vignette|upright|Ciel pavé de cumulus. L’ascendance thermique, ou bulle de convection, est le mouvement vertical de l'air causé par la poussée d'Archimède due à la différence de température entre l'environnement et une parcelle d'air. En été, les ascendances thermiques sont provoquées par un échauffement important du sol par le soleil qui est pratiquement à la verticale tandis que pendant la saison froide, les ascendances thermiques peuvent être provoquées par l'advection d'une masse froide au-dessus d'un sol encore relativement chaud.
Ces ascendances sont très prisées par les oiseaux, mais aussi par les humains à bord d'aéronefs sans moteur (vol à voile, parapente, deltaplane…) pour gagner de l'altitude et sont présentes à peu près partout. Par beau temps, un après-midi de printemps ou d'été, le ciel se remplit souvent de nuages cotonneux appelés cumulus de beau temps dont la formation indique l'emplacement de ces thermiques. Cependant, ces ascendances peuvent aussi donner des vitesses ascensionnelles très grandes, lorsque l'air est très instable, qui sont associées à la formation de nuages d'orage très dangereux.
Principe
vignette|Ascendance thermique.
Une ascendance thermique se produit quand la température d'une parcelle d'air à un niveau donné est plus chaude que l'environnement et doit monter selon la poussée d'Archimède. Cela peut se produire par un réchauffement du sol par le Soleil, par un refroidissement des niveaux moyens ou par un réchauffement différentiel du sol entre deux zones. Plus la différence de température est importante, plus la probabilité de trouver un thermique sera forte. Une ascendance thermique a en général une vitesse verticale de plusieurs mètres par seconde et peut donc être utilisée par les oiseaux, les planeurs et autres aéronefs.
Ainsi en montagne dans l’hémisphère nord, les falaises tournées à l'ouest ou au sud sont de bonnes sources de thermiques car directement opposées au Soleil tandis les forêts tournées au nord sont des sources de descendances. En effet, d'une part ces arbres reçoivent peu d'énergie solaire et d'autre part ils utilisent cette énergie pour leur croissance et pour transpirer de la vapeur d'eau. En été, les étendues d'eau sont aussi des sources de descendances car plus froides que le sol environnant. À contrario, un stationnement d'hypermarché est une excellente source de thermiques car le sol et les voitures absorbent énormément d'énergie et donc réchauffent la couche d'air près du sol. Les villes où les habitants utilisent des climatiseurs sont aussi de bonnes sources de thermiques car une pompe à chaleur chauffe l’extérieur de la maison et donc engendre des ascendances.
Déclenchement des ascendances Les ascendances thermiques sont le plus souvent dues au réchauffement diurne. Par une nuit claire, le sol se refroidit par rayonnement et devient plus froid que l'air environnant le surplombant. En fin de nuit, se produit une inversion de température et il n'y a alors absolument aucune ascendance thermique. En milieu de matinée, le sol se réchauffe et finalement sa température devient supérieure à celle de l'air environnant. Le processus convectif commence alors.
Par contre, si une masse d'air froide envahit une région où le sol est plus chaud ( passage d'un front froid ou masse d'air arctique passant sur un lac non gelé), il se crée le même genre de différence de température entre le sol et l'altitude. Ceci peut se produire à n'importe quel moment de la journée ou de la nuit.
Bulles de convection Les ascendances ont des formes très variées qui dépendent des conditions aérologiques du moment. En milieu de matinée, les ascendances thermiques diurnes ont généralement la forme de bulles d'air isolées ayant la structure d'un tore ... Plus tard dans la journée, les bulles isolées se muent en colonnes continues d'air chaud. Ces colonnes ne sont pas nécessairement circulaires. Par vent fort, les ascendances peuvent être allongées dans la direction du vent et être étroites dans la direction opposée.
De plus, le long d'une pente exposée à l'ouest se produiront l'après midi des vents anabatiques tout le long de la pente (phénomènes de brises). Ces ascendances peuvent être confondues avec des ascendances orographiques. Elles seront particulièrement mises en valeur en présence d'un vent synoptique d'ouest même faible.
Matérialisation des ascendances On peut considérer qu'une parcelle d'air chaud qui s'élève ne se mélange pas avec l'air extérieur et donc son taux de vapeur d'eau reste constant. En s'élevant, la parcelle d'air se détend adiabatiquement et donc se refroidit suivant l'adiabatique sèche (). À partir d'une certaine altitude, la parcelle sera saturée en vapeur d'eau et un cumulus se formera. Il est à noter que lorsque la couche d'inversion est basse ou que la différence entre point de rosée et température est trop importante aucun nuage ne se formera et l'on parlera alors de thermiques purs. En cas de vents forts, les ascendances peuvent s'aligner et pourront être matérialisées par des rues de nuages. Ces rues de nuages se formeront en général lorsqu'il existe une couche d'inversion au-dessus de la zone convective et lorsque la vitesse du vent augmente avec l'altitude pour atteindre un maximum juste au-dessous de la couche d'inversion...
Modèle simplifié des ascendances thermiques Dans la boîte déroulante qui suit, un modèle numérique des ascendances thermiques est exposé qui confirme plusieurs règles empiriques. Ainsi, il est dit que la distance entre exploitables est égale à 2,5 à la hauteur de la colonne ascendante., et qu'une ascendance de nœuds va atteindre l'altitude de × 1000 pieds. ... Sachant qu'1 nœud est approximativement égal à 100 pieds par minute, le temps nécessaire pour atteindre le sommet de l'ascendance est donc
où est la hauteur de l'ascendance et est la vitesse verticale du courant ascendant. Une étude faite sur les vols effectués en 2007 lors de la Compétition Lilienthal a montré que les pilotes de planeur atteignaient le sommet des ascendances en .. En tenant compte du temps passé à centrer l'ascendance, cette dernière étude corrobore la formule empirique plus haut qui exprime que le temps passé à atteindre le sommet de l'ascendance est de soient . Garrat quant à lui a estimé qu'une ascendance thermique va atteindre son sommet en 500 secondes..
Vol à voile Les ascendances thermiques sont communément utilisées par les pilotes de planeur, d'aile volante ou de parapente. Vu que la vitesse de chute d'un planeur est de ou moins et que ces ascendances sont de l'ordre de plusieurs mètres par seconde, un planeur peut donc spiraler dans cette colonne et gagner de l'altitude.
Indice thermique
L'indice thermique (TI) est une ancienne notion (désormais à peu près abandonnée) autrefois reprise par la Federal Aviation Administration qui généralisait la notion d'indice de soulèvement (LI) à n'importe quelle altitude.. La définition est la suivante : on considère un radiosondage matinal et étant donné la température au sol à un moment donné (en général en milieu d'après-midi), l'indice thermique est la différence de température entre le sondage matinal et la température de la parcelle d'air en ascension adiabatique en ce moment-là à une altitude donnée, le plus souvent . C'est donc une estimation de l'instabilité latente. Cette définition suppose que la masse d'air est barotrope durant la période, ce qui est souvent incorrect en cas d'advection d'air froid dans un ciel de traîne.
Il était dit qu'un TI de -8 à -10 K engendrerait d'excellentes conditions aérologiques de vol à voile. Or, l'indice ne tient par compte de l'humidité contenue dans l'air et un indice de soulèvement du même ordre dans une masse d'air humide indique la possibilité d'orages extrêmement violents, un danger mortel pour un pilote ne maîtrisant pas la différence entre TI et LI. C'est pourquoi la relation empirique qui dit 1 nœud de vitesse verticale par 1000 pieds de hauteur est aujourd'hui préférée pour calculer la force des ascendances et la notion mal définie d'indice thermique (non reconnue par l'Organisation météorologique mondiale et l'American Meteorological Society) a été abandonnée par la Federal Aviation Administration..
On remarquera qu'en général, la température potentielle dans la couche convective n'est inférieure que de environ à la température au niveau du sol...
Efficacité des différents types de planeur Soit l'angle d'inclinaison du planeur dans le virage, v sa vitesse horizontale. Le rayon de la spirale sera. :
où est l'accélération de la pesanteur.
L'US Navy affirme qu'à d'altitude, le rayon du virage donné en pieds et la vitesse exprimée en nœuds est le suivant :
Cette formule empirique est cohérente avec la formule supra.
On rappelle que 1 nœud est égal à . Basé sur cette formule, Bernard Eckey donne la valeurs suivante. pour un planeur volant à () incliné à 45 degrés. Il effectuera un cercle de rayon
mètres.
Une « grande plume » (planeur de classe libre) devra voler à soit environ à . Son rayon deviendra
mètres.
Si le pilote de la grande plume incline son planeur à seulement 30 degrés, son rayon deviendra
mètres.
On remarque que et .
On considère maintenant un pilote débutant incapable de spiraler à plus de 15 degrés. On a . On remarque que et donc . S'il vole à 40 nœuds, son rayon sera :
mètres.
Plus généralement lorsque l'angle d'inclinaison exprimé en radians est petit, l'on a :
Comme il est vu dans la boîte déroulante, le rayon des ascendances est de l'ordre de . En pratique, le diamètre des ascendances varie entre et . Par conséquent, une « grande plume » aura beaucoup plus de mal à spiraler dans les ascendances et même dans certains cas, un planeur modeste sera capable de grimper efficacement tandis que la « grande plume » ne pouvant pas centrer le même thermique pourra finir dans un champ « aux vaches ».
De la même manière un pilote débutant sera incapable de se maintenir en l'air à cause du diamètre de la spirale étant beaucoup trop grand.
Durée d'un tour complet Soit T la durée d'un tour complet. On a :
On considère maintenant, un planeur volant à à 45 degrés. On a alors : secondes.
Si l'angle n'est que de 30 degrés et le planeur vole à , alors secondes.
Donc, on peut facilement estimer si le planeur est suffisamment incliné en mesurant le temps parcouru pour effectuer une rotation. Il devrait être de l'ordre de .
Réciproquement, si l'on connaît la vitesse air et le temps parcouru pour effectuer un tour complet, l'on a :
Pour un pilote débutant, l'on aura une bonne approximation de l'angle en degrés selon la formule suivante :
Ainsi, pour un pilote volant à et effectuant une spirale en 60 secondes, l'angle d'inclinaison sera : degrés.
Le rayon sera alors de 195 mètres, soit 390 mètres de diamètre.
Il est à peu près certain que ce pilote sera incapable de centrer une ascendance thermique.
Démonstration de la formule donnant le rayon de la spirale et de la vitesse angulaire
Ascendance à source fixe On va calculer le déport d'un planeur spiralant dans une ascendance fixe. Il est recommandé de voler en ligne droite pendant quelques secondes face au vent pour recentrer l'ascendance.. On considère une ascendance engendrée par une source fixe comme une tour de refroidissement de centrale nucléaire ou un feu de forêt. La partie ascendante d'un rotor peut aussi être assimilée à une ascendance à source fixe car la position du rotor est approximativement stationnaire. On suppose qu'à l'origine le planeur avait centré l'ascendance. On va calculer de combien il va être décentré après un tour de spirale. Soit c la vitesse de chute du planeur.On suppose que la vitesse de l'ascendance est w et que la vitesse du vent est u. On suppose que le planeur complète un tour de spirale pendant le temps T. Pour recentrer l'ascendance, le temps de correction en vent de face est