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Analyse des conditions troposphériques ayant conduit aux excellentes propagations du 30 Octobre et 06 Novembre 2006

Explication générale du phénomène

Sur ce sujet et je me suis inspiré des explications de William R. Hepburn et de DF5AI.

La "tropo" est un mode DX correspondant à des conditions météorologiques dans la troposphère entraînant de la diffraction, de la réflexion ou de la réfraction des ondes permettant de réaliser des distances très importantes sur les bandes VHF, UHF ou hyper.

La réfraction d'une onde apparaît du moment ou l'indice de réfraction du milieu de propagation varie, on parle aussi d'un "gradient d'indice". La réfraction a pour effet de courber le chemin de l'onde. Plus ce gradient est important plus la réfraction est forte et plus la courbure est importante. L'onde a tendance à être "attirée" vers l'indice le plus élevé. Dans la troposphère ce gradient d'indice est causé par la superposition de différentes masses d'air de températures et d'humidité différentes. Ce phénomène existe en fait toujours et dans une atmosphère standard il existe de facto de par la variation naturelle de la température et de la pression avec l'altitude. C'est pour cela qu'il est bien connu que le rayon de courbure terrestre doit être corrigé de 4/3 par rapport au rayon de courbure physique de la terre dans une étude de propagation. Lorsque le gradient devient anormalement élevé, la réfraction et donc la courbure de l'onde devient telle que la propagation s'étendent sur des distances très élevées.

La température des couches de la troposphère est un paramètre très important, "déclencheur", et on le voit bien sur les profils des sondages. Cependant l'humidité est aussi un paramètre influençant l'indice de réfractivité. Plus l'air est humide plus il est réfringent. Ainsi une masse d'air chaude et sèche située au dessus d'une masse d'air froide et humide crée les meilleurs conditions de variation d'indice de réfraction.

Dans quelles cas de figures peuvent être créées les meilleures conditions? Il faut un phénomène météorologique permettant d'apporter de l'humidité au niveau du sol et un air chaud et sec en altitude. Un bon exemple est une masse d'air chaude et sèche provenant du Sahara circulant au dessus de la masse d'air plus froide et humide de la Méditerranée. Également, les zones de hautes pressions au dessus des océans alimentent des mouvements de masses d'air convectives produisant un air chaud en altitude. Ces phénomènes apportent une variation brutale de l'indice de réfraction de l'air, se traduisant presque toujours par une inversion brutale du sens de variation de la température. Bien que la température ne soit pas le seul phénomène en jeu, par abus de langage, on gardera le terme d' "inversion".

Le phénomène de propagation "guidée" ou "conduite" ("ducting"), est le cas de figure extrême. Il apparaît en général quand l'inversion se produit au dessus de 450m. En dessous de 450 m nous retrouvons plutôt un phénomène d'amélioration des conditions standards mais sans propagation très étendue. En météorologie cette altitude est une "couche frontière" caractéristique.

Approfondissons un peu plus la distinction entre "amélioration tropo" des conditions standards (le plus fréquent) et phénomène de "guidage" (conditions plus rares et extrêmes).

- L'amélioration tropo est fréquente sous des conditions météorologiques normales. Durant les nuits calmes le sol rayonne thermiquement maintenant l'air en altitude à une certaine température alors que l'air proche du sol se refroidit au contact de celui-ci. Cela peut amener à une légère inversion améliorant la réfraction et donc la propagation. Lorsque le soleil réapparaît le sol et l'air bas se réchauffent et l'inversion disparaît. C'est pour cela que le meilleur moment de la journée est le matin de très bonne heure lorsque l'air du sol s'est bien refroidit pendant la nuit et n'a pas encore eu le temps de se réchauffer. Le terrain joue beaucoup et les zones vallonnées et côtières sont avantagées. Les zones souvent affectées par le brouillard ou la brume sont prédisposées. L'amélioration tropo est ainsi un phénomène plus ou moins localisé et il se traduit plus par une amélioration des signaux à moyenne distance que par une propagation étendue.

- Le phénomène de "guidage" est un phénomène extrême résultant d'une très forte inversion. Cette inversion se produit à une altitude beaucoup plus importante typiquement entre 450 m et 1500 m et peut aller jusqu'à 3000 m. Ces inversions ne sont pas engendrées par le phénomène nocturne vu précédemment mais par des phénomènes météorologiques particuliers (hautes pressions, front d'air chaud, vents chauds, etc..). L'inversion se produit alors aussi bien de jour que de nuit (bien que plus intense la nuit) et n'est pas influencée par la nature du terrain. Les ondes sont "guidées" le long de ces zones d'inversion intenses (nous avons expliqué précédemment que les ondes s'incurvent vers les indices les plus forts). En théorie si la courbure de l'onde est aussi forte que la courbure de la terre, l'onde peut se propager sur des distances infinies ... la seule limite étant la frontière du conduit d'inversion. Les masses d'airs à l'origine de ces inversions suivent en générale une forme allongée et parallèles. Les "canalisations" créées sont alors beaucoup plus directionnelles par rapport à l'amélioration tropo. Dans les meilleurs cas de figure, la zone d'inversion peut être plus étendue et moins longiligne, offrant alors une propagation omnidirectionnelle (= "pile up" !). Pour être plus précis, sur les profils d'inversion nous pouvons observer deux cas de figure :

    -    Une seule inversion : Dans le premier cas le phénomène d'incurvation de l'onde est similaire à l'amélioration tropo mais beaucoup plus accentué. Le "guide" ainsi créé se situe entre le sol et l'inversion. Selon l'intensité de l'inversion l'onde peut retourner vers le sol et se retrouver réfléchie. Ainsi elle va faire des "bonds" entre la couche d'inversion et le sol. la largeur du guide est l'altitude de l'inversion,  typiquement de 500 à 2000m. A cause des réflexions sur le sol l'affaiblissement est en 1/d². A noter que la perte en réflexion est plus faible sur une surface humide, le cas idéal étant la mer.

    -    Deux inversions: Dans le deuxième cas le "guide" est compris entre les deux inversion, une sorte de tube de masse d'air humide sur laquelle l'onde s'enroule et se propage à la manière d'un guide d'onde (ou comme dans une fibre optique). La largeur du guide est plus faible et peut aller de quelques mètres à une centaine de mètres. Du fait que l'onde ne rencontre aucun obstacle, l'affaiblissement est en 1/d soit beaucoup plus faible. C'est pour cela que ce mode de guidage peut amener à des signaux "extrêmes".

Observations

Afin d'illustrer l'ouverture tropo du 6 Novembre 2006, les cartes suivantes illustrent les QSO réalisés. Ils montrent assez nettement les dx réalisés et les directions de la propagation, encore plus visibles sur les bandes 1,2GHz et 10 GHz.

Les animations suivantes montrent l'évolution des couches et permettent de comprendre les phénomènes d'apparition des conditions de propagation. Ces courbes ont été récupérées sur le site http://www.infoclimat.fr/radiosondages/ puis mises en animation. La mention "PROPAG!" apparaît au moment de l'ouverture tropo.

Les sondages sont ceux correspondant à la localité parisienne. Pour être exhaustif il faudrait aussi représenter les sondages sur les autres localités concernées elles aussi par la tropo. Cependant la localité parisienne est bien représentative car située dans la zone de "tropo"  pour ces deux ouvertures.

Pendant l'ouverture tropo nous avons:

- beaucoup de jaune : air sec en altitude

- air froid et humide en basse altitude

- un gradient de température très important : variation très brusque de la température. Cette inversion survient à une altitude de l'ordre de 500m à 1000m.

Le profil type durant ces deux ouvertures de propagation tropo est le suivant:

Explication détaillée

Afin d'analyser plus finement la phénoménologie à l'aide des courbes de profil de sondage troposphériques, il est nécessaire de quantifier  l'indice de réfraction de l'air par analyse ou par calcul.

Ce que nous appelons "air" est en fait un gaz possédant trois particularités : température T, pression P et taux d'humidité. Une masse d'air est simplement un certain volume d'air présentant un jeu de paramètres particuliers (chaud/froid, humide/sec etc...).

Analyse des profils de sondage

Sur le nombre de courbes représentées précédemment, deux suffisent à l'analyse : la température de point de rosée et la température absolue de l'air. L'écart entre ces deux courbes nous renseigne sur le taux d'humidité. Plus elles sont écartées plus l'air est sec. En schématisant un peu, si elles se chevauchent l'humidité se condense (nuages, pluie).

Cependant cette analyse de courbe ne permet pas d'apprécier la variation exacte de l'indice de réfraction d'ou la méthode de calcul suivante.

Calcul

Nous utilisons l'indice de réfraction relatif ou "réfractivité" N définit par N = (n-1).10⁶ pour des questions de commodité. En effet la valeur typique de n est 1.0003 pour une altitude inférieure à 1000m ce qui donne N = 300.

La loi empirique permettant de calculer N est:

N = 77,6 * P / T + 3,73.10⁵ * e * f / T²  = Ns + Nh

avec:   

    T : Température en Kelvin

    P : Pression en hPa

     f : l'humidité relative entre 0 et 1

    e : la pression de vapeur d'eau saturante (c'est à dire la quantité d'eau exprimée en pression que l'air peut contenir avant qu'elle ne condense en eau ou en glace)

e est empiriquement calculée par la formule de MAGNUS:

e = 6,10 * 10^{(7,448.t/(234,7+t))}

avec t : température de l'air en °C.

e * f est la pression de vapeur d'eau de l'air.

Nous voyons que N se divise en deux termes Ns et Nh ou Ns est la contribution "sèche" liée seulement à T et P et Nh est la contribution "humide" liée principalement à e et f.

Application

Prenons l'exemple de l'ouverture tropo du 6 Novembre 2006.

Le sondage de Trappes donnait les résultats suivants:

Plus impressionnant, le sondage de Emden-Flugplatz (JO33) le même jour à la même heure, montre encore mieux le phénomène avec une variation d'indice très pointue et une altitude d'inversion importante à 1200m.

Sur la carte des QSO il est surprenant de ne pas constater plus de liaisons passant au dessus de Emden. Ce n'est pourtant pas à cause du manque de stations actives dans le secteur! La raison est peut être explicable par:

- une directivité du conduit air-sol trop accentué

- un effet trop localisé

- ... ?

A contrario, les relevés suivants correspondent à une journée sans propagation particulière, le 2 Novembre.

Ce qui est très intéressant est d'observer que ce sont les variations de Nh qui sont prépondérantes. Ainsi la variation d'indice est du principalement à un effet d'humidité de la masse d'air.

L'inversion représente ici une variation de N de 20 et un gradient de 0.27 m^-1 pour Trappes et une variation de 40 et un gradient de 0.6 m^-1 pour Emden.

Il est intéressant de constater la complexité de la prédiction des phénomènes d'inversion tropo. En effet l'humidité de l'air est un phénomène beaucoup plus complexe que la pression et la température et dépend très fortement des conditions météorologiques. Le comportement de la vapeur d'eau est aussi limité par la pression de vapeur d'eau saturante etc...

Courbure de l'onde

Le rayon de courbure d'une onde traversant un milieu présentant un gradient d'indice constant est donné par la formule suivante:

1/rayon = - dn/dh = - 10^-6  * dN/dh

Nous en déduisons le gradient d'indice de réfractivité nécessaire pour obtenir un rayon de courbure égal à celui de la Terre : dN/dh = -157unités/km .

Ainsi si le gradient est plus fort que -157/km l'onde s'incurve suffisamment pour "rejoindre" le sol. Le gradient d'une atmosphère "standard" de -40/km vue précédemment n'est donc pas suffisante. Par contre les gradients atteints sur les sondages et en particulier celui de Emden-Flugplatz à -600/km mettent très nettement en évidence le phénomène de propagation.

Résumé des profils typiques

Les deux courbes suivantes sont les profils typiques des deux types principaux d'ouvertures tropo.

Notre étude est un bon cas d'école. Ces deux profils typiques permettent une détection rapide au premier coup d'oeil des profils de sondages pour déterminer si les conditions favorables d'ouverture tropo sont réunies.

A la lumière de toutes ces analyses nous comprenons mieux ces phénomène et par la-meme nous sommes mieux en mesure de les observer et pourquoi pas de mieux les prédire. En ce qui concerne la prédiction nous pouvons nous fier aux prévisions météos, mais il faut avoir déjà une certaine expérience, ou bien se fier aux cartes de William R. Hepburn disponibles sur son site Internet : Tropospheric Ducting Forecast. La prédiction est encore un autre vaste champ d'investigation.

Observation de l'animation de la carte météo

Vous trouverez ci-dessous une animation de la carte météo en ce qui concerne l'évènement de propagation du 6/7 Novembre. Elle peut servir à comprendre les diverses observations réalisées sur les résultats de sondage analysés précédemment. On peut ainsi observer l'arrivée d'un système anticyclonique qui reste stationnaire du 5 au 6 Novembre.

Source : http://www.wetterzentrale.de/topkarten/fsfaxbra.html

-> Appel à contribution : si vous possédez les connaissances suffisantes dans le domaine de la météorologie pour expliquer le lien entre ces cartes et les phénomènes d'inversion tropo, merci de me contacter (Cf. rubrique"contact" du site).

Références

Sondages : http://weather.uwyo.edu/upperair/sounding.html

Études de DF5AI

Excellent site de G0MJW (Mike Willis)

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La dernière mise à jour de ce site date du mardi 22 décembre 2015