prevision_vol - Physique chimie Dijon

582685893
Comment prévoir la trajectoire du ballon-sonde ?
Une fois libéré, le ballon-sonde s’élève et s’éloigne, au gré du vent…..pour aller où ?
L’étude que vous allez entreprendre va vous permettre de déterminer la zone d’atterrissage de la nacelle.
1. Le déplacement du ballon.
On peut le considérer comme la combinaison de 2 mouvements :
- un mouvement vertical ;
- un mouvement horizontal.
1.1. Le déplacement vertical.
La phase de montée.
La force ascensionnelle qui tire le ballon vers le haut découle du principe d'Archimède.
- Au moment du lâcher, quelles sont les forces s’exerçant sur le ballon ?
- Représenter schématiquement le ballon et ces forces.
- Quand le ballon est en mouvement ascensionnel, quelle nouvelle force s’exerce sur le ballon. Compléter
le schéma précédent.
Très rapidement la somme vectorielle de ces forces s’annule et la vitesse ascensionnelle vz devient constante.
Pour notre ballon, elle devrait être d’environ 5 m.s-1.
- Pour la phase de montée, exprimer l’altitude z du ballon en fonction du temps puis en faire la représenta-
tion graphique.
- Evaluer la durée de cette phase si l’éclatement de l’enveloppe a lieu à une altitude zE de 30 000 m.
La phase de descente.
Elle est plus complexe à étudier. En effet après l’éclatement du ballon, l’atmosphère étant raréfiée, le para-
chute est inopérant et la vitesse de chute très importante : 60 m.s-1. Le parachute ne va remplir son rôle que très
progressivement et ce n’est que vers 10 000 m d’altitude que la vitesse sera d’environ 5 m.s-1.
1.2. Le déplacement horizontal.
Ce déplacement est dû au vent. A supposer qu’il n’y ait pas du tout de vent aussi bien à la montée qu’à la
descente où la nacelle retomberait-elle ?
.
1.2.1. Exemples simples.
a). - temps de montée : 2 heures ; - temps de descente : 1 heure ;
- vitesse horizontale du vent 10 km/h ; - direction du vent : plein nord.
Représenter la «trajectoire horizontale » du ballon en déterminant son point d’éclatement et son point
d’atterrissage.
b). Nous supposons maintenant que la vitesse et la direction du vent changent avec l’altitude.
De 0 à 10 000 m, le vent souffle vers le nord à 20 km/h ;
De 10 000 m à 20 000 m, le vent souffle vers l’est à 10 km/h.
La vitesse de montée est de 20 km/h et l’altitude d’éclatement de 20 000 m.
Pour la descente, la vitesse de chute moyenne est de 40 km/h.
Représenter la trajectoire horizontale et déterminer la position du point d’éclatement et du point d’atterrissage.
Calculer l’angle que fait la trajectoire avec la direction du nord. Calculez la distance parcourue au sol.
m/min

Lycée du Creusot Physique appliquée
Mais la réalité est beaucoup plus complexe : la vitesse et le sens du vent varient avec l’altitude. Pour
déterminer le déplacement horizontal du ballon, il est nécessaire de connaître ces paramètres jusqu’à l’altitude
d’éclatement du ballon.
1.2.2. Le diagramme des vents (windgram).
Les organismes de météo déterminent
chaque jour la vitesse et la direction du vent en
altitude, et ce dans le but d’établir les prévisions
météorologiques. Pour cela, ils utilisent des
ballons-sondes. Dans la région, ils sont lâchés
depuis Satolas.
Les météorologues utilisent un symbole
très simple pour représenter à la fois la vitesse du
vent (en noeuds, symbole "kt" pour knot) et la
direction dans laquelle le vent souffle. Ces sym-
boles appelés barbules sont très faciles à lire.
Comme un drapeau, une barbule est composée
d'une hampe, plantée à l'endroit de la mesure sur
une carte et orientée dans le sens du vent.
Dans l’extrait de windgram ci-dessous, le
28 mai vers 15 h, le vent souffle pratiquement du
nord et poussera le ballon vers le sud. Sa direc-
tion ne varie pratiquement pas avec l’altitude.
Par contre, à 6 h, au sol, le vent vient de l’ouest et en altitude il souffle
du nord.
La force du vent est représentée par des traits ou des triangles :
- un grand trait = 10 nœuds
- un petit trait = 5 nœuds
- un triangle = 50 nœuds
Dans l’exemple étudié, le vent est plus fort en altitude.
Dans les fichiers de données
météo, l’angle est celui que fait la
direction d’où vient le vent avec le
nord.
Ainsi 270° correspond à un vent d’ouest
(allant vers l’est) : le ballon ira vers l’est.
Z (altitude)
A
vent de 25 noeuds
soufflant vers le sud
vent de 55 noeuds
soufflant vers le sud-ouest
B
45°
vent de noeuds
soufflant vers le sud-est
315 °
C
NN
N

Lycée du Creusot Physique appliquée
2. Conditions météorologiques du 6 juin 2009.
Il s’agit de vérifier la validité des hypothèses précédentes en exploitant le windgram du jour du vol du
ballon de l’an passé.
2.1. Importation du windgram.
Vous allez récupérer le diagramme de vent pour cette date et l’interpréter en utilisant les informations précédentes.
L’A.R.L. (Air Ressources Laboratory) archive les données météorologiques à l’adresse suivante :
http://ready.arl.noaa.gov/READYamet.php
- Entrer la latitude et la longitude du Creusot en degrés décimaux. Valider.
- Dans les produits proposés, choisir « windgram » et « GDAS » comme type de données. GO.
- Importer les données de la première semaine de juin 2009 (june09. week1). NEXT.
- Commencer l’importation à partir du 5 juin 12 h pour une durée de 24 h. Conserver les autres choix.
Entrer le code d’accès et valider (get windgram).
- Le windgram s’affiche.
Remarque : tous les temps sont en U.T.C.
2.2. Exploitation du windgram.
1. Donner la force (vitesse) et la direction du vent au sol :
le vendredi 5 juin à midi ; le samedi 6 juin à 6 h ; le samedi 6 juin à 12 h.
2. Même question pour une altitude correspondant à une pression de 250 hPa.
3. Vérifier vos réponses en important le windgram en texte. Donner les valeurs précises des directions (en
degré) et des vitesses (en km/h).
4. Le ballon sonde ayant été lâché vers 11 h locale, indiquer la direction prise par le ballon après son dé-
part. Cette direction changera-t-elle au cours du vol ?
2.3. Interprétation des données du 6 juin 2009 fournies par un ballon sonde (sounding).
Pour prévoir précisément la trajectoire, Il faut tenir compte des variations de vitesse et de direction du vent
en fonction de l’altitude. Le problème se révèle être compliqué à traiter.
Un logiciel : « BALLOON TRACK » permet d’automatiser ce travail. Il calcule la trajectoire et donne les
coordonnées (latitude, longitude) du point de chute prévu. Pour cela, il suffit de lui fournir les données sur le vent
pour la date où on veut connaître la trajectoire.
Ce logiciel est conçu, non pas pour exploiter le windgram précédent mais un fichier plus complet qui, outre
la vitesse et la direction du vent, nous renseigne sur la température, l’altitude, l’humidité relative ou le point de ro-
sée.
On procède comme en 2.1. Le produit que l’on veut télécharger à présent est le SONDAGE (sounding).
- Importer les données de la première semaine de juin 2009 (june09. week1). NEXT
- Commencer l’importation pour le 6 juin à 9 h. Conserver les choix par défaut.
Entrer le code d’accès et valider (get sounding).
- Les données graphiques du sondage s’affichent. Ce sont de tels graphiques qui sont exploités par les prévision-
nistes.
Que représente l’échelle à gauche ? Qu’indique la courbe rouge ? Exploiter cette courbe en donnant quel-
ques valeurs pour illustrer votre réponse. Que reconnaissez-vous sur la partie droite du sounding ?
- Récupérer le « sounding » au format texte en validant : « Sounding text and any error messages ». puis enregistrer
ce fichier (par défaut en .txt).
- A 11 h locale, quelle était la température au Creusot ? A quelle altitude se situe l’aire de lâcher ? Vers quelle alti-
tude se situe l’isotherme 0 °C ? Vitesse et direction du vent à cette altitude ?
C’est ce fichier qui va « alimenter » BALLOON TRACK et qui nous permettra de déterminer le point de chute.

Lycée du Creusot Physique appliquée
3. Trajectoire du 6 juin 2009 prévue par Balloon Track.
Ce programme, à partir des données météo (vitesse et direction du vent) calcule la trajectoire du ballon ainsi que
les coordonnées du point de chute.
3.1. Paramétrage du logiciel.
- lancer ; - dans la barre de menu, valider « setup »
- Dans l’onglet « flight info », entrer les informations relatives au vol :
« flight name » : NADAR 2
« ascent rate » : 270 m/min vitesse de montée
« descent rate » : 305 m/min vitesse de descente
« burst altitude » : 31 500 m altitude d’éclatement. COCHER « use burst ».
Choisir le mode « burst » (dans « select mode »).
Compléter ensuite la date du vol, l’heure de lâcher (11 h) ainsi que l’« UTC offset » qui est de 2 (heure d’été).
Pour terminer, sélectionner « metric » (système métrique).
Les autres valeurs sont conservées.
- Dans l’onglet « location », entrer les informations sur la localisation de la zone du lâcher.
« launch site data » Name : LE CREUSOT
latitude :
longitude :
altitude :
Dans l’immédiat, seuls ces renseignements sont indispensables.
Sauvegarder ce setup en validant « Save to default config file »
Le logiciel est prêt à exploiter le fichier de données météo (.txt) importé précédemment.
3.2.Calcul de la trajectoire : coordonnées du point de chute.
Dans Balloon Track, ouvrir le fichier de données (.txt) : « file » « open ».
L’ouverture de ce fichier génère un fichier .dat par Ballon Track. Sauvegarder ce fichier dont le nom est donné automatique-
ment : « Profile_10_06_06_0900Z.dat ».
Dès la validation, le calcul est instantané et on obtient tous les paramètres du vol.
Première exploitation de ces résultats.
- A quelle heure a eu lieu l’éclatement du ballon ? – A la verticale de quel lieu ? (latitude et longitude). Utiliser Goo-
gle Earth ou Maps.Google.
- Répondre aux mêmes questions pour le point prévu d’atterrissage.
Sachant que la nacelle a été retrouvée au voisinage de « l’étoile de la duchesse », évaluer la distance entre le
point de chute prévu et le point de chute réel.
3.3.Visualisation de la trajectoire.
Cliquer sur « View Track » : la trajectoire est affichée
ainsi que la distance au point d’atterrissage.
Cette représentation donne seulement une idée de la
direction et de la zone où la nacelle s’est posée. Tout
ceci serait plus parlant si la trajectoire s’affichait sur une
carte géographique.
- Préparation de la carte.
Afficher une carte routière en prenant le Creusot en bas
à gauche, de façon à couvrir une zone au Nord-Est du
Creusot (jusqu’à Belfort). Faire une copie d’écran en
utilisant SRIP et sauvegarder l’image (format .JPG :
10LC_NE.jpg) dans le dossier de Balloon Track.
« Etalonnage de la carte » : il faut donner des coor-
données géographiques (latitude et longitude) à cette
IMAGE pour la transformer en carte.

Lycée du Creusot Physique appliquée
Repérer sur l’image deux points dans des coins opposés (carrefours de routes par exemple) et chercher les coordonnées de
ces points avec GOOGLE EARTH. Pour une bonne concordance, par la suite, de votre trajectoire, les coordonnées de ces
deux points doivent être relevées très soigneusement.
Dans Balloon Track, cliquer sur « Scan Map ». Dans la fenêtre qui s’ouvre, ouvrez la carte (« file – open map »). Lorsque la
carte est affichée, il faut lui donner des coordonnées : « file – map registartion – two points).
Suivez les instructions pour entrer latitude et longitude des deux points.
Si tout ceci a été fait avec soin, la trajectoire partira effectivement du Creusot !
3.4. Etude de la trajectoire.
Vous allez étudier l’influence des vitesses de montée, de descente et de l’altitude d’éclatement sur la trajectoire et
le point de chute.
Selon le poste que vous occupez, vous prendrez les valeurs correspondantes pour le SETUP.
poste
2
3
4
5
6
7
8
9
vitesse de montée
(m/min)
240
240
300
310
220
220
310
280
vitesse de descente
(m/min)
310
300
310
310
310
340
300
300
altitude d’éclatement
(m).
32 000
32 000
31 500
32 000
30 000
30 000
28 000
28 000
Lancer le programme et déterminer la trajectoire ; repérer le point de chute et le point d’éclatement (coordonnées).
Indiquer aussi la distance parcourue au cours du vol.
Après mise en commun des résultats, déduire de vos études l’influence des 3 paramètres testés.
La nacelle s’était posée au point de coordonnées : 47,4959 N, 5,2595 E et à une altitude de 254 m.
4. Prévision de trajectoire pour le vol du 5 juin 2010.
Cette étude ne pourra se faire que lorsque l’on disposera de prévisions météorologiques suffisamment fiables pour
cette date.
Les prévisions seront récupérées à cette adresse : http://ready.arl.noaa.gov/READYcmet.php
L a trajectoire sera étudiée à partir de prévisions météo pour 9 h U.T.C. et 12 h U.T.C.
En procédant comme dans l’étude précédente, télécharger les « soundings » pour ces dates et les traiter avec
Balloon Track en utilisant les conditions initiales propres à votre poste données au § 3.4.
Donner les caractéristiques de la trajectoire et la visualiser sur une carte.
Remarque. Si le vent n’emporte pas le ballon vers le nord-est, il sera nécessaire d’importer et d’étalonner une
nouvelle carte.