Aucun titre de diapositiveComparaison atmosphère standard et atmosphère réelle
rappels
Utilisation des données météorologiques
Altitude pression, température, densité
Altitude en échelle barométrique
Généralités
Le modèle de référence est appelé ATMOSPHERE STANDARD INTERNATIONALE (ISA) ou ATMOSPHERE TYPE OACI
la première atmosphère type OACI a fait l’objet d’une publication détaillée en 1952, les paramètres étaient définis jusqu’à 20 kilomètres. Une deuxième atmosphère type, jusqu’à 32 kilomètres, a été publiée en 1963. A l’heure actuelle l’atmosphère type est définie jusqu’à 80 kilomètres
cette atmosphère est choisie de façon à représenter les distributions moyennes de pression, de température et de densité suivant la verticale.
l’atmosphère type OACI est définie sous forme d’air idéal supposé dépourvu de vapeur et de poussières obéissant à la loi des gaz parfaits
Première diapositive
a) l’air est un gaz parfait sec
b) paramètres physiques au niveau de la mer (altitude 0 m MSL)
pression : P0 = 1013,25 hPa
masse volumique 0 = 1,225 kg.m-3
c) variations de température avec l’altitude
Nous appelons H l’altitude dans l'atmosphère standard. On l’appelle indifféremment altitude standard ou altitude pression avec les abréviations Hp ou Hs ou parfois Zp ou Zs
relations P, H, T de l'atmosphère standard
Altitude H (km)
1013,25
15
la faible courbure au voisinage de 1013,25 permet de considérer la variation de pression comme étant pratiquement linéaire entre 950 et 1050 hPa. On peut alors utiliser la valeur approchée de 1 hPa pour 8,3 m ou 27 ft
226,32
54,74
8,68
H(m)
P
0
1013,25
tableau de correspondance P, H, T : niveaux classiques
On appelle niveau de vol (FL), l'altitude standard ou l’altitude pression H d’un niveau de pression P exprimée en centaines de pieds
Les cellules tramées correspondent aux niveaux de pression “ classiques ” qui font partie de la documentation de vol
La température en °C, peut se déduire rapidement à partir de l’altitude exprimée en FL, en utilisant le gradient vertical de température jusqu’au FL360. Ainsi :
t (FL) = 15°C – 2.FL/10
*correspondance pieds- mètre : 1 pied (’) = 0,3048 m et 1 m = 3,28’
Première diapositive
Retour
loi des gaz parfaits : P = .Ra.T (Ra = 287,05 Joules/kg/K)
loi de l’équilibre hydrostatique : dP = -.g0.dH (H altitude géopotentielle)
variation de la température le long de la verticale : T = Tb + .(H-Hb)
Tb et Hb sont respectivement la température et l’altitude à la base de la tranche où le gradient = dt/dH est constant.
ainsi, vers H = Hb = 0 m, P = Pb = 1013,25 hPa, t = tb = 15°C (T = 288,15 K), une variation de dP = -1 hPa occasionne une variation d’altitude de :
dP
P
Ra
g0
287,05
9,80665
288,15
Les formules de l'atmosphère standard (2/2)
Dans les limites d’une couche atmosphérique définie par son gradient de température , les relations sont :
Retour
Ces expressions sont celles utilisées pour le calcul des données de l’atmosphère standard.
Entre 0 et 11000 m (Pb = 1013,25 hPa, Tb = 288,15 K et = -0,0065°/m) :
g0
Ra.
Principe et notations
L’altimètre baromètre
(association d’un baromètre et de l’échelle standard) mesure une pression P (ou une différence de pression P), et restitue une information d’altitude H (ou de différence d’altitude H) de l’atmosphère standard
0
un altimètre calé sur 1013,25 restitue intégralement les altitudes de l'atmosphère standard (altimètre considéré comme parfait)
l'indication (H') d'un altimètre est égale à la différence d'altitude dans l'atmosphère standard entre la pression mesurée (Pmes.) et la pression de calage (P0)
P
H
Les différents calages (1/7)
Le calage QFE (1/2)
le QFE est la pression atmosphérique qui règne à l’altitude officielle (notation Zt) de l’aérodrome. Si dans l’avion au sol, à l’altitude officielle de l’aérodrome, l’altimètre est “calé” sur le QFE, l’indication (aiguilles ou numérique) de celui-ci est zéro (0)
le QFE est donné par le service météorologique, après mesure de la pression atmosphérique à l’altitude de la cuvette du baromètre et correction pour tenir compte de la différence d’altitude entre le baromètre et l’aérodrome.
exemple de calcul avec une différence d'altitude < 20m
H(1005,4) – H(QFE) = +17 soit H(QFE) = 66 – 17 = 49 m, table QFE = 1007,4 hPa
arrondi et transmis au hPa inférieur  : QFE = 1007 hPa
QFE = 1007,4 hPa
Pst = 1005,4 hPa
Les différents calages (2/7)
Le calage QFE (2/2)
l’altitude dans l’atmosphère standard du QFE est appelé le QNE : H(QFE) = QNE
la hauteur altimétrique (h*) : position d’un aéronef dans le plan vertical exprimée en fonction de la hauteur (h*) par rapport au niveau de référence QFE
h* =H(P) - H(QFE) = H(P) - QNE
- est une information de l'atmosphère standard
- n'est pas nécessairement une hauteur géométrique
Le QFE n’est pas utilisable sur la plupart des altimètres lorsque celui–ci est trop faible (QFE < 950hPa). On ne peut mécaniquement pas afficher le QFE, dans la fenêtre de calage, sur des terrains dont l’altitude est trop élevée. On utilisera soit le calage QNH, soit le calage 1013,2
H(P)
Pmes
P
H
0
1013,2
QFE
Les différents calages (3/7)
Le calage QNH (1/3)
le QNH est la pression qu’il faut afficher dans la fenêtre de calage de l’altimètre (parfait) situé au niveau officiel de l’aérodrome pour que celui-ci indique l’altitude (zt) de l’aérodrome.
si dans un avion à l’altitude officielle de l’aérodrome, vous amenez l’indication (aiguille ou numérique) sur la valeur de celle-ci, vous lisez dans la fenêtre de calage la pression QNH
le QNH se déduit du QFE en utilisant la relation qui caractérise le principe de l’altimètre, H’ = H(P) – H(P0), avec H’ = Zt, P = QFE et H(QFE) = QNE, P0 = QNH
Zt = QNE - H(QNH) H(QNH) = QNE - Zt
exemple Zt = 152m, QFE = 1007,4 QNE = +49 m et H(QNH) = 152 - 49 = -103 m
table QNH = 1025,7 hPa arrondi à QNH = 1025 hPa
Feuil2
H(QNH)
-103m
définition
calcul
exemple
RMK : en accord avec l’utilisation d’un gradient vertical de pression constant entre les pressions 950 et 1050 hPa, on peut traduire l’altitude d’un aérodrome en différence de pression dans l’atmosphère standard. Ainsi sur l’exemple proposé, zt = 152 m correspond à un P de 152/8,5 = 18 hPa. Au QFE = 1007 hPa on ajoute ce P = 18 hPa pour trouver un QNH de 1025 hPa. C’est ainsi que sur les fiches de terrain, dont on estime que les pressions QFE et QNH restent comprises dans les limites définies, on trouve inscrite à la suite de l’altitude du terrain, cette valeur P
P
H
QNH
Zt
QFE
0
P
H
0
1013,2
QNH
QNE
QFE
Zt
P
H
0
1013,2
1025,7
+49m
1007,4
152m
Feuil2
Les différents calages (5/7)
Le calage QNH (3/3)
l'altitude altimétrique : un altimètre, calé au QNH, indique l’altitude (H*) par rapport au point de référence où a été calculé ce QNH
le QNH ne correspond à la pression au niveau de la mer que si l’atmosphère réelle a les caractéristiques de l’atmosphère standard entre le terrain et le niveau de la mer
H* =H(P) - H(QNH)
- est une information de l'atmosphère standard
- n'est pas nécessairement une altitude géométrique
Dans certaines circonstances atmosphériques et pour des terrains d’altitude élevée, il se peut que le QNH “ sorte ” du domaine de calage de l’altimètre. Ainsi sur un terrain d’altitude 3000 m avec un QFE de 700 hPa, le QNH est de 1012 hPa. Avec un QFE 732 hPa (30 hPa d’écart, comparable à ce qui peut se produire au niveau de la mer) le QNH est alors de 1055 hPa (43 hPa d’écart par rapport à 1012) qui peut être hors du domaine de calage. On utilisera alors le calage 1013,2 hPa
H(P)
Pmes
P
H
0
1013,2
H(QNH)
QNH
H*
Feuil2
Les différents calages (6/7)
Le calage 1013,25 (1/2)
dans le langage courant ce calage est souvent énoncé calage 1013,2 ou calage 1013 en regard des précisions qui sont de l’ordre du demi hecto Pascal
pour les opérations d’atterrissage et de décollage, en l’absence de possibilité de calage QNH ou QFE, il est parfaitement raisonnable de se poser ou décoller d’un terrain au calage 1013,2
si dans l’avion au sol, à l’altitude officielle de l’aérodrome, l’altimètre est "calé" sur 1013,2 l’indication (aiguilles ou numérique) de celui-ci est le QNE
P
H
0
1013,2
QFE
QNE
Les différents calages (7/7)
Le calage 1013,25 (2/2)
le calage 1013,25 est le calage utilisé pour espacer les aéronefs dans le plan vertical basé sur l’utilisation d’un système de niveaux de vol (Flight Level ou FL)
le niveau de vol est l'expression en centaines de pieds de l'altitude standard d'une surface isobare
le FL0 coïncide avec la surface isobare 1013,25 hPa et les niveaux de vol successifs sont séparés par des intervalles de pression correspondant à une distance de 152,4 m (500’) en atmosphère standard
suivant la portion d’espace utilisée, l’espacement vertical est obtenu en utilisant des niveaux de vol distants de 500’, 1000’ ou 2000’
RMK : en l’absence d’altitude de transition, le premier niveau de vol utilisable en route est le FL 40 en IFR et le FL 35 en VFR. En dessous de ces deux niveaux de vol, la navigation en route utilise le calage altimétrique QNH
P
H
1013,2
0
10
15
20
5
-5
-10
25
30
350
330
310
280
270
260
250
Utilisation des calages altimétriques
pour la phase "en route" on utilise le calage 1013,2
pour les opérations de décollage et d’atterrissage on utilise le calage "local" QNH ou QFE
le changement de calage a lieu au plus tard en traversant :
le niveau de transition pour les aéronefs en descente
l'altitude de transition pour les aéronefs en montée
le déplacement d’un aéronef à partir ou en dessous de l’altitude de transition est exprimé en altitude "altimétrique" (H*)
il est exprimé en niveau de vol (FL) à partir et au-dessus du niveau de transition
Première diapositive
Les changements de calage (2/2)
Altitude et niveau de transition
une altitude de transition est fixée pour chaque aérodrome doté d’une ou plusieurs procédures d’approche aux instruments
cette altitude figure sur les cartes d’approche aux instruments
l’altitude de transition tend à être uniformisée et dans la suite de l’exposé nous la prendrons égale à 5000 pieds
il s’agit donc de l’indication d’un altimètre calé au QNH du terrain de décollage ou d’atterrissage
le niveau de transition est le niveau le plus bas ("multiple de 10", en France) que l’on puisse utiliser au-dessus de l’altitude de transition
application
Données : QNH = 1020 hPa, AT = 5000'
Retour
H(PAT) = 4820'
La couche de transition est l’espace compris entre l’altitude (AT) et le niveau (NT) de transition. Son "épaisseur" est comprise entre 0 et 999’ ou 300m (en France). Tant que le QNH restera compris entre certaines valeurs de pression, le niveau de transition ne changera pas
P
H
1013,2
Première diapositive
Rappels (1/3)
nous considérons un altimètre parfait restituant intégralement les informations de l’atmosphère standard (les corrections instrumentales sont nulles ou corrigées par l’utilisateur).
le fait qu’il soit parfait ne veut pas dire qu’il fournit une information réelle.
de par son principe un altimètre fait des "erreurs" d’indication par rapport à des altitudes ou hauteurs "réelles" sauf dans quelques cas particuliers
les conditions de l’atmosphère standard ne sont jamais totalement réalisées dans la réalité, et la position verticale d’un aéronef donnée par un altimètre baromètre évoluant dans une atmosphère réelle doit toujours être "lue" en gardant à l’esprit qu’il ne s’agit que d’une indication approchée et parfois très éloignée de la réalité.
Première diapositive
Rappels (2/3)
le fait de rencontrer des conditions ponctuelles "standard" et donc d’associer indication altimétrique et réalité, ne signifie pas que l’atmosphère soit "standard" sur toute son épaisseur
l’oubli de cette réalité conduit à des accidents……..
la différence entre l’information (H’) d’un altimètre et l’altitude (z) réelle que nous assimilerons à l’altitude géopotentielle (Z) des météos provient de la différence de structure thermique entre l’atmosphère standard et l’atmosphère réelle.
la relation qui lie les paramètres altitude (Z), température (T) et pression (P) dans l’atmosphère réelle est donnée par la relation dite de Laplace :
P1
P2
Z(P1)-Z(P2) = 67,445.Tm.log10
Première diapositive
Rappels (3/3)
la différence d’altitude Z(P1) – Z(P2) entre deux surfaces isobares P1 et P2 est proportionnelle à la température moyenne de cette tranche d’atmosphère
appliqué à l'atmosphère standard
comparé à l'atmosphère réelle
Comparaison QNH et QFF
au poids de la colonne d’air située au-dessus d’un terrain (QFE) on ajoute le poids d’une colonne d’air d’épaisseur égale à l’altitude du terrain (Zt) et de caractéristique :
standard pour le calcul du QNH
réelle pour le calcul du QFF
QFF1
QFF2
- le QNH est le même
- QFF1>QFF>QFF2
P0=QFE, Z0=Zt, (T0)
données initiales
- P0, Z0, (T0) connues à un niveau initial généralement sur un terrain
- à partir de T0 et T ou de la connaissance du profil thermique entre P et P0, on calcule Tm et on exprime l'écart T=Tm-Tmstd
- FL ou P, (T)
application
calcul du niveau (FL) correspondant à une altitude (Z) donnée
P0=QFE, Z0=Zt, (T0)
données initiales
- P0, Z0, (T0) connues à un niveau initial généralement sur un terrain
- on évalue à priori le résultat pour calculer Tmstd ou T=Tm-Tmstd
- Z ou d
FL = H + QNE
La règle du pouce
la gamme de température dans l'atmosphère standard (entre 0 et 20 km) est comprise entre +15°C et -56,5°C soit une température moyenne correspondant approximativement à 250K
cette température (250K) est située dans l'atmosphère standard vers 20000'
en considérant cette température moyenne Tmstd = 250K, quelque soit la position le long de la verticale, la relation :
Retour
si T = 10° Z = H (1 4%)
On exprime ainsi, que la différence d’altitude réelle est égale à la différence d’altitude standard à 4% par 10° d’écart
Exemple : deux aéronefs respectivement au FL 200 et au FL 220, dans une atmosphère en "STD-20" sont approximativement espacés d’une distance :
Z = 2000’- 2.(4%).2000’ = 2000’-160’ = 1840’
Tm
Tmstd
T
Tmstd
Retour
d = 8813 + 767 - 8500 = 1080'
l'application de la règle du pouce (4% par tranche de 10° d'écart) :
exemple : FL100, atmosphère "STD-20" ( T = Tm-Tmstd = -20°), QFE = 995 hPa ( QNE = 502'), Zt = 767', Zr = 8500'. Quelle est la mfo (d) ?
4(-2)
100
d
Z
STD-20
FL100
Z = 8500 + 2000 - 767 = 9733'
H(P) = 10492 + 502 = 10994'
soit le FL110
l'application de la règle du pouce (4% par tranche de 10° d'écart) :
exemple : mfo : d = 2000', atmosphère "STD-20" , QFE = 995 hPa ( QNE = 502'), Zt = 767', Zr = 8500'. Quel est le FL mini de franchissement ?
(T11000' + T502')
100
H = 9733 (1+ ) = 10511' et H(P) = 10511 + 502 = 11013' soit le FL110
276,5
276,5-20
Tmstd
Tm
Utilisation des méthodes de calcul (1/2)
pour la résolution d’exercices, la température moyenne de la tranche P0 – P, est une des données de l’énoncé
on admet généralement dans ce genre d’exercice que lorsque la température est connue à un niveau donné, son écart par rapport à la température standard a ce même niveau est constant dans la tranche d’atmosphère concernée
la structure thermique est "parallèle" à la structure thermique standard
on traduira cet écart par T = Tm - Tm.std ou Tm = STD (ou ISA) T.
cette pratique, courante pour la résolution d’exercices, ne doit pas faire oublier que la structure thermique de l’atmosphère réelle peut s’éloigner notablement de ce "parallélisme" notamment en cas d’inversion de température
les méthodes de calcul décrites s’appliquent essentiellement pour les besoins d’exercices d’altimétrie, lorsque l'on n’a pas une connaissance précise de la structure de l’atmosphère mais simplement une évaluation
Première diapositive
en résumé :
marge = Z(P) – Z(obstacle) calcul de Z(P) à partir de H(P)
calcul d’un niveau de vol (FL) pour franchir un obstacle avec un marge de franchissement
Z(P) = Z (obstacle) + marge calcul de H(P) à partir de Z(P) puis FL (utilisable)
utilisation "météorologique" 
Z0, P0, (T0) font référence à un niveau de pression "quelconque " donné par un radiosondage ("Ce jour là, la surface isobare P0 est à l’altitude Z0 et à la température T0…”)
utilisation "navigation" 
Z0, P0, (T0) font généralement référence à des données de surface.
dans les deux cas on admet (sauf donnée contraire) que l’écart T est constant dans la tranche d’air P0 - P
Première diapositive
Extrait du manuel d’informations aéronautiques
"les centres de contrôle régional déterminent les niveaux de vol les plus bas utilisables pour la totalité des régions de contrôle dont ils ont la charge
les commandants de bord peuvent vérifier en vol que le niveau de vol utilisé ou prévu assure une marge de franchissement d’obstacles convenable"
Problèmes
utilisation des derniers QNH de stations désignées
prévisions de pression au niveau moyen de la mer
prévisions de température au sol et en vol
corrections de distances et ancienneté du QNH…
conduisent fréquemment à des erreurs entraînant des marges de franchissement soit trop faibles, soit trop importantes
Première diapositive
les modèles de prévision numérique
offrent une meilleure précision avec des techniques de calcul s’approchant le plus de la réalité
prise en compte des effets de reliefs
itérations
extrapolations
fournissent une correspondance pression - température – altitude, avec un maillage suffisamment resserré dans l’espace et dans le temps
l’erreur de prévision d’un modèle numérique, à l’heure actuelle, sur l’altitude (géopotentielle) à 500 hPa (FL180) est de 10 à 15 m (30’ à 45’) à 24 heures d’échéance.
Première diapositive
Inversion de température
exemple : si l’on considère l’écart ponctuel de 10° au niveau de vol (FL) comme étant représentatif d’une atmosphère moyenne en STD + 10 on fait une erreur de 15° sur la température moyenne, car en moyenne l’atmosphère est en STD - 5
Retour
P
t
FL
-5
Altitude pression, altitude densité, altitude température
à une pression P donnée correspond dans l’atmosphère standard une altitude pression H(P)
c’est cette altitude pression qui est généralement utilisée pour des calculs de puissance moteur et de consommation.
à une température réelle t donnée correspond aussi dans l’atmosphère standard une "altitude température" H(t)
ainsi à une température de -2,5°C correspond une altitude température dans l’atmosphère standard de 8333’ (mais aussi de 154199’)
à une pression P et une température T données, donc une masse volumique (), correspond dans l’atmosphère standard une "altitude densité" H()
cette altitude densité est généralement utilisée pour des calculs d'aérodynamique et de vitesses
exemple
Altitude en échelle baromètrique
atmosphère de densité constante
considérons une atmosphère ayant à sa base les caractéristiques de l’atmosphère standard. Si on admet que le long de la verticale la densité de l’air est constante, cette atmosphère a une épaisseur finie qu’on appelle altitude en échelle barométrique
à un niveau définit par P et T , la densité de l’air est = P/(Ra.T) constante, comme dP = - .g.dH*, la hauteur H* d’une telle atmosphère est égale à : H* = P/(.g) = (Ra.T)/g
ainsi à une altitude pression de 0 m (P0=1013,25 hPa, T0=288,15 K, g0=9,80665 ms-2), l’altitude en échelle barométrique est de 8434,4 m
à une altitude pression de 3000 m (P=701 hPa, T=268,65 K, g=9,7974 ms-2), l’altitude en échelle barométrique est de 7871,1 m.
à une altitude pression de 27954’ (P=330 hPa, T=232,77 K, g=9,7804 ms-2), l’altitude en échelle barométrique est de 22414’
Première diapositive
Calcul de l'altitude densité
Exemple : à une altitude Z = 28500’ on a mesuré une pression P de 330 hPa et une température t de -43°C
l’altitude pression est : H(330 hPa) = 27954’
l’altitude température est : H(-43°C) = 29275’
l’altitude densité est : H(0,5 kg.m-3) = 27617’
la masse volumique est égale à : = P/(Ra.T) = 0,5 kg.m-3
Un calcul approché montre que l’on peut déduire l’altitude densité à partir de l’altitude pression par la relation :
H() – H(P) = K.(t - tstd)
(avec K = 36 si H en mètres et K = 120 si H en pieds)
H(0,5) – H(330) = 120.[(-43) - (-40,4)] = - 312’
H(0,5) = 27954’ – 312’ = 27642’
Retour