Foudroiement des hélicoptères en mer du Nord lors d'orages d'hiver

21/10/2017
Publication REE REE 2005-4
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2005-4:20548
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Foudroiement des hélicoptères en mer du Nord lors d'orages d'hiver

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R r& r c& Repères FOUDRE Foudroiement des hélicoptères en mer du Nord lors d'orages d'hiver tHan Foudroiement, Hélicoptères, Attachement, Mer duNord Par Alain DELANNOY, Alain BROC, Emmanuel MONTREUIL, Philippe LALANDE, Pierre LABOCHE ONERA,DMPHIEAG Le foudroiement étant à l'origine de nombreux incidents d'hélicoptères en mer du 1. 1 1 1 e ique Nord en hiver, la simulation numérique permet d'étudier la configuration électrique atmosphérique particulière à cette région en cette saison, et de déterminer les zones de hélicoptère susceptibles d'être foudroyées. 1. Introduction Le foudroiement est l'une des agressions qui doit être prise en compte pour des raisons de sécurité dans les aéronefs. Afin d'optimiser les protections, les zones d'un aéronef pouvant être touchées par un éclair doivent être évaluées par ce qu'on appelle le zoning. Entre 1983 et 1997, 43 incidents dus à des foudroiements sur des héli- coptères AS332 Super Puma ont été enregistrés en mer du Nord. En hiver, une activité électrique peut être observée au-dessus de la mer du Nord, au large des côtes de la Norvège. Entre les latitudes 56° N et 62° N, la plupart des orages ont lieu d'octobre à avril, lorsque la température de surface est comprise entre 0'C et 7° C. Ces hautes latitudes impliquent que la structure verticale des nuages convectifs est fortement différente de celle des cellules d'été au-dessus des pays chauds. Nous utilisons alors des outils météorologiques de modélisation pour comprendre la structure électrique de ces nuages d'orages de l'hémi- sphère nord à haute latitude, afin de tester leur capacité à produire une activité électrique (éclairs). Ensuite, le modèle d'attachement de l'ONERA est utilisé pour déterminer les zones d'attachement associées aux points sur les hélicoptères à partir desquels les décharges électriques initiales, qui mènent au foudroiement, se développent. 2. Description des données Nous concentrons notre étude sur la journée du 19 janvier 1995. Ce jour-là, un foudroiement a entraîné le crash d'un hélicoptère AS332 Super Puma. A midi, les observations en surface et les radio-sondages de Merwick (Shetland, UK) indiquent que des cellules convectives avec structures en enclume circulent dans un flux de sud dans un écoulement bien organisé et avec présence d'averses. Des données numériques exhaustives de cette situation ont été extraites des archives du modèle Arpège développé et utilisé par Météo-France. Les images infrarouges de Météosat à 12 h 00 UTC (figure la) met- tent en évidence des températures de sommet de nuages assez basses, identifiables par des taches blanches d'as- pect cotonneux. Les cellules convectives se développent au fur et à mesure de l'advection de la masse d'air vers le nord. 5 5 N T 1 A partir de modèles météorologiques de type méso-échelleon montre que, dans certaines configurations météorologiques, un processusde convection forcée peut s'amorcer en hiverà cause de la présencedes îles Shetland. Les nuagesainsi générés pro- duisent des champs électriques intenses dans le domainede vol des hélicoptères évoluantdanscette région. Dansces conditions électriques, le risque de foudroiement déclenchéaugmente. YNOPSIS Meso-scale meteorological models shovv that in particularmeteo- rological conditions, a process of forced convection can initiate due to the presenceof the ShetlandIslands. The cloudstructure leadsto high electric fieldsinthe flight domainof helicopters evol- ving in that region. In these electrical conditions, the triggered lightning threat is enhanced. RFE N 4 A,i il 200 Foudroiement des hélicoptères en mer du Nord lors d'orages d'hiver '''- ... , , , ,, ,,\,,- ., .... k.., o`>U xii t peS Xt v eF H y4rï, a Giqr t Ët` a 1 u s'.2f kY·. b Y , \ ! a k, 5N 7 S 9H a^ It Figure 1. f Iiiiage Météosat iifraroitge à 12 h 00 UTC - 1 b) CAPE calculée. 3. Le modèle Méso-NH Méso-NH [1] [2] [3] est un outil pour la modélisation des mouvements atmosphériques à méso-échelle et petite échelle. Il a été développé conjointement par le Centre national de recherches météorologiques et le Laboratoire d'Aérologie à Toulouse, France. Il est possible d'obtenir des simulations des phénomènes convectifs à haute réso- lution. Le modèle définit un maillage de l'atmosphère en des cellules élémentaires. Pour chaque cellule, les équations du modèle fournissent la vitesse et la direction du vent, la température, la pression, et décrivent la formation des nuages. Pour le cas étudié, différentes résolutions ont été utilisées. Le modèle de plus grande échelle a été couplé avec les sorties du modèle Arpège pour le 19janvier 1995 à 00 h 00 UTC, 06 h 00 UTC et 12 h 00 UTC. De cette manière, tous les champs à grande échelle ont été initialisés conformément aux données observationnelles. Grâce à ce modèle, nous avons calculé les champs dynamiques et microphysiques dans une zone de 192 km x 240 km autour des îles Shetland avec une résolution spatiale de 2 km. Nous avons utilisé un schéma microphysique prenant en compte la glace. La CAPE (Convective Available Potential Energy en J/kg) calculée est relativement basse (400 J/kg) en comparaison avec les cas d'instabilité convective classiques (supérieure à 2 000 J/kg pour produire des orages) (figure lb). L'atmosphère est stable entre les altitudes z = 1 000 m et z = 6 000 m. Le flux de sud induit une convection forcée. Les simulations montrent des cellules alignées (figure 2) dans le flux de sud. Elles sont entourées par une zone de vitesse verticale négative. Les cellules continuent à se développer pendant environ une heure, puis se décomposent ou fusionnent donnant ainsi naissance à de nouvelles cellules. La vitesse verticale peut atteindre 10 m/s et l'extension verticale des cellules est comprise entre 6 000 m et 8 000 m. Figme 2. Simulation iiiiiiiériqiie iitilisaiit le nioclèle Méso-NH : génération de nuages au nord des Îles Shetland en hiver : coupe horizontale à Z = 1000 111 de la vitesse verticale WM (mls). 4. Electrisation 4.1. Le modèle 1,5 D L'équipe travaillant sur le modèle Méso-NH développe son propre modèle d'électrisation, mais une version publique n'est pas actuellement disponible. Cependant un modèle d'électrisation a été développé par l'Université de Washington [4] [5] et modifié à l'ONERA [6] [7]. Il décrit les processus microphysiques, les mécanismes d'électrisation et la génération d'éclairs. C'est un modè- le 1,5 D dans lequel le nuage est représenté par deux cylindres verticaux coaxiaux. Les couches horizontales sont homogènes, le cylindre interne contient le mouvement vertical principal et le cylindre externe permet les échanges de masse avec l'air libre (en dehors du nuage). c REE No 4 Avril2005 Repères FOUDRE Les mouvements sont verticaux dans le cylindre et hori- zontaux à travers les parois. Une approche explicite de la microphysique décrit les transformations entre la vapeur d'eau et les particules liquides et solides. Nous avons utilisé le modèle afin d'étudier les processus non inductifs (collisionnels) de génération de charges. L'initialisation est obtenue en utilisant les résultats du modèle Méso-NH. - A partir des distributions de charges obtenues par le modèle 1,5 D, le champ électrostatique peut être déterminé en chaque point du domaine de calcul. 4.2. Résultats Les figures 3 et 4 montrent, dans un nuage d'orage, la distribution du champ électrostatique réduit E/ (P/Po), avec P la pression à l'altitude Z, et Pola pression de référence au sol avec Po = 1 bar, pour deux saisons associées à deux positions géographiques hiver au nord des îles Shetland et été au large des côtes du Portugal. Pour le cas hivernal, l'initialisation correspond à l'une des cellules convectives trouvées au nord des îles Shetland (figure 2). Les distributions montrent une structure électrique différente dans les nuages d'orage d'hiver et d'été. L'électrisation dépend en effet de la température, de la vitesse des particules et du contenu en eau liquide. En été, la température en surface est plus élevée, générant des mouvements ascendants plus forts. Ainsi, pour les nuages d'orage d'été, l'électrisa- tion est plus efficace que pour les nuages d'orage d'hiver. De plus, l'extension verticale des nuages est plus importante aux basses latitudes à cause de l'aug- mentation de la hauteur de la tropopause conduisant ainsi à une électrisation plus forte en été. Cependant, la zone principale d'électrisation (entre 0° C et -10'C) se trouve à plus basse altitude en hiver. La figure 4 montre la distribution de charges dans le cylindre central calculée à partir du modèle 1,5 D. Les distributions sont diffé- rentes, menant à différentes conditions de foudroiement entre l'hiver et l'été et entre les basses et les hautes latitudes. Les différentes extensions verticales des nuages et les différentes températures changent la position des centres de charges. En particulier, la distribution de charges dans les nuages d'orages d'hiver sur la mer du Nord crée un fort champ électrique vertical dans la basse atmosphère. Les charges négatives sont proches du sol (à cause notamment des chutes de neige et de grêle), générant ainsi de fortes valeurs positives de champ à z < 1 500 m, et permettant le déclenchement d'éclairs. Cette zone de fort champ correspond aux altitudes de vol « 5 000 pieds) des hélicoptères sur la mer du Nord. Ainsi, en hiver au-dessus de la mer du Nord (aux altitudes typiques de vol), la probabilité pour qu'un hélicoptère soit foudroyé est relativement élevée. De plus, la distribution de charges montre que des éclairs positifs nuage-sol peuvent aussi se développer. Ils peuvent alors être interceptés par les hélicoptères. 1·JNt l:\lm i I I 1 ; ... .....u..- ; :n'r-...-'..........-' " -" t- ii!ttj,i} ii, -.''.....' ! 'r i y F !p F1 y ` · .. ! . RktH ! 7111YY iY6Ilt.'..' t 'Iliif ,llft !-,j.,-.,.' RI Rlil Figure 3. Distribution verticale du chawp électri9ue réduit EI (PIPo) avecP la pression à l'altitude Z et Po la pression de référenceau sol (Po = 1 bar) : nuages d'orage d'hiver (nord des îles Shetland), 5. Le modèle d'attachement A partir de l'analyse de données en vol disponibles, la compréhension physique du foudroiement d'un aéro- nef a été grandement améliorée. Les mesures ont mon- tré que dans tous les cas les premiers points d'attache- ment de l'éclair sont associés aux points d'amorçage de deux leaders qui se propagent dans des directions oppo- sées à partir de l'aéronef : ce phénomène est dénommé leader bi-directionnel. Les expériences ont montré qu'il existe deux phases dans le développement du leader bidirectionnel (figure 6) : . La première phase est associée au développement d'un learder positif à partir de l'aéronef. La configuration électrostatique initiale est composée d'un aéronef (ici un hélicoptère) placé dans un champ électrique ambiant. Ce champ correspond soit au champ statique ambiant, soit au champ associé à une décharge s'approchant de l'aéronef (éclair naturel). Le point d'entrée est défini comme étant le point d'amorçage du leader positif . La seconde phase correspond au développement du leader négatif qui a lieu quelques millise- condes plus tard à cause de la différence de seuil d'amorçage en termes de champ électrique entre les décharges positives et négatives. La configu- r>oooe e-r L 3.105 n* vv 104-105 [y* unon Figi (re 6. Dévelolppeiiieiit dbi bi-leader directioiiiiel, REE Ne 4 Avril2005 Foudroiement des hélicoptères en mer du Nord lors d'orages d'hiver rPw ", ElPlk\/IIl) " 1 f 5, fi· > ".,,,, ..t ;'ft1 c Ik,4, ,,e b Il - Probt 5.DE-03 3.BE-03 2.9E-03 2.2E-03 I.GE-03 1.2E-03 9.4E-04 7.1 E-04 5.3E-04 4.OF-04 3 1 E-04 2.3E-04 1.7E-04 1.3E-04 I.OE-04 Figure 8. Probabilité totale d'attachement (siintilatioii eiivii-oiiieiiient réel). ".., 1, " e4 "....... g 1z 1 , ,%,-e- 11' '. t 1 Prob t 5.OE-03 3.BE-03 2.9E-03 2.2E-03 1.6E-03 1.2E-03 9.4E-04 7. 1 E-04 5.3E-o4 4.OE-04 3.1 E-04 2.3E-04 1.7E-04 >,, 1 1.3E-04 I.OE-04 Figitre 9. Probabilité totale d'Éittacheiiieizt (conditions électrostatiques isotropes), SNB Mffl Alain Delannoy : 1979, doctorat en physique de l'atmosphère (Université Pierre et Marie Curie) ; depuis 1980, ingénieur de recherches à J'ONERA (Office national d'études et de recherches aérospatiales). Alain Broc : 1998 Doctorat en Astrophysique et Techniques Spatiales (Université de Paris XI - Orsay), 1999-2001 Post-doc de l'Agence Spatiale Européenne à l'Université de Bari (Italie) ; 2001- 2002 : post-doc du CNES (Centre National d'Études Spatiales, Toulouse) ; Depuis 2002 : Ingénieur de Recherche à l'ONERA. Emmanuel Montreuil : 2000, doctorat en mécanique des fluides (Université Pierre et Marie Curie) ; 2000-2002, Ingénieur d'études chez Apside Technologies ; depuis 2002, ingénieur de recherche à'ONERA. Philippe Lalande : 1992, ingénieur ESPC, 1996, doctorat en physique des gaz et des plasmas (Université de Paris XI-Orsay), Depuis 1996, ingénieur de recherches à l'ONERA. Pierre Laroche : 1971, ingénieur IPG électronique et radioélec- tricité ; depuis 1971, ingénieur de recherche à l'ONERA ; depuis 1991, chef de l'Unité de recherche Environnement atmosphé- rique " ; depuis 1999, président de la Commission internationale d'électricité atmosphérique de l'IAMAS. REE N 4 Avril 2005