Jet-streams et aviation

Fondamental

Les modèles climatiques projettent une augmentation du cisaillement vertical du vent dans la haute troposphère et la basse stratosphère. Les résultats précédents montrent que ces projections sont appuyées par des observations des changements actuels. Cette troposphère supérieure et basse stratosphère couvrent les altitudes auxquelles les avions commerciaux de passagers naviguent généralement.Par conséquent, bien que nous ne vivions pas à ces altitudes, elles sont d'un intérêt particulier pour nos déplacements.

L'augmentation du cisaillement vertical du vent aux altitudes de croisière des aéronefs a des conséquences fâcheuses pour les vols car c'est une forme invisible de turbulence qui est produite dans le courant-jet chaque fois que le cisaillement est fort. La turbulence en air (CAT) est générée dans un ciel clair lorsque le cisaillement vertical du vent est plus fort que la stratification, tel que mesuré par le nombre de Richardson étant sous-critique (Ri <1/ 4). Il s'ensuit que le changement climatique entraîne une augmentation du taux de production de CAT aux altitudes de croisière des avions. En particulier, lorsque la concentration de CO2 dans l'atmosphère est doublée dans les simulations de modèles climatiques, la quantité de CAT moyen à important augmente de 40%-170% dans le couloir de vol transatlantique en hiver celle du CAT sévère augmente de 36%-188%. Ces résultats sont reproduits à l'échelle mondiale et tout au long de l'année à différentes altitudes de vol de croisière.

En plus des impacts sur l'aviation, une augmentation du CAT créerait plus de mélange dans le la haute atmosphère et pourrait donc également avoir des conséquences importantes (mais actuellement inconnues) pour la dynamique atmosphérique et la thermodynamique.

ComplémentNombre de Richardson

Le nombre de Richardson \(Ri \)est un nombre sans dimension utilisé notamment en thermodynamique qui a été développé par Lewis Fry Richardson, physicien et mathématicien anglais. Il s'agit du rapport entre l'énergie potentielle gravitationnelle d'une parcelle de fluide et son énergie cinétique.

Pour caractériser les différents types des instabilités atmosphériques on utilise le nombre de Richardson, un nombre sans dimension défini par:

\(Ri=\frac{N^2}{S^2}\)

Où :

  • \(S=\left(\frac{\partial{u}}{\partial{z}}\right) \)est le cisaillement vertical du vent.

  • \(N\) est nommée fréquence de Brunt-Väisälä définie comme la différence entre le gradient vertical de température \(\left(\frac{dT}{dz}\right)\)et le gradient adiabatique \(\Gamma\) : \(N^2=\frac{g}{T}\left[\left(\frac{dT}{dz}\right)-\Gamma\right]\)

N est la fréquence d'oscillation d'une particule soumise à un déplacement vertical. Pour \(N^2<0\) l'atmosphère est instable et une particule déplacée de son état initial s'éloignera irréversiblement. Si \(N^2=0\), la stabilité est "neutre", la particule déplacée demeura à sa nouvelle altitude. Enfin, pour \(N^2>0\)se produit une oscillation de la particule autour de son état initial.

  • \(Ri<0\) : Instabilité verticale

Dans ce cas, correspondant à un valeur négative de la fréquence de Brunt-Väisälä N^2<0, la couche atmosphérique est instable et la turbulence est soutenue par la convection.

  • \(0<Ri<0.25\) : Instabilité de Kelvin-Helmholtz

Parfois on observe de la turbulence dans des couches atmosphèriques thermiquement stables. Cette turbulence, dite de Kelvin-Helmholtz, est crée dans des régions où il y a du cisaillement du vent. Un valeur positive de nombre de Richardson au-dessous d'une valeur critique Ri=0.25 est une condition nécessaire afin que l'instabilité de Kelvin-Helmholtz se puisse produire. L'écoulement de Kelvin-Helmholtz est le résultat du cisaillement de vitesse entre deux fluides glissant l'un par rapport à l'autre.

  • \(Ri>>1\): Atmosphère stable

Condition suffisante pour une écoulement stable.

ComplémentBibliographie

  • https://media4.obspm.fr/public/ressources_lu/pages_planetologie-dynamique/nombre-richardson.html

  • Evidence for a wavier jet stream in response to rapid Arctic warming; Jennifer A Francis and Stephen J Vavrus 2015 Environ. Res. Lett. 10 01400