Radar Doppler météorologique et aviation
Le but de cet exercice est de comprendre l'intérêt des radars météorologiques dans la sécurité aérienne.
La valeur de la vitesse de la lumière dans le vide est supposée connue par le candidat.
Aviation et dangers météorologiques
Les rafales descendantes et la grêle constituent les principaux dangers des orages pour l'aviation.
Les rafales descendantes sont des vents violents pouvant être causés par des précipitations abondantes. Elles sont particulièrement redoutées par les avions en phase d'atterrissage.
Si ces rafales ne présentent pas particulièrement de dangerosité lorsqu'elles soufflent face à l'avion (position 2 sur la figure 1), elles peuvent être responsables d'une perte de portance conduisant au crash lorsqu'elles soufflent en vent arrière (position 4 sur la figure 1).
Figure 1. Les rafales descendantes d'après mrmeteo.info.
Les rafales descendantes porteuses de grêle peuvent être détectées grâce aux radars météorologiques qui permettent de donner l'alerte lorsque les directions et/ou le sens du vent observés entre les deux extrémités d'une piste sont très différents.
Les précipitations peuvent elles aussi présenter un danger pour l'atterrissage. Des précipitations dont l'intensité dépasse 50 mm.h-l correspondent à de forts orages. La grêle constitue un autre danger pour l'aviation. Lorsque le diamètre des grêlons dépasse 4 cm, ils peuvent causer d'importants dommages à la carlingue ainsi qu'aux réacteurs des avions.
Les radars météorologiques
Les radars météorologiques permettent de localiser les précipitations et de mesurer leur intensité en temps réel. En exploitant l'effet Doppler (figure 2), ils fournissent aussi des informations sur le vent dans les zones de précipitations.
L'onde électromagnétique émise par le radar a une fréquence f_{émise} = 3{,}0 \times 10^9 Hz et se propage à la vitesse de la lumière dans le vide.
Figure 2. Radar météorologique.
Détection des précipitations
Cette partie décrit les conditions météorologiques particulières d'un orage subies par un avion en phase d'atterrissage. Il s'agit de savoir si cet avion peut atterrir en toute sécurité ou si un déroutement est nécessaire.
Afin de reconstituer la carte en 3D des précipitations, le radar balaye l'espace horizontalement et verticalement en émettant des impulsions électromagnétiques de courte durée \tau = 1 \mu s.
On s'intéresse à la zone de précipitations présente dans le voisinage de la piste (figure 3), le radar pointant dans la direction 2 indiquée sur le schéma.
Dans le nuage, plus la zone représentée est foncée, plus l'intensité des précipitations est importante.
Figure 3. Position du radar au voisinage de la piste.
Une simulation des signaux émis (E) et reçus (R) par le radar dans la direction 2 est présentée sur la figure 3. L'amplitude du signal reçu est proportionnelle à l'intensité des précipitations et sa durée à l'épaisseur de la zone de précipitations.
Figure 4. Simulation des signaux émis et reçus par le radar.
Rafales descendantes
Le radar météorologique permet aussi de mesurer la vitesse du vent au niveau de la piste.
Le radar détecte un décalage Doppler entre la fréquence reçue et la fréquence émise. Ce décalage est positif en début de piste (position n°1 sur la figure B) et négatif en bout de piste (position n°2).
Justifier les signes des décalages observés pour les positions n°1 et n°2.
D'après la formule donnant le décalage Doppler en fonction de la vitesse, on peut dire que le signe de la vitesse est le même que le signe du décalage Doppler.
Sur la position n°1, le vent sort du nuage selon la ligne de champ et se dirige donc vers le radar, la vitesse est ainsi positive, le décalage est donc positif.
Sur la position n°2, le vent se dirige dans la direction opposée au radar, la vitesse est ainsi négative, le décalage est donc négatif.
Quelle est la représentation correcte, sans souci d'échelle, à l'aide de vecteurs, de la direction et le sens du vent au niveau des positions n°1 et n°2.
Atterrissage ou déroutement
À partir d'un bilan des conditions météorologiques décrites dans les trois questions précédentes, indiquer en le justifiant si l'avion peut atterrir en toute sécurité ou si un déroutement est nécessaire.
On sait que le diamètre des grêlons vaut 2,1 cm.
Or, l'énoncé préconise d'éviter le vol lorsque les grêlons font plus de 4 cm, car cela risque d'endommager la carlingue.
On peut conclure qu'il n'y a pas de risque par rapport aux grêlons.
De plus, l'énoncé insiste sur la nécessité d'éviter les forts orages pour voler, c'est-à-dire au-delà d'une intensité de précipitations de 50 mm.h-1.
Ici, l'intensité ne dépasse pas 50 mm.h-1, il n'y a donc pas de souci vis-à-vis de l'intensité des précipitations.
Enfin, on peut voir sur l'annexe que sur tout le début de la piste, le vent souffle face à l'avion.
Il n'y a donc pas de souci non plus par rapport au sens du vent.
Que ce soit par rapport à la taille des grêlons, à l'intensité des précipitations ou au sens du vent, l'avion peut atterrir sans déroutage.