les astronomes s'inquiètent de l'opacification presque permanente de la haute atmosphère.

Traînée de condensation
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Traînées de condensation derrière un avion quadriréacteur Boeing 747
Condensation d'altitude en sortie de réacteurs

Les traînées de condensation sont créés par la condensation de la vapeur d'eau émise par les moteurs d’avion à très haute altitude1. Elles se produisent généralement à 10 000 m d'altitude avec un taux d'humidité de plus de 68 %, une température à partir de -39° et sur des noyaux de congélations fournis en grande partie par les gaz de combustion2. Ce phénomène physique qui dépend de phénomènes atmosphériques complexes3 a été étudié dès les années 19504.

Elles s'estompent en général rapidement par sublimation mais peuvent se transformer5, dans certaines conditions d’hygrométrie et de température, en nuages artificiels analogues à des cirrus allongés6. On parle aussi de traînées de vapeur, traînées blanches ou encore contrail (pour condensation trail). Ces nuages artificiels peuvent alors couvrir de vastes surfaces de ciel, notamment dans l'hémisphère nord7. Ils peuvent persister durant plusieurs heures à dizaines d'heures8,9.

La formation des traînées change l'albédo de l'atmosphère et l’augmentation du trafic aérien mondial produit ainsi un effet sur les échanges énergétiques de l'atmosphère, d'autant plus que le transport aérien tend à augmenter 10,11,12. Ces trainées par leurs impacts en termes d'effet de serre 13,14,15 doubleraient la responsabilité du trafic aérien en termes de contribution au réchauffement16, augmentant ainsi une part qu'on estimait autrefois faible par rapport à d'autres modes de transport17.

La présence de traînées de condensation est habituellement précisée par le sigle COTRA, contraction de l'expression anglaise COndensation TRails Aloft, dans un rapport météorologique METAR1.

Météorologie élémentaire

Les traînées de condensation

Lorsqu'un avion traverse certaines couches atmosphériques, on peut observer l'apparition de traînées de condensation ou "contrails". L'importance tactique considérable de ces traînées réside dans les renseignements qu'elles fournissent : position, déplacement et nombre d'avions.
Il est donc absolument indispensable d'en connaître les modes de formation, les caractéristiques et les moyens de les éviter ou de les éliminer.
Les facteurs physiques qui peuvent, en pratique, déterminer la formation des traînées de condensation sont :
- l'apport de noyaux de condensation dans une atmosphère sursaturée,
- l'apport d'eau sous forme de vapeur,
- le refroidissement de l'air.

L'apport de noyaux de condensation dans une atmosphère sursaturée constituerait une explication simple de la formation des traînées. Cependant, il est actuellement certain que ces noyaux de condensation existent en nombre suffisant avant le passage de l'avion et qu'en tout cas la sursaturation est un phénomène excessivement rare dans l'atmosphère libre.
Parmi les traînées formées par un des deux autres processus, nous distinguons :
- les traînées aérodynamiques,
- les traînées d'échappement (exhaust),
- les traînées de convection.
Les traînées aérodynamiques

Formation

Le refroidissement de l'air est exclusivement la conséquence d'une détente admise généralement comme adiabatique. Pour un avion volant à 600 km/h, la dépression en bout d'aile peut atteindre 170 mbar. Les remous créés par les ailes ont tendance à s'organiser en un fort tourbillon assez persistant dans lequel la dépression demeure de l'ordre de 30 mbar sur une assez grande longueur.
Dans ces conditions, on peut observer des traînées de condensation "de bout d'aile" ayant en moyenne une longueur de 10 m et un diamètre de 50 cm. Cependant, ces traînées nécessitent une atmosphère presque saturée et préalablement non turbulente, sinon le tourbillon ne pourrait persister; elles sont assez rares et très fugaces.
On observe en général les traînées aérodynamiques lors de meetings aériens ou durant les exercices de "dogs fights" lors des manoeuvres d'évitement, les virages serrés, etc dans une atmosphère assez humide.

Ces traînées ne sont donc pas associées à des nuages mais elles peuvent apparaître en présence de nuages de pluie tels que les nimbostratus, cumulonimbus et stratocumulus du fait que l'air est presque saturé d'humidité.

Élimination

Les traînées aérodynamiques peuvent être éliminées en s'écartant des couches d'air humide par changement d'altitude ainsi qu'en effectuant les manoeuvres à des vitesses plus modérées le cas échéant.

La démonstration la plus médiatisée de cet effet et son impact sur les missions tactiques, fut la découverte des contrails de l'avion furtif Aurora dont l'unique photographie est présentée ci-dessus. Jusqu'à cette preuve indiscutable, le DoD américain avait toujours nié l'existence des "black programs" (non identifiés comme tels dans les budgets officiels). On en reparlera plus longuement dans le dossier consacré aux affaires militaires.

Formation

Les traînées d'échappement résultent de la saturation en vapeur d'eau des couches atmosphériques traversées par l'avion; cette saturation donnant lieu à la condensation et à la solidification ensuite d'une quantité suffisamment importante de vapeur d'eau.
Les réactions chimiques de combustion dans les moteurs de l'avion s'accompagnent de la libération d'une certaine quantité de chaleur et de vapeur d'eau éjectées par les tuyères d'échappement et cédées aux couches atmosphériques traversées. Celles-ci se réchauffent en même temps qu'elles s'enrichissent en vapeur d'eau. Ces deux actions ont des effets opposés sur l'humidité relative des couches traversées : l'addition de vapeur d'eau augmente cette humidité relative, alors que le réchauffement des couches la diminue.
Ainsi, lorsqu'il y a formation effective d'une traînée blanche dite d'échappement, elle résulte toujours de ces deux processus contraires, l'apport de vapeur d'eau à l'atmosphère l'emportant sur le réchauffement de l'air.
Lorsque de telles traînées se forment, elles s'allongent dans le sillage de l'avion et sont généralement très intenses et très persistantes. Ces traînées sont formées de cristaux de glace ainsi qu'en témoignent certaines photographies et certains phénomènes de halo qu'on y observe fréquemment; ces cristaux de glace proviennent de la solidification de la vapeur d'eau et on admet généralement que cette solidification nécessite d'abord le passage de la vapeur par l'état liquide.
En outre, il est clair que ces traînées sont d'autant plus intenses, c'est-à-dire d'autant plus visibles que le nombre de cristaux de glace qu'elles contiennent par unité de volume est grand. En général, on admet que la concentration en cristaux de glace doit être au moins de 0.01 g/m3 dans une traînée bien visible, et peut se réduire à 0.004 g/m3 pour des traînées faiblement visibles. Il est d'ailleurs évident que la persistance de ces traînées sera fortement influencée par la concentration en cristaux de glace.
D'autre part, puisque les traînées de condensation sont constituées de cristaux de glace, on doit s'attendre à ce qu'elles ne se produisent qu'à des altitudes relativement élevées où la température des couches atmosphériques est suffisamment basse. Une température (calculée théoriquement) inférieure à -29°C est nécessaire pour qu'il y ait formation de traînées de condensation. Ceci veut dire que si la température des couches atmosphériques traversées par l'avion est supérieure à -29°C aucune traînée ne se formera, quelle que soit l'humidité de ces couches. Les altitudes normales (dans la zone tempérée) où ces "contrails" se forment, sont en général comprises entre 25000 et 40000 pieds. Les nuages propices à leur apparition sont donc les cirrus et les cirrostratus.
Au bout de quelques dizaines de minutes voire plusieurs heures, si la masse d'air est suffisamment humide en altitude, ces traînées de condensation finissent par s'étendre et se confondent avec des nuages cirriformes en provoquant une certaine opacité du ciel.

Suppression

En principe, le moyen radical pour supprimer les contrails serait de récupérer l'eau des gaz d'échappement par des condenseurs appropriés; cet équipement étant peu pratique, d'autres méthodes doivent être envisagées, et notamment :
- Grimper 2000 pieds au moins au-dessus de la tropopause,
- Planer vers les altitudes inférieures en réduisant la puissance du moteur,
- Faire un léger piqué au moteur et regagner l'altitude primitive (de courtes traînées persistantes pourront se former pendant le retour en altitude),
- Diminuer le régime moteur de manière à réduire la quantité de vapeur d'eau éjectée,
- Descendre rapidement en-dessous de l'altitude minimale de formation des traînées de condensation,
- Ouvrir les volets de capotage des moteurs (à piston) ou les "air-brakes" pour augmenter le volume d'air brassé dans la traînée et ainsi réduire le pourcentage d'humidité. Les traînées ne disparaîtront entièrement que si les deux premières règles sont appliquées, dans les autres cas la persistance ou la longueur de la traînée sera affaiblie, tout au moins si les conditions ne sont pas anormales.

Les traînées de convection

Formation

Ces traînées sont formées par le réchauffement des couches d'air traversées par l'avion, réchauffement provoqué par la chaleur dégagée lors de l'échappement des produits de combustion.

Les couches d'air ainsi réchauffées deviennent plus légères que les couches voisines et s'élèvent; si les couches atmosphériques traversées sont instables, ce mouvement ascendant s'amplifiera. L'ascendance s'accompagnera d'un refroidissement adiabatique et la vapeur d'eau se condensera sous forme de nuage.

Ce type de traînée est persistant et peut se rencontrer à toute altitude, le plus fréquemment entre 8000 et 20000 pieds. Elles apparaîtront donc en particulier près des altocumulus et des altostratus en couches non uniformes.

L'importance tactique des traînées de convection est modérée bien que ces traînées ne soient pas rares et qu'elles soient généralement persistantes, elles ne se forment que dans des conditions atmosphériques très spéciales (instabilité des couches traversées) et pour les supprimer il suffit de changer quelque peu d'altitude.

Suppression

Deux règles simples sont applicables :
- Grimper ou descendre de quelques centaines de pieds (un changement d'altitude de 1000 pieds devrait être largement suffisant dans la plupart des cas),
- Eviter les altitudes des formations nuageuses cumuliformes.

Aspects opérationnels

Dans la plupart des cas, le pilote ignore que son appareil laisse une traînée de condensation dans son sillage même s'il s'attend à sa formation. Etant donné l'importance que peuvent avoir de telles traînées en opérations, il est nécessaire de surveiller ou de faire surveiller la formation éventuelle de ces traînées.

Impact des contrails sur la température

Les climatologues savent bien que lorsqu'il y a trop de traînées de condensation dans le ciel cela peut affecter la température en un lieu puisqu'elles jouent le même rôle qu'un banc de cirrus épais. Mais jusqu'en 2001 personne n'avait vraiment étudié le sujet.
Suite aux attentats du 11 septembre 2001 à New York, tout survol du territoire des Etats-Unis fut interdit durant trois jours. En raison de l'intense trafic aérien sur la côte est des Etats-Unis et l'apport d'humidité venant de la mer, cette région est connue pour présenter énormément de contrails. Sur certaines photos satellites les contrails couvrent parfois 75% du ciel!
Durant la période où tous les vols furent interdits, le ciel s'est subitement éclairci, vidé de ses contrails. Les climatologues étudiant les variations de la température et l'évolution des extémas ont fait une étonnante découverte.

Lorsque le trafic aérien est normal au-dessus des Etats-Unis, c'est-à-dire très dense, en moyenne on constate une baisse de la température de l'ordre de 0.25°C. Durant les 3 jours d'arrêt du trafic aérien et donc en l'abence de contrails, la température moyenne a augmenté de 1.10°C, la différence atteint 1.35°C. Elle retomba à des valeurs négatives lorsque l'espace aérien fut réouvert. Les climatologues de l'Université de Wisconsin n'avaient jamais vu ça depuis 30 ans !
Ce phénomène confirme l'impact des contrails sur la température. Il signife également que la température moyenne dans une région du monde peut drastiquement être modifiée si on supprime une seule source de pollution.

Photos et liens http://www.astrosurf.com/luxorion/meteo-contrails.htm

L'avenir de l'astronomie : la radio ?

Une étude conduite en 2006 par le professeur Gerry Gilmore, titulaire de la chaire Opticon (astronomie infrarouge optique) à l'Institut d'Astronomie de l'Université de Cambridge, nous apprend que les traînées de condensation risquent à l'avenir de perturber les observations astronomiques conduites par les observatoires dans le domaine optique.
Nous savons depuis plusieurs décennies que les astronomes éprouvent des difficultés pour conserver leurs "fenêtres" d'observation en raison de la pollution lumineuse.
En extrapolant les conditions atmosphériques actuelles, Gilmore est parvenu à la conclusion qu'en 2050 il sera impossible d'exploiter de gros télescopes en raison de l'augmentation de la vapeur d'eau dans l'atmosphère et des contrails qui en découlent suite à l'augmentation du trafic aérien.
Mauvais temps pour les astronomes qui devront bientôt se convertir à la radioastronomie ! Reste à trouver un nouveau site d'observation; pourquoi pas en Antarctique ? Sinon il faudra attendre la base lunaire...

http://www.astrosurf.com/luxorion/siteastro.htm