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AccueilNumérosTome XIII n°1Comprendre et prévoir les masses ...Et tout commença avec Éole…

Comprendre et prévoir les masses d'air en mouvement

Et tout commença avec Éole…

And it all began with Éole... 
Albert Hertzog

Résumés

Éole fut le programme phare porté par le Laboratoire de météorologie dynamique (LMD) lors de sa création en 1968. Il visait à décrire la circulation générale de l’hémisphère sud au sommet de la troposphère (vers 10-12 km d’altitude) en étudiant les trajectoires de centaines de ballons dérivant horizontalement dans l’atmosphère sous l’effet du vent. Par-delà ses motivations géophysiques, Éole fut aussi l’occasion de nombreuses avancées technologiques. L’héritage d’Éole, qu’il soit scientifique ou technique, est encore aujourd’hui vivace au LMD.

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Notes de l’auteur

Avec la participation de : Claude Basdevant et Jean-Philippe Duvel, Laboratoire de météorologie dynamique et Philippe Cocquerez, Centre national d’études spatiales.

Texte intégral

1« Le 16 août 1971 à 18h39 TU le satellite « CAS A » est lancé de la base de Wallops Island (Virginie). »

2C’est par cette phrase merveilleusement épurée que débute le volumineux rapport de M. Gonnet présentant les premiers résultats techniques du projet Éole. En conclusion de son rapport, l’auteur, cette fois-ci plus loquace, souligne que le projet Éole constitue, par son « ampleur, sa durée, la variété et la nouveauté des techniques mises en œuvre », le « premier de tous les projets spatiaux développés par la France à ce jour ».

3Quel est donc ce projet Éole ? Et que représente-t-il dans l’histoire du Laboratoire de météorologie dynamique (LMD) ?

Aux origines d’Éole

4Remontons un peu le temps. Le développement de la prévision numérique du temps se développe rapidement dans les années 1950, notamment sous l’impulsion des travaux de Jule Charney qui ont permis d’obtenir des équations simplifiées décrivant l’évolution temporelle des variables atmosphériques. Quelques expériences sont réalisées avec les nouveaux moyens de calcul disponibles alors pour démontrer qu’il est effectivement possible de prévoir l’évolution de l’état de l’atmosphère avec quelques jours d’avance. Dès la fin des années 1950, la prévision météorologique tend à devenir opérationnelle. Mais cette nouvelle technologie rencontre une difficulté importante : il est nécessaire de connaître aussi parfaitement que possible l’état initial de l’atmosphère afin d’en prévoir son évolution. Des résultats ultérieurs, dus à Edward Lorenz, démontreront d’ailleurs la très grande sensibilité aux conditions initiales des équations régissant la dynamique atmosphérique. Ce problème d’initialisation se pose de manière particulièrement prégnante pour les prévisionnistes américains : les perturbations atmosphériques circulant principalement d’Ouest en Est aux moyennes latitudes, il leur faut connaître l’état de l’atmosphère à l’Ouest des États-Unis – c’est-à-dire sur le Pacifique ! – pour déterminer le temps qu’il fera à San Francisco ou à Seattle quelques jours après.

5C’est donc naturellement l’US Navy qui est mise à contribution pour développer des programmes d’observations météorologiques sur l’Océan Pacifique. Et la Navy dispose justement de la technologie Transosonde : des ballons capables de voler quelques jours, voire quelques semaines vers 10 km d’altitude. Cette technologie est en fait une adaptation d’un programme militaire japonais développé pendant la seconde guerre mondiale, qui visait à transporter, à l’aide de ballons, des bombes incendiaires aux États-Unis ! Malgré de beaux succès (certains ballons purent effectuer des traversées du Pacifique jusqu’à l’Europe), le programme Transosonde rencontre cependant, après quelques années d’opération, une difficulté qui lui sera fatale : le rapide développement de l’aviation civile accroît le risque de collision entre aéronefs et aérostats… et c’est la sécurité des biens et des personnes qui prévaudra, plutôt que la prévision météorologique.

6Ce programme pionnier aura toutefois suscité l’intérêt de la communauté de la recherche atmosphérique américaine pour les ballons de sorte que, dès le début des années 1960, naît au National Centre for Atmospheric Research (NCAR) le programme GHOST, porté par Vincent Lally. L’idée de Lally était d’une part de concevoir des ballons capables de voler plus haut que les avions, et d’autre part, de réaliser les vols dans l’hémisphère sud. Le changement d’hémisphère était judicieux à deux titres : scientifiquement, la circulation atmosphérique de l’hémisphère australe était comparativement bien moins connue à l’époque que celle de l’hémisphère boréal, et opérationnellement, les avions en circulation y étaient beaucoup moins nombreux ! Mais le développement de ces nouveaux ballons constitue un saut technologique décisif et la principale innovation du projet GHOST : alors que les ballons Transosonde étaient des ballons ouverts, ceux de GHOST seront fermés. Disposer d’une enveloppe fermée permet de garantir que le gaz porteur (de l’hélium) ne s’échappe pas du ballon et ainsi d’envisager des durées de vol de l’ordre de plusieurs mois. Mais la contrepartie à payer est rude : un ballon fermé se met naturellement en surpression – la pression de l’hélium est supérieure à celle de l’air à l’extérieur du ballon –, et l’enveloppe doit alors être capable de résister à des forces de l’ordre de la demie-tonne au mètre carré ! Les vols d’essais sont nombreux (plus de 200 en quelques années), à plusieurs altitudes (entre 3 et 25 km, couvrant donc à la fois la troposphère et la basse stratosphère), et les succès sont remarquables (certains ballons dépassent une année de vol). Pourtant, de nouveau, le projet GHOST connaîtra une fin prématurée, non pas cette fois-ci du fait des avions... mais des satellites. La NASA menait à la même période le programme TIROS de satellites météorologiques, qui permit d’obtenir les premières images de la couverture nuageuse de la Terre, lançant ainsi la météorologie spatiale. Les satellites promettaient des observations nombreuses et globales, à même de résoudre le problème d’initialisation des modèles météorologiques. Les ballons ne purent lutter…

Un projet très ambitieux

7Mais – on connaît l’histoire – il y a parfois un village gaulois qui résiste ! Dans le cadre du projet GHOST, Vincent Lally avait noué une collaboration avec Jacques Blamont, qui développait en France, au sein du Service d’Aéronomie, les études de la haute atmosphère et travaillait ainsi en étroite relation le CNES. Poursuivre GHOST en France constituait pour la jeune agence spatiale française une occasion particulièrement intéressante de nouer des relations avec la prestigieuse NASA. Et c’est donc ainsi que naquît officiellement le projet Éole, le 27 mai 1966.

8Rapidement confié à Pierre Morel, et fort des enseignements de GHOST, le projet Éole vise à décrire avec une précision jusqu’alors inégalée la circulation atmosphérique de l’hémisphère sud au sommet de la troposphère (10-12 km d’altitude), à l’aide de plusieurs centaines de ballons dérivant horizontalement. Et cet effort observationnel s’accompagne également du développement d’un modèle météorologique, qui bénéficiera des observations recueillies à bord des ballons.

9Le projet Éole n’échappe toutefois pas à l’ambiance révolutionnaire de la fin des années soixante : Pierre Morel quitte, avec le groupe Éole, le Service d’Aéronomie et fonde le Laboratoire de météorologie dynamique. Éole devient alors le projet phare de ce nouveau laboratoire, et le modèle météorologique sera l’ancêtre du modèle actuel, LMDz.

10Comme le soulignait M. Gonnet dans son rapport, les problèmes techniques à résoudre pour mener à bien Éole sont nombreux : il faut reprendre la technologie des ballons pressurisés américains, concevoir des nacelles scientifiques capables d’endurer plusieurs mois de vol à des températures avoisinant les -40°C, mais également être capable de localiser les ballons et assurer la transmission des données recueillies par ceux-ci, de l’océan Austral jusqu’au centre de calcul en France. Puisque les ballons Éole voleront à l’altitude des nouveaux jets, les nacelles sont l’objet d’une attention particulière : les éléments électroniques embarqués ne doivent pas causer de dommage aux réacteurs. Des essais simulant l’impact entre un jet et une nacelle sont réalisés, et donnent lieu au rapport « essais d’ingestion des nacelles par les réacteurs d’avion », dans lequel on apprend que les projectiles utilisés sont « soit des éléments de nacelle Éole […], soit des poulets ». Bien que la masse totale embarquée totale ne soit que de 4 kg, ces essais imposeront notamment le développement de circuits électroniques de très faible densité. Enfin, de nouveaux capteurs météorologiques sont spécialement développés par Joëlle Fourrier et Paul Sitbon au LMD pour le projet.

11Mais l’avancée la plus marquante d’Éole fut certainement le système de communication développé pour le projet, qui reposait sur une liaison radio entre l’ensemble des nacelles et un satellite – technologie commune aujourd’hui, mais réellement novatrice à la fin des années 1960. Le système fonctionnait ainsi : le satellite – le fameux CAS A mentionné au début de l’article (cf. figure 1) – envoie périodiquement un signal d’interrogation à destination d’une nacelle en particulier ; si la nacelle est en visibilité du satellite, elle reçoit ce signal et transmet immédiatement en retour un message contenant les informations météorologiques de sa mémoire ; à la réception de ce message, le satellite mesure le temps mis par la nacelle pour répondre (ce qui informe sur la distance entre la nacelle et le satellite), ainsi que le décalage Doppler entre la fréquence de l’onde émise par la nacelle et la fréquence observée par le satellite (ce qui informe sur l’angle entre la direction de l’orbite et la direction satellite-nacelle). Ces deux informations permettent alors de connaître, presque sans ambiguïté et avec une précision de 2 km environ, la position horizontale du ballon. Il ne reste plus au satellite qu’à décharger régulièrement l’ensemble des informations collectées lors de son passage au-dessus des stations de réception.

Figure 1 : Expérience Éole

Figure 1 : Expérience Éole

Maquette à l’échelle 1 du satellite CAS A, renommé ensuite Éole.

Sortie d’un ballon

Sortie d’un ballon

Sortie d’un ballon du bâtiment de préparation-gonflage de la station de Mendoza pendant l’expérience Éole en 1971. Position suggérée dans le texte : à proximité de la section « un projet très ambitieux ».

12Arrive enfin le 16 août 1971. Le lancement du satellite est un succès et quelques jours suffisent pour vérifier son fonctionnement nominal. Il faut donc procéder au lancement des ballons. Trois stations avaient été identifiées pour ensemencer l’atmosphère, toutes situées en Argentine, entre 33°S et 54°S (cf. figure 1). Les lâchers débutent dès le 21 août 1971 et plus de 130 ballons ont déjà été lâchés le 11 septembre, soit un rythme de deux ballons par jour et par site. Mais certaines dates sont maudites… ce 11 septembre là, un opérateur transmet un ordre erroné au satellite : il demande de mettre fin au vol de l’ensemble des ballons contactés en activant le système pyrotechnique de sécurité, qui sépare le ballon de la nacelle (celle-ci descendant alors sous parachute). L’erreur n’est détectée que le lendemain. Un contre-ordre est envoyé mais 89 ballons ont été en communication avec le satellite entre-temps… Le quotidien « Le Monde relatera l’incident dans son édition du 16 septembre. Et des mesures sont vite prises pour éviter qu’une erreur similaire ne puisse se reproduire.

13En dépit de l’incident, les lâchers continuent jusqu’à la fin novembre, pour un total final de 480 ballons. Ceux-ci dériveront dans l’hémisphère sud en moyenne pendant 3 mois, certains vols durant plus d’une année. Le taux de panne des électroniques est très faible et la principale cause d’arrêt des vols semble liée au givrage des enveloppes. Les nombreuses localisations obtenues par le satellite, environ 6 par jour et par ballon, permettent de connaître, pour la première fois, la pression, la température et le vent dans la haute troposphère de l’hémisphère sud, et de pouvoir tracer des cartes de la circulation générale jusqu’à fin janvier 1972. De nombreuses études, en France et aux États-Unis, utiliseront ce jeu de données unique dans les années qui suivront l’expérience –.et encore récemment – pour étudier les différents mouvements de l’atmosphère, de la circulation générale de grande échelle jusqu’à la turbulence, en passant par les ondes. Au LMD, ces études seront notamment menées par Michel Desbois, Michèle Larchevêque et Pierre Morel.

14Le système de localisation/communication par satellite développé pour Éole fut vite exploité à des fins qui n’avaient pas été envisagées au début du projet. Dès les années qui suivirent l’expérience, des ingénieurs du LMD et du CNES adaptèrent les nacelles des ballons afin de pouvoir embarquer ce système sur des bouées dérivantes ou sur des icebergs pour tracer les courants océaniques. Ce programme « Éole-Iceberg » permit notamment de décrire la structure complexe du courant circumpolaire antarctique. Et, à partir de 1978, ces technologies furent reprises par le système de localisation par satellite Argos, dont les balises sont utilisées pour de nombreuses applications : suivi de bateaux, de véhicules, d’animaux, etc.

Un intérêt jamais démenti depuis

15Au LMD, les activités ballons étaient lancées. Une jeune équipe d’ingénieurs s’était formée dans le cadre d’Éole aux techniques modernes nécessaires à la réalisation d’expériences sous ballons dérivants, permettant aux chercheurs du laboratoire d’envisager de nouveaux projets. Parmi ceux-ci, l’un d’eux revendiqua explicitement, quelques vingt années après Éole, la continuité avec son prestigieux prédécesseur.

16Nous étions à la fin des années 1980. Joseph Farman venait de découvrir, à l’aide d’observations effectuées en Antarctique, une baisse inattendue de la quantité d’ozone stratosphérique, qui s’était produite de manière répétitive pendant plusieurs années, à la fin de l’hiver et au printemps. Ce « trou » dans la couche d’ozone, tel qu’il fut par la suite dénommé, allait rapidement sortir du cadre scientifique et constituer l’une des premières manifestations détectables de l’impact des activités humaines sur l’atmosphère terrestre. Mais en ces premières années après sa découverte, la priorité était à la compréhension scientifique de ce phénomène. Était-il d’origine dynamique ou chimique ? Était-il circonscrit aux régions polaires, ou pouvait-il également menacer des populations plus nombreuses établies aux moyennes latitudes ?

17Un ensemble de ballons dérivant vers 20 km d’altitude, dans le tourbillon stratosphérique polaire antarctique, promettaient d’effectuer des observations directement dans la région de l’atmosphère où se produisait la destruction de l’ozone. Transportés par le vent comme le sont les masses d’air, ces ballons pourraient également documenter les échanges entre les régions polaires et les moyennes latitudes. Dès 1987, deux chercheurs du LMD, Hector Teitelbaum et Robert Sadourny, proposent au CNES de renouveler l’expérience Éole dans la stratosphère : ce sera Stratéole !

18De nouveaux défis technologiques sont à relever : le vol à 20 km d’altitude nécessite de développer des ballons de plus grande taille qu’il faut lâcher d’Antarctique à la fin de l’hiver… Il convient également de développer une nacelle capable de fonctionner pendant plusieurs mois dans la nuit polaire, à des températures de -80°C. Le positionnement des ballons pourra bénéficier de la récente mise en opération du système GPS. Pour ce qui est des communications entre les nacelles et le sol, on se reposera sur des balises Argos, lointain vestige d’Éole. Au LMD, Bernard Brioit est en charge du développement de cette nacelle – dénommée Rumba –, et François Vial est devenu le responsable scientifique du projet.

19De nouveau, Stratéole sera une coopération franco-américaine : le site de lâcher le plus propice est en effet la station américaine de McMurdo (78°S), qui est accessible par avion au milieu de l’hiver et dispose d’infrastructures au sol adaptées. Les ballons lâchés de McMurdo seront ainsi injectés au centre du tourbillon stratosphérique. Mais il en faut également sur le bord. Des contacts avec l’agence spatiale argentine sont pris, et le site de Marambio, une île au large de la péninsule Antarctique à 64°S, est identifié.

20La gestation du projet s’avère toutefois compliquée. Rapidement, il apparaît que le coût associé au lâcher de la centaine de ballons envisagés est trop important. On décide donc de découper Stratéole en deux phases distinctes : la première, Vorcore, étudiera le centre du tourbillon polaire grâce aux lâchers de McMurdo ; la deuxième, Voredge, sera réalisée ultérieurement.

21Autre écueil, la technique de lâcher envisagée, similaire à celle d’Éole, repose sur le gonflage du ballon à l’intérieur de bâtiments, afin de protéger le ballon des rafales de vent qui pourraient l’endommager pendant cette phase délicate. Lorsque les conditions météorologiques deviennent propices, les portes du bâtiment sont ouvertes : le ballon et l’ensemble de la chaîne de vol peuvent alors être transportés à l’extérieur pour le lâcher. Ce qui semble parfait sur le papier peut toutefois rapidement devenir un problème inextricable en région polaire… Les portes de ce bâtiment devaient faire 18 m de haut pour laisser passer le ballon : autant dire un véritable gratte-ciel à l’échelle des bâtiments des stations antarctiques !

22Enfin, la conception des nouveaux ballons – les ballons pressurisés stratosphériques ou BPS – prend plus de temps que prévu : ce n’est qu’en 1998 que les premiers vols de test sont réalisés, à Latacunga, en Équateur, car la stratosphère équatoriale est presque aussi froide qu’aux pôles. C’est plutôt un succès : trois vols durent plus de deux mois, dont un qui effectue le tour de la Terre. Au début de l’année suivante, de nouveaux vols de test sont effectués, cette fois-ci en atmosphère polaire, en profitant de l’expérience internationale Theseo qui étudiait les processus conduisant à la destruction de l’ozone et se déroulait à Kiruna, au nord de la Suède. Quatre BPS sont lâchés pour voler trois mois… pas un ne survit plus de trois jours. L’analyse de cet échec met en évidence l’endommagement de l’enveloppe des ballons au moment du lâcher : malgré toutes les précautions prises lors de ces opérations, le filet qui entoure le ballon et auquel la chaîne de vol est attachée peut, en présence de rafales de vent, créer de minuscules trous dans l’enveloppe, incompatibles avec des vols de longue durée.

23Il faut donc complètement revoir la manière dont les ballons seront lâchés d’Antarctique. Heureusement, une équipe du CNES et de Zodiac, autour de Philippe Cocquerez, étudiait déjà une alternative : l’idée était d’attacher la chaîne de vol au ballon directement à son pôle face Terre. On se débarrassait ainsi du filet, et de plus, les ballons pouvaient être gonflés alors qu’ils reposaient horizontalement sur une table. Le bâtiment de lâcher devenait donc une structure basse de 18 m de long, simplement destiné à accueillir cette table… et beaucoup plus facile à construire !

24Après une première phase d’essais au sol destinée à valider le nouveau concept, les vols de tests purent reprendre dès 2001, et en 2002, plusieurs vols de longue durée réalisés pendant l’hiver à Kiruna démontrent enfin la maturité de la technologie. Finalement, c’est en 2005, après un nouveau report dû à la crise financière traversée par le CNES en ces années, que se déroula la campagne scientifique Vorcore à McMurdo, en Antarctique. Vingt-sept BPS furent lâchés sur la banquise hivernale, au pied du mont Erebus, entre début septembre et fin octobre (cf. figure 2). Les ballons volèrent pendant deux mois en moyenne, l’un d’eux établissant un record de 109 jours de vol.

Figure 2 : Lâcher d’un ballon pressurisé stratosphérique de la base antarctique de McMurdo pendant l’expérience Vorcore en 2005

Figure 2 : Lâcher d’un ballon pressurisé stratosphérique de la base antarctique de McMurdo pendant l’expérience Vorcore en 2005

Les deux bâtiments de 18 m de long, servant à la préparation des ballons, sont visibles en bas de l’image.

25Le temps écoulé depuis le début du projet était tel que les problématiques scientifiques initiales avaient été en grande partie résolues, mais ces vols permirent de mettre en évidence l’intérêt des mesures sous ballon dérivant pour documenter des processus atmosphériques de petites échelles – ondes, turbulence – largement inaccessibles aux autres moyens d’observations.

26Voredge, quant à lui, n’eût jamais lieu tel qu’il avait été initialement imaginé, mais la deuxième phase de Stratéole – renommée Stratéole-2 – étudie depuis 2019 l’interface entre la troposphère et la stratosphère dans les tropiques. Les enjeux scientifiques de cette région, liées entre autres au changement climatique, sont en effet nombreux et mettent en jeu des interactions entre des processus physiques et dynamiques de petite échelle, qui sont, encore aujourd’hui, mal représentés dans les modèles de climat. Les ballons dérivants, qui collectent des observations in-situ à haute résolution spatiale et temporelle, sont donc de nouveau à même de contribuer à une meilleure compréhension du fonctionnement de cette partie de l’atmosphère. Aussi est-ce de l’aéroport international des Seychelles (5°S), et non de Marambio, que s’envolent les BPS du projet Stratéole-2, qui embarquent un ensemble d’instruments pour l’observation de la dynamique atmosphérique, des gaz à effet de serre, des aérosols ou des nuages.

27Une difficulté toutefois spécifique des vols aux tropiques est le nombre de pays potentiellement survolés par les ballons dérivants. Ceux-ci peuvent en effet effectuer plus d’une fois le tour de la Terre pendant les trois mois de vol, dans une bande de latitude d’environ vingt degrés centrée sur l’équateur. Dérivant vers 20 km d’altitude, ils n’évoluent pas, du point de vue juridique, dans l’espace libre, mais dans un domaine relevant de la souveraineté des états. Aussi, dans le cadre de Stratéole-2, le CNES, opérateur des vols, dut demander une autorisation de survol à presque une centaine de pays !

28Ainsi, malgré l’avènement de l’observation spatiale et des moyens aéroportés, les ballons – et en particulier les ballons dérivants – demeurent un moyen d’observation de l’atmosphère prisé par les scientifiques, qui plus est particulièrement sobre à l’heure où la question de l’impact sur l’environnement des activités humaines devient chaque jour plus aiguë. Gageons donc que la longue histoire initiée par Éole se poursuive encore longtemps !

Les ballons de longue durée

Comme la très grande majorité des ballons de longue durée, les ballons utilisés par le projet Éole avaient une enveloppe indéformable, faîte en matériau plastique. Le volume du ballon et la masse totale embarquée (ensemble de la chaîne de vol, enveloppe du ballon et gaz porteur) déterminent le niveau de vol du ballon dans l’atmosphère. En effet, l’ensemble ballon-chaîne de vol est soumis, sur la verticale, à deux forces, poids et poussée d’Archimède, qui s’équilibrent lorsque la masse volumique de cet ensemble égale celle de l’air. Au niveau de vol, ces ballons sont pressurisés et le volume du ballon reste donc constant. En première approximation, les vols des ballons de longue durée se déroulent donc sur des surfaces de densité constante.

L’enveloppe de ces ballons doit donc être à la fois robuste pour ne pas rompre sous l’effet de la surpression, légère pour qu’une partie significative de la masse embarquée puisse être allouée à la charge utile, et étanche, afin que le gaz porteur ne puisse s’échapper. Ces enveloppes sont ainsi constituées d’un assemblage de films plastiques (typiquement 2 ou 3), pour une épaisseur totale de l’ordre de 50 µm.

Les ballons Éole étaient des ballons sphériques de 3,7 m de diamètre. Avec une charge utile de 4 kg, ils volaient vers 12 km d’altitude. À la suite d’Éole, dans le cadre du projet Balsamine, une version réduite de ces ballons fut développée, afin d’effectuer des vols vers 1 ou 2 km d’altitude. Ces ballons, de 2,5 m de diamètre, furent appelés BPCL, pour ballons pressurisés de couche limite. Une particularité de ces ballons est que la nacelle est intégrée à l’intérieur de l’enveloppe, seuls quelques capteurs étant disposés à l’extérieur du ballon. Cette solution fut adoptée après les premiers essais en vol, qui montrèrent que ces ballons ont tendance à se poser sur la mer de nuit, sous l’effet de la surcharge de la rosée qui se dépose sur leur enveloppe. Les éléments électroniques sont donc mieux protégés dans le ballon !

Les BPS (ballons pressurisés stratosphériques), utilisés pour Stratéole ont, quant à eux, des diamètres compris entre 8,5 m et 13 m, et volent à des niveaux plus élevés dans l’atmosphère, vers 18-20 km d’altitude.

La principale raison conduisant à la fin des vols des ballons Éole était le givrage du ballon, qui endommageait l’enveloppe et surchargeait l’ensemble du système. Ce givrage se produit lorsque deux conditions sont réunies : l’humidité relative de l’atmosphère dans laquelle vole le ballon est proche de 100 % et la température de l’enveloppe du ballon est plus froide que la température de l’air. Ce phénomène fut ainsi prépondérant dans le choix du niveau de vol des ballons Éole : les premières expériences de GHOST avaient en effet montré qu’il était plus favorable, pour maximiser la durée de vol, de voler au niveau de la tropopause, plutôt que plus bas.

Les BPCL volent eux à basse altitude et sont donc soumis aux phénomènes météorologiques courants : précipitations, ascendance dans les nuages, etc. Aussi, leur durée de vol est généralement limitée, de l’ordre de quelques jours.

Volant au-dessus de l’atmosphère météorologique, les BPS permettent de viser des vols de très longue durée : 3 mois ou plus. On peut toutefois noter que l’atmosphère équatoriale est moins favorable aux vols de BPS que l’atmosphère polaire. La principale raison en est la plus forte variation des flux radiatifs infra-rouge, associée aux contrastes de température importants entre les surfaces chaudes et les sommets très froids des nuages des systèmes convectifs (cumulonimbus). Ces contrastes induisent des variations importantes de la température de l’enveloppe du ballon --- très absorbante dans le domaine infra-rouge --- et donc de la température de l’hélium à l’intérieur. La quantité de gaz à injecter dans le ballon au début du vol doit alors être très précisément définie (et mesurée), afin d’éviter à la fois les risques d’explosion ou de dépressurisation, ces derniers se traduisant par une perte d’altitude du ballon qui peut lui être également fatale.

Un dernier type de ballons de longue durée a été développé par le CNES et le LMD : l’aéroclipper. Ces ballons, qui volent à environ 50 m au-dessus de la surface de l’océan, permettent de mesurer les paramètres météorologiques à l’interface entre l’atmosphère et l’océan. Ils sont équipés d’un tuyau souple traînant dans la mer, dénommée « guide-rope » et servant de stabilisateur. Lorsque le ballon s’élève, une partie du guide-rope qui reposait sur l’eau est soulevée, augmentant la masse suspendue. Réciproquement, lorsque le ballon se rapproche de la surface, il pose une partie du guide-rope sur l’eau, allégeant la masse correspondante et préservant ainsi son équilibre. La traînée hydrodynamique du guide-rope produit un comportement mécanique spécifique des aéroclippers, caractérisé par un vent relatif sur le ballon. Celui-ci peut être exploité afin de donner une portance aérodynamique à l’aéroclipper et soulever l’ensemble du guide-rope pour des vents dépassant un certain seuil. Plusieurs types de ballons ont été utilisés pour les aéroclippers depuis les ballons tétraédriques (sans portance aérodynamique) des premières versions du CNES, jusqu’à des formes profilées ou des ballons avec une structure de cerf-volant (cf. figure 3), qui ont été testés par le LMD.

L’expérience Vasco, au cours de laquelle plusieurs aéroclippers furent lâchés des Seychelles, démontra une faculté de ces ballons qui n’avait pas été anticipée. Deux aéroclippers furent en effet capturés par l’œil d’un cyclone sur l’océan Indien. Le champ de vent convergent vers l’œil du cyclone à la surface des océans est en effet propice à aspirer les aéroclippers dans le centre du cyclone. Mais la surprise fut que les grands ballons profilés de 110 m³ utilisés pendant Vasco résistèrent au vent violent et aux précipitations associés au mur de l’œil du cyclone, et purent continuer à voler pendant plusieurs jours en restant dans l’œil. La capacité unique des aéroclippers à fournir des observations météorologiques dans ces conditions extrêmes, et ainsi à permettre une surveillance continue de l’intensité des cyclones, est actuellement l’objet de nouveaux programmes scientifiques au LMD.

Figure 3 : Préparation finale d’un aéroclipper

Figure 3 : Préparation finale d’un aéroclipper

Préparation finale d’un aéroclipper lors d’une expérience réalisée à Guam en 2023.

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Table des illustrations

Titre Figure 1 : Expérience Éole
Légende Maquette à l’échelle 1 du satellite CAS A, renommé ensuite Éole.
URL http://journals.openedition.org/hrc/docannexe/image/12008/img-1.png
Fichier image/png, 157k
Titre Sortie d’un ballon
Légende Sortie d’un ballon du bâtiment de préparation-gonflage de la station de Mendoza pendant l’expérience Éole en 1971. Position suggérée dans le texte : à proximité de la section « un projet très ambitieux ».
URL http://journals.openedition.org/hrc/docannexe/image/12008/img-2.jpg
Fichier image/jpeg, 323k
Titre Figure 2 : Lâcher d’un ballon pressurisé stratosphérique de la base antarctique de McMurdo pendant l’expérience Vorcore en 2005
Légende Les deux bâtiments de 18 m de long, servant à la préparation des ballons, sont visibles en bas de l’image.
URL http://journals.openedition.org/hrc/docannexe/image/12008/img-3.jpg
Fichier image/jpeg, 240k
Titre Figure 3 : Préparation finale d’un aéroclipper
Légende Préparation finale d’un aéroclipper lors d’une expérience réalisée à Guam en 2023.
URL http://journals.openedition.org/hrc/docannexe/image/12008/img-4.jpg
Fichier image/jpeg, 316k
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Pour citer cet article

Référence électronique

Albert Hertzog, « Et tout commença avec Éole… »Histoire de la recherche contemporaine [En ligne], Tome XIII n°1 | 2024, mis en ligne le 19 février 2025, consulté le 11 mai 2025. URL : http://journals.openedition.org/hrc/12008 ; DOI : https://doi.org/10.4000/13dh5

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Auteur

Albert Hertzog

Laboratoire de météorologie dynamique - Institut Pierre Simon Laplace
(UMR8539 - CNRS, ENS-PSL, Ecole polytechnique-IP Paris, Sorbonne université)

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Droits d’auteur

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