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Prévisions de vol des BPCLs

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BALLONS PRESSURISES DE COUCHE LIMITE (BPCL)

Rappel historique

C’est en 1972, à la suite de l’expérience EOLE qui avait déployée avec succès 480 ballons pressurisés à 200hPa, que D. Cadet et H. Ovarlez du Laboratoire de Météorologie Dynamique (LMD) ont commencé à étudier l’utilisation de ballons pressurisés pour étudier la couche limite atmosphérique (BPCL).

Deux expériences préliminaires

22 ballons depuis l’île de Rangiroa dans le Pacifique Sud en 1973,
10 ballons depuis l’île d’Ascencion dans l’Atlantique Sud en 1974

ont permis de cerner les difficultés de tels vols (Cadet & al. 1975, J. Appl. Met, 14, pp. 1478-1484). Ces difficultés tiennent d’une part aux excursions verticales dues aux refroidissements et chauffage radiatifs de l’enveloppe, mais surtout, aux effets des pluies tropicales qui peuvent projeter le ballon jusqu’à la surface. Pour des ballons de 2m de diamètre, ils estimaient la charge en eau sous une averse à 500g et une pression dynamique supplémentaire due aux gouttes de l’ordre de 1000g. La structure de l’aérostat dérivée de celui d’EOLE, avec une chaîne de vol suspendue sous le ballon ne permettait pas de résister à ces évènements, l’instrumentation étant détruite quand le ballon arrive à la surface de l’océan (expérience de Rangiroa). C’est pourquoi il a été imaginé de mettre la nacelle scientifique et de servitude à l’intérieur même du ballon de telle façon que le ballon puisse se poser sans dommage sur l’océan.

Cette solution à été testée lors des vols depuis Ascencion, puis utilisée lors des expériences :

Summer monsoon (45 ballons lancés des Seychelles en 1975 ; D. Cadet et H. Ovarlez, Quart. J. R. Met Soc, 1976, 102, pp 805-815),
BALSAMINE (60 ballons depuis les Seychelles et 28 ballons depuis Diego-Suarez en 1979 ; D. Cadet & al., Bull. Am. Meteor. Soc, 1981, 62, pp. 381-388),
INDOEX (17 ballons lancés de Goa en 1999 ; Ethe et al., J. of Geophys. Res., 107D19, 2002, INX2-22-1:19)
BOA (8 ballons lancés d’Ushuaia en 2000 ; Ethe, thèse de Doctorat, Paris 2001).
VASCO 2005 (5 ballons depuis les Seychelles; http://www.lmd.ens.fr/tromeur/VASCO)
VASCO 2006 (4 ballons depuis les Seychelles; http://www.lmd.ens.fr/tromeur/VASCO)

Ces ballons pressurisés ont été conçus et construits entièrement au LMD jusqu'à l'expérience BOA. Les ballons sont maintenant développés par le CNES, les enveloppes des ballons étant fabriquées par ZODIAC INTERNATIONAL.

Informations Techniques
Contact : nicolas.verdier@cnes.fr


Les ballons pressurisés gardent un volume quasi-constant et volent donc à un niveau de densité quasi-constant, agissant comme des traceurs Lagrangien des parcelles d'air et des plateformes météorologiques. Produits par ZODIAC sous la supervision du CNES, les ballons sont gonflés d'hélium avec une surpression nominale de 120 hPa au niveau de vol. L'enveloppe est un tri-laminé polyéthylène de 125 micromètres d'épaisseur a un diamètre sphérique de 2.5 m. Par ailleurs, avec une masse totale d'environ 9 Kg, ce véhicule peut voler dans des couches atmosphériques comprises entre la surface et environ 830 hPa en fonction de son lest. Aussi longtemps que la surpression est maintenue, le volume reste constant, excepté pour de légères fluctuations thermiques produisant de faibles oscillations de l'altitude de vol, principalement conduites par le cycle diurne. Proche de leur niveau de densité à l'équilibre, ces ballons sont de bons traceurs du mouvement horizontal. Cependant, ils pourraient réagir aux coups de vent par des petites amplitudes, des hautes fréquences et des oscillations verticales autour du niveau d'équilibre. Le problème le plus sérieux encouru est la charge en eau accumulée par la pluie ou la condensation quand la température de l'enveloppe descend sous la température au point de Rosé. Ce dernier cas pourrait arriver quand le ballon entre dans de l'air saturé ou si l'hélium se refroidit du fait de la radiation nocturne.

	Concernant l'instrumentation scientifique embarquée, la charge utile des ballons comporte un capteur d'humidité (Figure en haut à gauche), des capteurs de pression et de température (Figure en bas à gauche) et un GPS 3D. La pression et la température de l'hélium sont aussi enregistrées. Les données sont émises, avec une période moyenne de 15 minutes, via le système ARGOS. L'énergie est fournie par des batteries au lithium assurant une durée de vie d'environ un mois. Les batteries, l'électronique, les antennes ARGOS et GPS sont toutes regroupées à l'intérieure de l'enveloppe du ballon (Figures à droite), protégées ainsi de l'eau salée lorsque que le ballon touche ou descend près de la surface de l'océan.