Pression et altimétrie
Article paru dans ULMiste n°5, juillet 2011
Pression et altimétrie
Les couches d’air qui s’empilent dans l’atmosphère sont toutes sollicitées par la pesanteur. Sachez qu’il y a au-dessus de nos têtes, des tonnes et des tonnes d’air qui pèsent. Tout ce gaz qui s’accumule, exerce sur chaque corps une pression (poids par unité de surface). La dite pression atmosphérique est égale au poids de la colonne d’air qui surmonte la surface sur laquelle elle s’applique. Au niveau de la mer, le poids de cette colonne d’air est équivalent au poids d’une colonne de mercure d’une hauteur de 760 mm. A 5500 mètres d’altitude, sur une montagne par exemple, la hauteur de la colonne d'air est divisée par deux. La pression diminue de moitié. Elle est voisine 380 mm de mercure.
Figure 1 : principe du baromètre à mercure, au niveau de la mer et vers 5500 mètres d’altitude.
Figure 2 : baisse de la pression avec l’altitude.
On va maintenant pouvoir se servir de cette corrélation pour indiquer l’altitude en fonction de la mesure de pression. Voilà donc le principe de l’altimétrie. L’altimètre embarqué dans l’ULM est donc un appareil qui va mesurer la pression de l’air. L’échelle d’altitude en pieds sera inscrite sur le cadran en fonction de la pression mesurée ( 1 hPa tous les 8,5m).
Le baromètre à mercure n’est pas bien adapté pour ce genre de mesure, car le liquide pourrait déborder, alors que l’ULM est en mouvement perpétuel. L’altimètre utilisé fonctionne avec des capsules (anéroïdes) dans lesquelles on a fait le vide. Celles-ci vont se comprimer plus ou moins en fonction des variations de pression.
La pression évolue en fonction des variations climatiques
Si la pression baisse avec l’altitude, elle varie aussi en fonction du temps. Ces variations temporelles en un lieu donné peuvent être lentes et de longues durée ; jusqu’à 30 hPa en sept jours. Par exemple, lors de l’installation de conditions anticycloniques, la pression mer peut monter jusqu’à 1030 hPa et redescendre ensuite vers 990 hPa au passage d’une bonne dépression. Ces variations peuvent être aussi beaucoup plus rapides. Ainsi, au passage d’un front froid, la pression peut baisser de 15 hPa en 12 heures. Cette évolution peut avoir localement un caractère brutal avec le passage d’un orage ou d’une ligne de grain : de 1 à 5 hPa en quelques minutes.
Figure 3 : exemple d’évolution de la pression sur une semaine, suite à l’installation de conditions anticycloniques.
Figure 4 : En un lieu donné, la pression évolue au fil du temps. Ici, baisse au passage d’une perturbation.
Maintenant, si la pression peut subir des variations importantes, comment dans ces conditions lier la pression atmosphérique avec l’altitude ? Rappelons que l’altimètre est un appareil qui mesure la pression. Comme cette pression évolue dans le temps, il faut tout simplement rendre mobile l’échelle de lecture de l’altitude, afin que celle-ci puisse se recaler en fonction de la pression locale. Le calage altimétrique consiste à afficher dans la fenêtre mobile de l’altimètre, une pression qui servira de référence aux mesures.
Le QNH
Afin de pouvoir comparer toutes les valeurs de pression en un lieu différent, chaque mesure doit se faire par rapport à la même origine. Les météorologues ont donc décidé de s’affranchir de l’altitude du baromètre pour indiquer la pression en un lieu donné. La valeur sera transmise comme si elle avait été faite au niveau de la mer, en tenant compte de la variation moyenne de la pression avec l’altitude (1 hPa tous les 8,5m dans les basses couches).
Figure 5 : Les différentes mesures de pression sont ramenées au niveau mer.
Le QNH représente cette mesure.
Donc, l’altimètre calé au QNH indiquera :
- en vol l’altitude de l’ULM par rapport au niveau de la mer.
- au sol, l’altitude de l’aérodrome.
- au niveau de la mer, si vous avez un hydravion par exemple : zéro mètre.
Si l’aérodrome ne dispose pas d’une station météo locale pour calculer la pression mer et indiquer le QNH, le pilote peut toujours déterminer cette valeur en tournant le bouton de calage de l’appareil, jusqu’à ce que les aiguilles indiquent l’altitude de la piste.
Figure 6 : Un altimètre calé au QNH, indiquera l’altitude de l’ULM par rapport au niveau moyen des océans.
Le QNH représente donc une pression pour un lieu donné, ramenée au niveau de la mer. Cette pression évolue dans le temps mais aussi dans l’espace. Aussi, en vol, surtout pour de grandes distances parcourues, le pilote devra régulièrement recaler son altimètre avec un nouveau QNH, grâce aux indications des services de la circulation aérienne. Je rappelle qu’un altimètre calé au QNH, indique une altitude pour un lieu donné. Comme toutes les cartes aéronautiques indiquent l’altitude en pied des principaux reliefs, cette mesure sera donc bien pratique pour les vols en montagne. Avant de décoller, il faudra impérativement définir une altitude minimale de sécurité.
Le QFE
Un altimètre calé au QFE indiquera la hauteur de l’ULM par rapport au point le plus élevé de l’air d’atterrissage de l’aérodrome. On ne se sert que du QFE pour les vols locaux, ou en tours de piste. En montagne par exemple, on évitera de l’utiliser, car il sera peu pratique au pilote de comparer la hauteur piste à l’altitude des principaux sommets qu’il voudrait survoler.
Figure 7 : altimètre calé au QFE indiquant la hauteur par rapport à la piste. En montagne, la comparaison est difficile, entre la hauteur de l’ULM et l’altitude du relief.
De la même manière, un pilote volant avec un altimètre calé au QNH, aura quelques difficultés à comparer son altitude, avec un pilote volant avec un altimètre calé au QFE.
Figure 8 : deux ULM volant l’un au QNH, l’autre au QFE, seront dans l’impossibilité de comparer leur altitude. Dans cet exemple, risque d’abordage.
Le calage standard 1013 hPa
Hors de tout espace aérien, lorsque le pilote ne peut obtenir la valeur d’un QNH, afin surtout de pouvoir rendre comparable l’ensemble des indications de position verticale, il est souhaitable que tous des aéronefs aient leurs altimètres calés sur une même valeur de référence. L’origine de cette échelle est une surface abstraite à la pression de 1013 hPa. Les niveaux de vol en centaines de pied, indiquent une référence d’altitude pour un altimètre calé sur 1013 hPa. Maintenant, si la pression mer est plus élevée que 1013 hPa, l’indication donnée par l’altimètre sera supérieure à l’altitude. Par contre, si la pression mer est plus basse que 1013 hPa, l’indication donnée par l’altimètre sera inférieure à l’altitude.
Figure 9 : Altimètre calé sur la valeur standard 1013 hPa. Les aéronefs qui évoluent à des niveaux de vol différents n’ont aucune chance de s’aborder. Sur l’exemple, on applique la règle semi-circulaire. Les appareils VFR se dirigeant vers l’ouest volent au niveau pair plus 500 pieds. Les appareils évoluant vers l’est volent au niveau impair plus 500 pieds.
Les erreurs altimétriques
Plus le temps est chaud et plus l’atmosphère a tendance à se dilater sur toute son épaisseur. Comme cet écart de mesure n’est pas pris en compte dans l’échelle d’altitude portée sur l’altimètre, l’ULM volera à une altitude supérieure à celle indiquée par l’instrument. Ce qui n’est pas trop grave. Par contre, plus le temps est froid et plus l’atmosphère a tendance à se contacter. Là encore, comme l’écart de mesure n’est pas pris en compte sur l’échelle d’altitude, l’ULM volera à une altitude plus basse que celle affichée sur l’instrument. Ce qui peut s’avérer dangereux, surtout en présence de relief.
Figure 10 : temps chaud, l’ULM vole à une altitude supérieure à celle indiquée.
Figure 11 : temps froid, l’ULM vole à une altitude inférieure à celle indiquée.
Sur des grandes distances, si le pilote subit une dérive vers la gauche (vent traversier venant de la droite), c’est que l’ULM se dirige vers une zone de pressions plus élevées (anticyclone). Si le pilote n’a pas la possibilité de recaler son altimètre avec un nouveau QNH, l’instrument aura pour pression de référence une valeur plus basse que la pression locale. Il indiquera donc une altitude inférieure à l’altitude réelle.
Figure 12 : dérive gauche, sans recalage l’altimètre indique une altitude plus basse.
Figure 13 : dérive droite, sans recalage l’altimètre indique une altitude plus élevée.
Par contre, si le pilote constate une dérive vers la droite (vent traversier venant de la gauche), c’est que l’ULM se dirige vers une zone de pressions plus basses (dépression). En général, ces zones de basses pressions sont associées à une dégradation des conditions atmosphériques, avec des plafonds plus bas et parfois de la pluie. Si le pilote n’a pas la possibilité de recaler son altimètre avec un nouveau QNH, l’instrument aura pour pression de référence une valeur plus élevée que la pression locale. Il indiquera donc une altitude supérieure à l’altitude réelle. Ce qui devient particulièrement préoccupant pour la sécurité, surtout si on est obligé de voler bas sous la couche nuageuse alors que du relief se trouve à proximité.
Les esprits curieux ne manqueront pas de soulever cette question délicate : comment fait-on quotidiennement pour supporter une telle charge ? Tout simplement, l’air que nous respirons et qui circule dans nos poumons, reste à la même pression que l’air qui nous entoure. A pression égale, les forces s’équilibrent. Ceux qui pratiquent la plongée sous-marine appréhendent mieux le problème. Quand ils vont descendre, l’augmentation de la pression de l’eauva commencer par comprimer leur cage thoracique. Mais grâce au détendeur,l’air sera respiré à la même pression que l’eau environnante. Comme les pressions sont égales de part et d’autre,on se retrouve dans un état d’équilibre. Ainsi, l’augmentation de la pression de l’eau pendant la descente, devient supportable pour le corps humain.
L’unité de mesure de la pression est le Pascal, du nom de Blaise Pascal, le physicien français qui mis en évidence le phénomène. Un Pascal correspond à un Newton par mètre carré (1 N/m2). Dans l’aéronautique, on utilise un de ses multiples : l’hectoPascal. A titre indicatif, la valeur moyenne de la pression de l’air au niveau de la mer est de 1000 hPa. En général, on utilise le mercure pour concevoir un baromètre, car ce métal dense reste liquide à la température ambiante. Il prend donc peu de place. Mais dans le même principe, on peut utiliser de l’eau, sauf que dans ce cas l’appareil occupera un volume plus grand.
La pression baisse avec l’altitude :
Lorsqu’on s’élève en altitude, la pression atmosphérique baisse car l’air se raréfie pendant l’ascension. Effectivement, sa concentration diminue. Cette décroissance n’est pas linéaire. Mais dans les basses couches de l’atmosphère, en gros dans tout notre univers aérien, on estime que la pression décroît de 1 hPa, tous les 8,5 m ou 28 ft. A titre d’exemple, vers 9000 m, la décroissance n’est plus que de 0,4 hPa tous les 10 m. Cependant, je ne vous conseille pas de monter jusque là-haut avec votre appareil pour vérifier.
Comme la pression baisse avec la prise d’altitude, on note en moyenne vers :
1500 m ( 5000 ft) : 850 hPa
3000 m (10 000 ft) : 700 hPa
5000 m ( 17 000 ft) : 500 hPa
10 000 m ( 30 000 ft ) 300 h pa…