Radar Doppler météorologique et aviation |
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Nouvelle-Calédonie - Exercice 3 - 5 points |
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). Les rafales descendantes porteuses de grêle peuvent être détectées grâce aux radars météorologiques qui permettent de donner l'alerte lorsque les directions et/ou 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-1 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.
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1. Détection des précipitations
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 τ = 1 μs.
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Intensité des précipitations
La réflectivité Z est la grandeur caractérisant la puissance retournée au radar météorologique lorsque l'onde électromagnétique émise rencontre des précipitations. Du fait de la grande variabilité de Z, on préfère utiliser la grandeur RdBZ (réflectivité en dB) définie par la relation suivante :
$$\mathrm{ R_{dBZ}= 10 \ log \frac{Z}{Z_0} } $$
où Z0 est la réflectivité de référence.
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2.1. Estimer l’intensité des précipitations. |
Nature des précipitations
L'onde électromagnétique est émise par le radar a une fréquence fémise. La fréquence freçue de l'onde réfléchie vers l’émetteur dépend de la vitesse de chute des hydrométéores (goutte de pluie, grêlon...). Lorsque l'angle entre la direction dans laquelle le radar émet l'onde et la direction de chute des hydrométéores vaut θ (figure 5), le décalage en fréquence Δf s'exprime par la relation suivante : $$\mathrm{ Δf= f_{reçue}- f_{émise} = \frac{2 \ v \ cosθ}{c} \ f_{émise} } $$ avec v vitesse des hydrométéores par rapport au radar et c la célérité de l'onde électromagnétique. |
Pour θ = 60°, le radar mesure un décalage Doppler Δf = +200 Hz en bord de piste.
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Annexe | |
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