Brevet d'Initiation Aéronautique

Météorologie
et aérologie

Un module en 3 séances pour comprendre le temps… et savoir ce qu'il change en vol.

Présentation

Un module, une progression

Ce support couvre la partie « Météorologie et aérologie » du BIA. Les définitions, les valeurs à retenir et le vocabulaire suivent le manuel de référence du BIA (CIRAS). Chaque séance suit la même démarche : des objectifs clairs, un cours illustré, des repères « côté pilote » pour relier les notions au vol, des points clés à retenir, un English corner et un quiz corrigé pour vérifier ce qui est acquis. La progression est continue : l'atmosphère (séance 1) explique les nuages et les vents (séance 2), qui expliquent à leur tour les fronts, les dangers pour le vol et les messages météo (séance 3).

Programme officiel

Correspondance avec le référentiel

Chaque compétence attendue au programme officiel (Bulletin officiel n° 11 du 12 mars 2015) est associée à la séance qui la traite.

Séance 1

Les fondamentaux de l'atmosphère

1 · L'atmosphère

Structure, composition, atmosphère standard

Définition : l'atmosphère est l'enveloppe gazeuse qui entoure la Terre, sur quelques centaines de kilomètres (80 à 120 km).

Les couches de l'atmosphère

Elle est divisée en plusieurs couches d'épaisseur variable, dont les limites ont été fixées en fonction de l'altitude. Sous l'exosphère, on distingue principalement quatre couches, de haut en bas :

Composition

L'air atmosphérique est un mélange d'air sec, de vapeur d'eau et de poussières. L'air sec (99,97 %) est composé de diazote (78 %), de dioxygène (21 %) et d'argon (0,9 %), avec quelques traces de gaz rares : hélium, dioxyde de carbone, dihydrogène.

Comme tout gaz, l'atmosphère se décrit par quelques paramètres : la température, la pression, l'humidité et le vent.

L'atmosphère standard

Pour les besoins de l'aéronautique, il a été nécessaire de « figer » l'atmosphère en une atmosphère moyenne, dite « standard ISA ». Elle permet de décrire les performances des aéronefs et de les localiser dans le plan vertical. On retiendra :

2 · La pression atmosphérique

Définition, mesure, champs de pression et calages

La pression de l'atmosphère

La force « F » exercée par un gaz sur une surface « S » placée dans ce gaz est due aux chocs des molécules sur la surface. La pression est définie par le rapport P = F / S. Plus la pression du gaz est élevée, plus cette force est importante. Sur Terre, la pression est principalement due au poids de l'air situé au-dessus de nous.

La pression se mesure en pascal (Pa), mais en météorologie on utilise plutôt l'hectopascal (hPa) ou le bar : 1 hPa = 100 Pa et 1 000 hPa = 1 bar.

La pression diminue quand on s'élève. On retiendra un gradient moyen de −1 hPa pour 28 ft.

La mesure de la pression

La pression atmosphérique se mesure à l'aide d'un baromètre (ou manomètre). On rencontre :

• le baromètre anéroïde, à capsule déformable ;
• le baromètre à mercure ;
• le barographe, qui enregistre les variations de pression.

L'expérience de Torricelli : quelle que soit la taille du tube, la hauteur de mercure au niveau de la mer est toujours de 760 mm.

Les champs de pression

• Anticyclone : zone de hautes pressions (symbole A ou H).
• Dépression : zone de basses pressions (symbole D ou L).
• Marais : zone sans variation de pression significative (souvent proche de 1013 hPa).
• Isobares : lignes qui relient les points de pressions égales.

Sur une carte, les isobares dessinent aussi des formes allongées ou des zones de transition entre les centres d'action :

Les calages altimétriques

L'altimètre est un baromètre gradué en altitude : selon la pression de référence affichée, il n'indique pas la même grandeur.

3 · La température

Variations et échanges thermiques

En France, la température se mesure en degrés Celsius (°C). Dans la troposphère, elle diminue lorsque l'altitude augmente (−56,5 °C au niveau de la tropopause). Bien que cette variation ne soit pas linéaire, on retiendra en première approximation une diminution de −6,5 °C pour 1 000 m ou −2 °C pour 1 000 ft.

Variations de température

• Variations saisonnières : la durée d'ensoleillement varie en fonction de la position de la Terre sur son orbite et de l'angle d'incidence des rayons solaires (axe de la Terre incliné de 23°27′ sur l'orbite).
• Variations annuelles : l'amplitude annuelle varie avec la latitude.
• Variations quotidiennes : au cours de la journée, la température passe par un minimum (environ ½ heure après le lever du Soleil) et par un maximum (environ 2 heures après le passage du Soleil à la verticale du lieu).

Les échanges thermiques

• Rayonnement : le rayonnement solaire, bien qu'un peu absorbé par la couche d'ozone et par la troposphère, reste assez intense pour réchauffer la surface de la Terre. Réchauffée, la Terre rediffuse sa chaleur par rayonnement vers l'air des basses couches.
• Conduction : la chaleur se répartit des parties chaudes vers les parties froides d'un corps. L'air et le sol sec sont de mauvais conducteurs ; l'eau est un bon conducteur.
• Convection : une bulle plus légère que l'air se forme et se détache du sol, puis s'élève à travers les couches situées au-dessus d'elle. L'air soulevé est remplacé par un volume égal venant des couches voisines plus froides. Cet air renouvelé se réchauffe à son tour : il s'établit des courants verticaux ascendants et descendants de convection.

Au sommet de la colonne d'air chaud se développe parfois un cumulus.

4 · L'eau dans l'atmosphère

Humidité, changements d'état, surfusion

L'eau existe dans l'atmosphère sous trois états : solide, liquide et gazeux.

La vapeur d'eau est de l'eau à l'état gazeux contenue dans l'air. Pour un volume donné, plus la température est élevée, plus l'air peut contenir de vapeur d'eau.

• Humidité : quantité de vapeur d'eau contenue dans l'air.
• Humidité relative = vapeur d'eau réelle / vapeur d'eau maximum (elle dépend de la température). Lorsqu'elle atteint 100 %, on se trouve à l'état de saturation.
• Point de rosée : température à laquelle doit être refroidi l'air pour que l'humidité relative atteigne 100 %.

Les changements d'état

• Condensation / évaporation : lorsque la température de l'air baisse au-dessous du point de rosée, la condensation intervient. De fines gouttelettes d'eau se forment autour de poussières diverses en suspension. Le phénomène inverse est l'évaporation.
• Solidification / fusion : l'eau refroidie en dessous de 0 °C se solidifie (neige, glace). L'inverse est la fusion.

La surfusion

Dans l'atmosphère, les gouttelettes d'eau restent souvent liquides dans des conditions de température et de pression où l'eau devrait être à l'état solide : elles sont en état de surfusion. Le phénomène est courant dans le brouillard ainsi que dans les nuages, où l'on observe des gouttelettes surfondues jusqu'à −40 °C.

La traînée de condensation

Elle est créée par la condensation de la vapeur d'eau émise par les moteurs d'avion à très haute altitude. Les gouttes d'eau en suspension deviennent de petits cristaux de glace, qui forment des traînées blanches derrière l'avion.

5 · Les unités d'altitude

Convertir les pieds (ft) et les mètres (m)

En aéronautique, les altitudes, hauteurs et niveaux de vol sont exprimés en pieds (feet, symbole ft), alors que le cours (tropopause, relief, isotherme) et la visibilité des messages météo utilisent plutôt les mètres. Il faut donc savoir passer de l'un à l'autre, sans calculatrice.

Exemples concrets

Convertisseur

Mini-quiz de conversion

Atelier interactif

Manipuler les notions

English corner

Vocabulaire de la séance

Entraînement interactif

Quiz de la séance 1

Séance 2

Nuages, précipitations, vents et brises

1 · Les nuages

Formation, stabilité et classification

Formation

Les nuages se forment par le refroidissement de l'air qui monte. Lorsque la température diminue, la quantité maximale de vapeur d'eau que peut contenir l'air diminue également, donc l'humidité relative augmente. Lorsqu'elle atteint 100 %, la condensation apparaît autour de minuscules particules solides. La forme du nuage dépend du caractère stable ou instable de la masse d'air.

Stabilité et instabilité

On raisonne sur une particule d'air que l'on soulève, avec deux hypothèses : (1) son soulèvement provoque un refroidissement par détente « adiabatique » (c'est-à-dire sans échange de chaleur avec l'extérieur) ; (2) l'atmosphère autour d'elle conserve son gradient vertical.

Classification

Les nuages se classent selon trois critères : l'étage, la forme et l'épaisseur.

2 · Les précipitations

Formation et classification

Définition : ensemble de particules d'eau liquide et/ou solide qui tombent d'un nuage.

Formation

Dans la partie du nuage où la température est négative, coexistent des cristaux de glace et des gouttelettes d'eau surfondues. Par transfert de vapeur d'eau et par choc, les éléments constitutifs du nuage grossissent et, sous l'effet de leur poids, ils précipitent.

Toute précipitation commence par un flocon de neige. Si ce flocon, en tombant, arrive dans une couche où la température est supérieure à 0 °C, il se transforme en goutte de pluie.

Classification

3 · Le vent

Origine, mesure et vents régionaux

Origine du vent

Les différences de pression créent des forces qui mettent l'air en mouvement : c'est le vent. Il circule toujours des hautes pressions vers les basses pressions, et il est d'autant plus fort que les variations de pression sont importantes : plus les isobares sont serrées, plus le vent est fort.

En tenant compte de la rotation de la Terre (force de Coriolis), la direction du vent est déviée à droite dans l'hémisphère Nord et à gauche dans l'hémisphère Sud. Il devient alors sensiblement parallèle aux isobares. Cela fait que :

• dans l'hémisphère Nord, le vent tourne dans le sens des aiguilles d'une montre autour d'un anticyclone et en sens contraire autour d'une dépression ;
• dans l'hémisphère Sud, c'est l'inverse.

Mesure, direction et observation du vent

L'unité internationale de vitesse est le m/s, mais en aéronautique on utilise le nœud (kt) : un nœud correspond à un mille nautique par heure.

La direction du vent indique toujours la direction d'où il vient.

Les vents régionaux en France

• Mistral : vent de nord qui s'engouffre dans la vallée du Rhône.
• Tramontane : vent de nord-ouest qui souffle sur le golfe du Lion.
• Autan : vent de sud-est qui souffle dans le Sud-Ouest.
• Sirocco : vent chaud de sud-est, venu d'Afrique du Nord.

4 · Les brises

Vents locaux et cycle jour / nuit

Définition : vent local régulier qui s'établit près des lacs, de la mer, des montagnes et dans les vallées. Il est provoqué par les différences de température entre les masses d'air dans les basses couches de la troposphère, et il suit un cycle jour / nuit.

En région côtière

La variation de la température de l'eau étant plus faible et moins rapide que celle de la surface de la terre :

• De jour : brise de mer. Sous l'effet du rayonnement solaire, la surface de la terre se réchauffe plus vite que la masse d'eau. L'air au contact du sol s'élève, en faisant place à une dépression qui « aspire » l'air plus froid situé au-dessus de la mer.
• De nuit : brise de terre. La masse d'air en contact avec le sol se refroidit plus rapidement que celle en contact avec la mer : phénomène inverse de la brise de mer.

En région montagneuse

• De jour : l'air au contact des versants ensoleillés s'échauffe et s'élève le long des pentes. Pour compenser l'air emprunté au fond de la vallée, un vent s'établit, remontant la vallée.
• De nuit : le phénomène inverse se produit.

5 · Foehn et courant-jet

Deux phénomènes météorologiques locaux

L'effet de Foehn

Phénomène spécifique aux régions montagneuses, il explique le temps privilégié de certaines régions (Languedoc-Roussillon, Alpes du Sud, Alsace…) ainsi que le temps humide d'autres régions (Limousin, Vosges…). Il s'agit du franchissement d'un obstacle (montagne) par de l'air humide :

• l'air humide est soulevé par le relief, se détend et se refroidit jusqu'à la saturation (formation de nuages), puis jusqu'à la formation de pluies ou de neiges ;
• de l'autre côté du relief, l'air descendant s'est déchargé de toute son humidité ; sa descente a pour effet de le réchauffer.

Le passage du relief assèche et réchauffe la masse d'air : c'est l'effet de Foehn. Exemple au pied des Pyrénées : 12 °C côté espagnol, 4 °C au sommet, 22 °C côté français.

Le jet-stream (courant-jet)

Courant d'air très rapide, de quelques centaines de km de large et de seulement quelques km d'épaisseur, situé à environ 10 km d'altitude. Il entoure le globe terrestre et souffle d'ouest en est, selon la rotation de la Terre. La vitesse des vents à l'intérieur est d'environ 200 à 300 km/h. Les pilotes de ligne l'utilisent pour économiser du carburant.

6 · Introduction aux masses d'air

Classer l'air selon sa température et son humidité

Définition : une masse d'air est une grande étendue d'air dans laquelle la température et l'humidité varient peu. Selon la circulation générale, l'air froid tend à s'écouler vers l'équateur, l'air chaud vers les pôles.

On les classe selon deux caractéristiques, qui se combinent (mP = polaire maritime, cT = tropicale continentale…) :

• la température : très chaude (équatoriale, E), chaude (tropicale, T), froide (polaire, P), très froide (arctique, A) ;
• l'humidité : sèche (continentale, c) ou humide (maritime, m).

La séance 3 étudie les masses d'air qui touchent l'Europe et les fronts qui en résultent.

Atelier interactif

Convertir la vitesse du vent

English corner

Vocabulaire de la séance

Intensité du vent sur une manche à air (échelle anglaise) : light (breeze) · gentle · moderate · strong · harsh (storm).

Entraînement interactif

Quiz de la séance 2

Séance 3

Masses d'air, fronts, dangers et documents météo

1 · Les masses d'air en Europe

Quel temps apporte chaque masse d'air ?

Aux latitudes entre 40° et 50°, on assiste à la rencontre de deux masses d'air : l'une d'origine polaire, froide et sèche, l'autre d'origine tropicale, chaude et humide. Lorsqu'elles se rencontrent, ces deux masses d'air ne se mélangent pas. Plusieurs masses d'air atteignent l'Europe et y apportent un temps caractéristique :

2 · Frontologie

Fronts chaud et froid, occlusion, secteurs d'une perturbation

On observe l'inclusion d'une masse d'air tropical dans la masse d'air polaire. Cette inclusion est limitée par deux surfaces appelées fronts. Le front est la surface de séparation entre la masse d'air froide et la masse d'air chaude.

• Front chaud : l'air chaud repousse l'air froid devant lui et passe au-dessus.
• Front froid : l'air froid postérieur pousse l'air chaud devant lui et au-dessus de lui.
• Le front froid se déplace plus vite que le front chaud. L'occlusion se produit lorsque le front froid rattrape le front chaud, le rejetant en altitude.

Les nuages associés aux fronts

Cirrus (Ci), Altostratus (As), Nimbostratus (Ns), Stratocumulus (Sc), Cumulonimbus (Cb), Altocumulus (Ac).

3 · Les phénomènes dangereux pour le vol

Comprendre leurs conséquences

Brume, brume sèche et brouillard

• Brume : suspension, dans l'atmosphère, de microscopiques gouttelettes d'eau ; elle réduit la visibilité entre 1 et 5 km.
• Brume sèche : constituée de particules solides (sable, poussières…) en suspension dans l'air, non saturé d'humidité. Elle peut être due aux caractéristiques du paysage (tempêtes de sable dans le désert) ou aux activités humaines et économiques.
• Brouillard : suspension, dans l'atmosphère, de petites gouttelettes d'eau ou de cristaux de glace ; il réduit la visibilité à moins de 1 km. Il se forme principalement par refroidissement d'une masse d'air humide : le refroidissement conduit à la saturation puis à la condensation.

Le givrage

Définition : formation, plus ou moins rapide, d'un dépôt de glace sur certaines parties de l'avion. Entre 0 °C et −15 °C, la surfusion est très répandue : l'avion qui traverse un nuage dans cette plage de températures rencontre des milliards de gouttelettes surfondues. Ce dépôt de glace :

• alourdit l'avion ;
• modifie l'écoulement de l'air autour de l'avion et influe sur ses performances (moins de portance, plus de traînée) ;
• peut bloquer les gouvernes ;
• peut étouffer le moteur (givrage du carburateur) ;
• peut obstruer les capteurs (instruments hors service) et givrer le pare-brise.

Prévention et élimination :

• Au sol : dégivrage de l'avion avant son départ, puis application d'un liquide de protection efficace sur une courte durée.
• En vol : anticipation et traitement du phénomène par la mise en marche de systèmes antigivrage de certaines parties de l'avion (chauffage du pare-brise, des pales d'hélices, des tubes Pitot ; gonflage des boudins de bord d'attaque).

Les cumulonimbus

C'est le nuage le plus dangereux pour l'avion (y compris pour les gros avions de ligne). Il provoque :

4 · Les documents météorologiques

Nébulosité, METAR, TAF, TEMSI, vents et températures

Pour connaître la météo, le pilote dispose de nombreux moyens : les différents messages, l'exposé verbal du météorologue (téléphone), ou encore les cartes d'observation et de prévision, éditées régulièrement.

La nébulosité

Elle indique la fraction du ciel couverte par les nuages (en huitièmes, ou octas) :

Le METAR

Le METAR (METeorological Aerodrome Report) est un message d'observation météorologique du temps sur un aérodrome. Il décrit ce qui se passe maintenant : il est donc très fiable. Il est réédité toutes les heures ou toutes les demi-heures. C'est un message codé, toujours organisé de la même façon : station, date et heure, vent, visibilité, phénomènes, nuages, température et point de rosée, QNH, puis une tendance éventuelle.

METAR LFMT 090530Z AUTO 30011KT CAVOK 13/02 Q1020 NOSIG

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La lecture du pilote. Un METAR se lit avec une seule question en tête : « est-ce compatible avec mon vol ? »

Vent de nord-ouest, air sec et ciel dégagé : c'est un profil souvent associé à un jour de tramontane ou de mistral en Languedoc.

Pour s'entraîner : un METAR de temps dégradé (Toulouse-Blagnac). Comparez-le avec celui de Montpellier : visibilité réduite, plusieurs couches de nuages, et seulement 2 °C d'écart entre la température et le point de rosée.

METAR LFBO 160700Z 02002KT 4000 SCT006 BKN030 BKN100 14/12 Q1013

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Le METAR en direct

Le widget ci-dessous affiche le dernier METAR de LFMT : il se met à jour tout seul (connexion Internet nécessaire). Le message de 05 h 30 UTC étudié plus haut est, lui, figé : retrouvez ses valeurs dans le widget et notez ce qui a changé depuis.

Quelques groupes à connaître

Les codes de phénomènes

Le TAF

Le TAF (Terminal Aerodrome Forecast) est un message de prévision météorologique pour un aérodrome. Il existe des TAF courts (valables 9 h) et des TAF longs (valables 24 h). Ils sont disponibles 1 h avant le début de leur validité. La syntaxe ressemble à celle du METAR, mais le message est organisé différemment : après l'heure d'émission, on trouve la période de validité (jour/heure de début, jour/heure de fin).

TAF LFMT 090200Z 0903/1003 30012KT CAVOK BECMG 0912/0914 02008KT

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Comment lire un TAF en quatre étapes

1. Vérifier la validité. 0903/1003 signifie « du 9 à 03 h UTC au 10 à 03 h UTC ». Hors de cette période, la prévision ne vaut rien.
2. Lire les conditions de départ : vent, visibilité, phénomènes, nuages. Ici : vent du 300° à 12 kt, CAVOK.
3. Repérer les évolutions (BECMG, TEMPO, PROB, FM), chacune suivie de sa période. On ne répète que ce qui change : après BECMG 0912/0914, seul le vent est modifié, CAVOK reste valable.
4. Comparer avec le METAR : l'observation confirme-t-elle la prévision ? Ici oui : 300° à 11 kt et CAVOK à 05 h 30 UTC, pour 300° à 12 kt et CAVOK prévus.

Ce vent de 020° à 8 kt prévu à partir de 14 h UTC (16 h locales) est presque perpendiculaire à la piste 12/30 : il faut s'attendre à un vent traversier d'environ 8 kt.

Les groupes d'évolution du TAF

Pour s'entraîner : un TAF avec des évolutions (archive de LFMT, situation dégradée). Contrairement à celui du jour, il mêle évolutions durables, fluctuations temporaires et probabilités.

TAF LFMT 200800Z 2009/2109 02005KT 9999 SCT014 BECMG 2009/2011 15010KT PROB30 TEMPO 2009/2017 BKN014 BECMG 2017/2020 05003KT OVC010 TEMPO 2021/2106 3000 BR OVC005 PROB30 TEMPO 2022/2103 0900 FG VV/// TEMPO 2106/2109 SCT010

Choisissez un groupe ci-dessus.

Un dernier exemple, avec les températures extrêmes (Marseille-Provence) : TX est la température maximale prévue, TN la minimale.

TAF LFML 281100Z 2812/2912 24005KT CAVOK TX32/2815Z TN21/2903Z

Choisissez un groupe ci-dessus.

Les cartes TEMSI

Les cartes TEMSI (Temps Significatif) sont des cartes météorologiques de la France, valables pour un niveau de vol précisé. Leur validité est de 3 heures et elles sont disponibles 4 heures avant leur début de validité. Elles indiquent notamment :

• la nature et l'emplacement des fronts ;
• les nuages présents ainsi que la couverture nuageuse ;
• l'orientation et la vitesse du vent ;
• les risques de givrage et de turbulence ;
• les températures (niveau de l'isotherme 0 °C).

Les symboles de neige, d'averse, de brouillard étendu et de givrage faible ne sont pas utilisés pour les vols à haute altitude.

La carte des vents et des températures prévus

Ces cartes fournissent la force du vent et les températures prévues à différents niveaux de vol (par exemple FL 050, soit 850 hPa). Il y a 4 cartes par jour : 00 h, 06 h, 12 h et 18 h (en temps universel). La température est inscrite avec un signe + si elle est positive ; si elle est négative, il n'y a pas de symbole devant. Exemples : on lit +3 → 3 °C ; on lit 1 → −1 °C.

Les flèches indiquent la direction du vent et le nombre de barbules sa vitesse :

English corner

Vocabulaire de la séance

Entraînement interactif

Quiz final du module

Annexes

Révisions et références

Les chiffres à retenir

Glossaire

Sigles anglo-français