Le développement et la formation des orages

Voici ce que j'avais écrit lors d'un travail commun sur les orages

    Un orage est une averse violente accompagnée de décharges électriques et il est essentiellement associé à un cumulonimbus. Un orage est composé de différentes cellules qui sont une agglomération de cumulus en voie de développement. Lorsque l’orage évolue, chaque cellule grossit pour gagner une altitude supérieure à la précédente. Les cellules qui composent un orage peuvent se situer à des stades différents, créant ainsi le mouvement apparent du déplacement de l’orage. Les stades des cellules sont  le stade cumulus, le stade de maturité et le stade de dissipation.

   Le stade cumulus est nommé ainsi puisqu’à son début, chaque orage est un cumulus. Ce stade est caractérisé par la prédominance des courants ascendants qui « maintiennent en suspension l’eau liquide formée, empêchant les précipitations en surface. »  Les températures à l’intérieur d’une cellule sont supérieures à celles de l’air environnant. Il n’y a aucun éclair durant ce stade qui dure de 10 à 15 minutes.
     Le stade de maturité constitue la période d’orage et dure de 15 à 30 minutes . On y a l’apparition des précipitations. Il y a des éclairs au sein même du nuage ou dirigés vers le sol. Les courants descendants apparaissent avec la persistance des courants ascendants qui eux atteignent leur plus grande amplitude au début de ce stade dans la partie supérieure du nuage. Les courants descendants n’atteignent jamais le sommet du nuage et ils sont généralement moins violents. Les températures y sont également plus basses que celles de l’air. « La limite entre les mouvements ascendants et descendants constitue une zone de turbulence sévère et de fortes accélérations verticales. »  Un nuage en rouleau peut également se former à l’occasion.
     Le stade de dissipation dure environ 30 minutes et les risques d’orage disparaissent pendant ce stade. La dissipation se produit lorsque les courants descendants gagnent toute la cellule graduellement, sauf la partie supérieure de celle-ci due à la continuité du courant ascendant. La dissipation totale, aussi appelée la stratification, se fait dès que la pluie et les courants descendants cessent.
    Pour qu’un orage se forme, il faut que certaines conditions soient satisfaites. Les principales sont l’instabilité conditionnelle de la masse d’air, le déclenchement de l’instabilité par une cause extérieure et l’humidité relative assez élevée.
    Le déclenchement de l’instabilité est le résultat du soulèvement de la masse d’air ou de la convection. La convection peut être thermique due au réchauffement diurne ou elle peut se produire à la suite d’un passage d’un front froid. Les déclencheurs peuvent agir à la surface ou en altitude faisant que les orages peuvent se développer à différents niveaux.
     L’instabilité conditionnelle de la masse d’air se produit lorsque « [la] courbe d’état est situé entre l’adiabatique sèche et l’adiabatique saturée. »  Pour devenir instable, l’air doit être soulevé à un niveau où les particules des courants ascendants sont plus chaudes que l’air environnant afin que celles-ci poursuivent leur ascension d’elles-mêmes.
      L’humidité de la masse d’air influencera le soulèvement nécessaire au déclenchement de l’instabilité puisque plus l’humidité sera élevée, moins le soulèvement nécessaire sera important. Cette humidité définit l’altitude du niveau de condensation qui définit le niveau où les particules d’air réussissent à s’élever d’elles-mêmes. Cela fait que la période la plus active pour les orages va de la fin du printemps à l’automne puisque c’est la période la plus chaude et la plus humide au niveau de l’atmosphère.
       Donc, les orages se forment grâce à la rencontre d’air chaud humide avec l’air froid ce qui provoque des courants aériens. L’air chaud entre en convection et un refroidissement de l’air se produit, ce qui provoque une condensation de la vapeur d’eau selon les lois de la thermodynamique. Les précipitations sous forme de cristaux de glace et de gouttes d’eau en surfusion coexistent normalement. Il y a des échanges entre ces formes de précipitations et le champ électrique existant dans les nuages qui permettent d’engendrer de fortes décharges. « Les nuages d'orage présentent des champs de 3 500 V par m »  qui peuvent provenir du rayonnement solaire ou du frottement entre les molécules.
     Les charges négatives et positives se trouvent à différents endroits dans le nuage puisque leur vitesse de chute est différente. Cette séparation électrifie le nuage et résulte des mouvements verticaux dans le cumulonimbus. Selon Christian Bouquegneau , le haut est constitué de charges positives, le centre des charges négatives, et le bas est constitué d’une petite charge positive qui correspond à 10% de la charge positive de celle du haut. 

     L’énergie potentielle de convection disponible est plus grande dans les nuages d’orage que ceux d’averses permettant à ces nuages d’atteindre une altitude plus élevée. Les « gouttes qui s’élèvent dans le courant ascendant perdent des électrons par collision […] Un plus haut sommet permet d’atteindre une température inférieure à -20°C nécessaire pour donner un grand nombre de cristaux de glace. Ces derniers sont de meilleurs producteurs et transporteurs de charge ce qui permet une différence de potentiel suffisante entre la base et le sommet du nuage pour dépasser le seuil de claquage de l’air et donner de la foudre. »

Un petit historique des fusées

Il y a quelque temps, j'ai fait un travail sur les fusées. J'aurais aimé vous présenter quelque chose sur les arc-en-ciel, mais je souhaite faire des recherches auparavant. C'est pour cela que j'ai plutôt opté pour les fusées, car nous sommes tous subjugués par les mystères des fins fonds de l'univers. Je vous présente donc un petit historique sur les fusées.

L'historique

     Le mot « fusée » tire son origine du mot « fuseau ». Au départ, ce mot désignait les tubes contenant  la poudre des premiers mélanges fusants propulsifs. Le principe de la fusée aurait été connu des Chinois depuis des temps immémoriaux, bien que cette hypothèse soit largement contestable. Il semble vraisemblable que les premières composantes fusantes et incendiaires, étaient dérivées du feu grégeois et lancées au moyen d’arc à peine tendue. Les pots de feux d’artifices étaient lancés afin d’incendier les navires dès le premier siècle de notre ère. Ces tubes furent les ancêtres des rampes de lancement. Donc, au départ, les fusées étaient surtout utilisées sous forme de feux d’artifices ou pour des expériences avant d’être utilisées à des fins militaires. Bien que celles-ci étaient utilisées pour les feux d’artifice en Russie impériale où les militaires connaissaient bien la mécanique, ce n’est que Tsiolkovski qui imagine que « ces engins pourraient éventuellement s’arracher à la gravitation terrestre et naviguer dans le vide. »  D’ailleurs, Jules Verne publia son roman De la Terre à la Lune en 1865 en utilisant des données scientifiques très complètes : vitesse de mise en orbite prévue par Newton, apesanteur. Il décrivit une aventure semblable à celle de la mission Apollo VIII. C’est en 1914 que furent levées toutes les difficultés sur le plan technique puisqu’une « une multitude de chercheurs s’attachèrent à l’étude des fusées à poudre, puis des fusées à combustibles liquides. »
    Tsiolkovski
   Konstantin Tsiolkovski (5 sept. 1857- 10 sept. 1935), professeur russe, a été le premier à étudier la possibilité d’aller dans l’espace à bord d’une fusée. Cela lui vient à l’esprit dès l’âge de 16 ans et passe sa vie à comprendre les lois de la physique dans ce but, et pense à utiliser la force centrifuge comme moyen de propulsion. Comprenant qu’il faut diminuer la masse d’un véhicule pour augmenter son accélération de vitesse, il pense au concept de fusées à plusieurs étages dont la fusée serait débarrassée au fur et à mesure. Il en décrit une incluant plusieurs étages et utilisant du carburant liquide et ce dès 1903. Dans les carburants liquides, il détermine que l’hydrogène et l’oxygène sont des carburants simples et efficaces s’ils sont refroidis au point de devenir liquides. Il montre également que les combustibles liquides sont le type de carburant permettant des  vitesses ascensionnelles plus élevées et des poussées plus fortes.  Également, «  appliquant les lois simples de la physique de Newton, Tsiolkovski montrait de plus qu’il suffirait de placer des petites fusées selon les trois axes de la fusée pour en contrôler parfaitement l’orientation, et ce même dans le vide le plus absolu. »  Ses travaux sont cependant restés au niveau des calculs faute de moyens matériels. Il a cependant dessiné les plans d’une station orbitale et le scaphandre. C’est aussi selon ses principes fondamentaux que la fusée Saturn V permit de conduire les hommes sur la Lune. 
    Goddard
  Robert Goddard (5 oct. 1882- 18 août 1945), Américain, fut le premier à faire voler une fusée à combustibles liquides en 1926 et lança avec succès plusieurs prototypes qu’il imagina. Son premier modèle de fusée fut baptisé Kittyhawk, lieu du premier vol en 1903 des frères Wright. Il s’éleva à une altitude de 12,50 m au cours d’un vol de 2,5 secondes. Il étudia la méthode de propulsion de la fusée et utilise l’essence de pétrole pour les propulser. On utilise des solutions techniques de lui dans les fusées modernes et c’est d’ailleurs lui qui « réalisa notamment la stabilisation automatique de la trajectoire de ses fusées au moyen de gyroscopes. »
    Von Braun et les fusées allemandes
    Hermann Obert construisit sa première maquette de fusée pour un film de science-fiction. Il avait également réuni tous les principes pour construire une telle machine dans un livre. C’est son assistant Wernher von Braun qui construisit la fusée imaginée à l’aide des moyens fournis par l’effort de guerre de l’Allemagne nazie. « Les premières fusées n’auraient pas pour but d’ouvrir à l’homme les portes de l’univers mais plutôt de porter la destruction et la mort d’un bout à l’autre du continent européen. »  Les Allemands mirent donc au point des techniques reliées aux fusées au centre de recherche Peenemünde, ainsi qu’ils mirent au point différents appareils pendant la seconde guerre mondiale : Le D.F.S. 228, Messerchmitt 163, la fusée X-4, la Wasserfall ainsi que les fusées V-1 et V-2 – V veut dire Vergeltungswaffe pour arme de représailles –  pour n’en citer que quelques-uns. Ce centre était également un centre militaire sous l’instigation du général Dornberger, à Kummersdorf, et fut le premier centre d’essais spéciaux du monde après avoir absorbé l’ancien centre Raketenflugplatz. Ce centre amena les V-2 et von Braun s’y joignait en 1932. Les Allemands acquièrent une suprématie technique incontestable avec les fusées à combustibles liquides.
     Les Allemands envoyèrent la fusée V-1, propulsée par un pulso-réacteur, comme bombe volante sur la Grande-Bretagne en juin 1944. Les deux premières fusées V-2 furent larguées sur l’Angleterre et la France en septembre de la même année. La fusée V-2 était élaborée par von Braun au centre Peenemünde. Cette dernière était haute de 12 mètres, pesait 14 tonnes et son moteur propulsait la fusée à environ 5 600 km/h en « brûlant un mélange d’alcool et d’oxygène liquide »  avec deux réservoirs et une chambre de combustion située dans la partie terminale de la fusée. Elle s’éleva à plus de 160 km d’altitude. Le lancement s’effectuait verticalement et pendant la propulsion, la trajectoire de la fusée la faisait s’inclinait d’un angle de 30° ou 45°. Celle-ci avait une trajectoire parabolique et après une ascension de plus de 100 km d’altitude, terminait à quelque 350 km de son point de départ. Elle était longue de 14 m et avait un diamètre de 1,7 m, avec un poids initial de 13 t. Il est également à noter que les bancs de fusée Katiouskha furent les premiers missiles balistiques à courte portée et furent mis au point pendant la guerre puisque les recherches étaient strictement orientées vers la mise au point de nouvelles armes.
    Koroliov
   Après que l’URSS ait récupéré  des V-2 allemandes pour poursuivre le développement de fusées de plus en plus puissantes, Koroliov (1907-1966) « construisit plusieurs missiles capables d’atteindre la haute atmosphère et donc de s’approcher de la vitesse de mise en orbite des satellites. »   Le 4 octobre 1957, le lancement de Spoutnik I fut réussi. Cette fusée, connut sous le nom de Samiorka, était conçue par Koroliov et plus puissante que tout ce que les Américains pouvaient lancer à l’époque. Moins d’un mois plus tard, Spoutnik 2 réussit un vol parfait en transportant une chienne Laïka  à son bord. Dès 1956, Koroliov avait parlé de mettre un homme à bord de sa fusée, ce qui se réalisa le 12 avril 1961 avec Youri Gagarine qui fit le tour de la Terre en 108 minutes. Sergei Korolev fut également le père de la fusée pour larguer le premier satellite artificiel.
    Esnault-Pelterie
   Robert ESNAULT-PELTERIE (8 nov. 1881 – déc. 1957), français, se tourna vers ce qu’il considérait une science d’avenir : l’astronautique. Il fit des études et des expériences sur différents types de réacteurs. Il fut l’un des premiers à prévoir l’application de l’énergie nucléaire pour la propulsion des fusées interplanétaires.
    Création de la NASA
   Malgré des débuts difficiles de l’astronautique américaine due à des conflits internes et des lancements infructueux, la NASA est créée le 1er octobre 1958 pour mettre fin aux rivalités internes et investir massivement dans un programme de développement spatial ambitieux et cohérent. La NASA lance le programme Mercury dès les premiers jours de son existence, avec pour but de placer un Américain en orbite. C’est cependant le programme Gemini qui permet aux Américains de se mettre sur un pied d’égalité avec la Russie. D’ailleurs, « Kennedy était confiant dans la capacité technologique de son pays : il pensait pouvoir rattraper et même dépasser l’Union soviétique dans la conquête de l’espace, qui, dans un contexte de Guerre Froide, cessait dès lors d’être un simple challenge technologique pour devenir le symbole de l’orgueil national.»  À l’époque, ce programme permet d’établir des records de temps dans l’espace de 8 jours et 14 jours, démontrant qu’il serait possible aux astronautes de passer les neuf jours nécessaires au voyage sur la Lune.
    Un homme sur la Lune
    Afin d’aller sur la Lune, les fusées doivent franchir plusieurs étapes dans leur parcours. Ce parcours se fait en quatre étapes : le décollage (plusieurs tours de la Terre), l’orbite de transfert vers la Lune, l’orbite de parking autour de la Lune (ajustement de trajectoire avant l’alunissage), l’alunissage. Il est à noter que le transfert vers la Lune permet de parcourir le tiers de la distance en 12 heures tout comme il est intéressant de savoir que si l’équipage ne ferait rien pour alunir, la fusée reviendrait sur Terre tel un boomerang. En 2003, trois moyens de transport étaient envisageables pour se rendre sur la Lune : fusée (temps record, module au sommet de la fusée autonome et complet pour assurer le voyage aller-retour), navette spatiale (transfert à la station spatiale pour embarquer dans un module de transfert), avion-fusée (« voler comme un avion puis, à quelques kilomètres d’altitude, se propulser comme une fusée pour poursuivre leur ascension hors de l’atmosphère »  avec des lanceurs récupérables et un transfert à la station spatiale).
     C’est cependant Apollo 11qui quitte la Terre le 16 juillet 1969. Celui-ci fait deux fois le tour de la Terre en orbite avant d’amorcer son voyage vers la Lune. Sa vitesse de croisière est environ de 38 600 km/h. Le 19 juillet, ils survolent la face cachée de la Lune pour s’y poser le lendemain. Ils mettent pied sur la Lune le 21 juillet à 2h56mn20s GMT avec Neil Armstrong annonçant « that’s one small step for a man, one giant leap for Mankind. »  Aldrin vint rejoindre Armstrong au bout de 15 minutes. « Saturn V, la fusée géante américaine utilisée pour le premier vol humain vers la Lune, a été mise au point au Centre spatial Marshall de la NASA, sous la direction de Wernher von Braun. Coiffée par le module lunaire Apollo, cette fusée de trois étages mesurait 111m de hauteur et pesait 3 000 tonnes au décollage. Elle plaçait en orbite terrestre une charge utile de 152 tonnes et envoyait finalement jusqu'à la Lune un module de 53 tonnes. Après la fin du programme Apollo, une version à deux étages de Saturn V plaça en orbite la station spatiale Skylab, en 1973. »
    De nos jours
    L’idée d’un avion spatial a sommeillé pendant 10 ans avant de redonner naissance au concept de la navette. La navette serait lancée par des fusées pour se déplacer dans l’espace et revenir sur Terre comme un planeur. « La Navette  spatiale est le premier « avion de l’espace ». Elle décolle à la manière d’une fusée, peut passer un mois en orbite et atterrit comme un avion de ligne. Volant à 28 800 km/h, elle peut transporter sept astronautes. Sa vaste soute reçoit du matériel d’expérimentation scientifique, divers équipements et des satellites. Ces derniers sont largués dans l’espace à l’aide d’un bras manipulateur articulé, commandé depuis la cabine. Cinq Navettes ont été construites : d’abord Columbia, qui effectua son premier vol le 12 avril 1981 depuis le Centre Spatial Kennedy, en Floride, puis Challenger, Discovery, Atlantis et enfin Endeavour, construite en 1992. »  Voici ses différentes caractéristiques :
•    envergure alaire : 23,80 m;
•    Longueur 37,20m;
•    hauteur 17.30 m;
•    moteurs principaux pesant 3 393 kg chacun;
•    vitesse maximum de 28 800 km/h;
•    masse de 75 000 kg;
•    soute de 18,30 m (longueur) par 4,60 m (largeur);
•     compartiment de l’équipage ayant un volume habitable de 71,5 m³;
•    le réservoir extérieur contient 2 millions de litres de carburant;
•    les boosters fournissent une poussée de 1,5 million de kilos au décollage;
•     la navette a un poids de 2 millions de kilos au décollage.
     « Un véhicule d’exploration pour équipage Les ingénieurs travaillent aujourd’hui à la mise au point d’un nouveau type de véhicule permettant d’emporter les astronautes jusqu’à la station spatiale, voire plus haut. Le concept comprend un véhicule d’exploration pour équipage (Crew Exploration Vehicule ou CEV). Il s’agit d’une capsule rappelant un peu celle du programme Apollo, lancée par une fusée classique, et non un avion spatial réutilisable. Le CEV est destiné à remplacer la flotte de navettes en fin de carrière, dont deux exemplaires, Challenger et Columbia, ont été perdus corps et bien avec leur équipage. »