Figure 1 : Données météorologiques à minuit, le 30/31 mars 1990.
l. DES ECHOS RADAR D'ORIGINE METEOROLOGIQUE
Des mirages résultant de réflexions
partielles
Ayant découvert des alignements d'échos anormaux sur les
écrans radar de l'aéroport national, je les ai attribués à un
effet météorologique, en considérant un mécanisme connu,
celui des "propagations anormales". Je présenterai ici
un mécanisme apparenté, plus subtil. Il faut partir de la
structure générale de l'atmosphère. La figure 1 fournit les
résultats de mesures effectuées au moyen d'un ballon-sonde,
justement pour la nuit du 30/31 mars 1990 qui nous concerne
spécialement.
Figure 1 : Données météorologiques à minuit, le 30/31
mars 1990.
Il est normal que la température diminue avec
l'altitude, mais on constate qu'il y a une "inversion de
température" près du sol, déjà refroidi à minuit, et
une autre, vers 1000 m. Ceci correspond au bord supérieur de la couche
limite. Dans celle-ci, l'air est rendu assez homogène par
des turbulences. L'humidité relative de l'air y est d'ailleurs
assez élevée, bien qu'elle diminue fortement aux niveaux des
inversions de température. Dans la troposphère, entre 1000 et
environ 10.000 m, la température diminue pratiquement de
manière linéaire. L'humidité relative y reste encore élevée
et en principe, il peut y avoir des nuages. La pression
atmosphérique diminue de manière exponentielle.
Puisque les molécules d'eau sont des dipôles électriques,
elles sont mises en rotation par le champ électrique des ondes
radar. Il en résulte que la vitesse de propagation de ces ondes
dépend de la densité des molécules d'eau. Il y a également
une atténuation, mais elle est généralement négligeable. Les
variations de la vitesse de propagation, dues aux variations de
l'humidité relative, peuvent conduire par contre à des effets
importants pour les ondes radar. La lumière visible n'est pas
affectée, parce que la fréquence des oscillations du champ
électrique est alors trop élevée pour que les molécules d'eau
puissent encore suivre. Tout se passe comme s'il n'y en avait
pas, aussi longtemps que la pression, la température et la
densité des molécules d'eau sont telles qu'il n'y a pas de
condensations. En effet, les gouttelettes d'eau et les cristaux
de glace diffusent la lumière visible. C'est cela qui nous
permet de voir les nuages.
Il importe de distinguer deux cas, suivant que la densité des
molécules d'eau varie progressivement ou brusquement au
bord supérieur de la couche limite. Un faisceau radar qui vient
d'en bas et tombe obliquement sur une couche où la densité de
la vapeur d'eau non saturée diminue progressivement sera dévié
de plus en plus fortement par des réfractions successives.
Si la variation de l'humidité atmosphérique a une ampleur
suffisante, le faisceau peut même être dévié vers le bas.
Tous les rayons qui le constituent décrivent une courbe et le
résultat global est équivalent à une réflexion totale,
comme s'il y avait un miroir.
Quand la densité des molécules d'eau varie de manière
pratiquement discontinue sur une surface donnée, l'onde radar y
subit par contre une réflexion partielle. La situation
est semblable à ce qui se passe pour la lumière visible à
l'interface air-verre ou air-eau: une partie de l'onde traverse
la surface de séparation. Si cela se produit à certains
endroits au bord supérieur de la couche limite, on continue
à détecter les avions qui se trouvent plus haut, mais la partie
du faisceau qui est réfléchie vers le bas, touche le sol et
peut y être diffusée par certains objets. Les rayons qui sont
renvoyés en arrière reviennent par le même chemin jusqu'à
l'antenne émettrice-réceptrice. Bien que le retour implique
également une réflexion partielle, cela donne lieu à
l'apparition d'échos anormaux (ground clutter) qu'on essaye
d'éliminer autant que possible.
Ceci est réalisé au moyen d'un filtre MTI (moving target
indicator). Il détermine le changement de la position des échos
pendant le temps qui sépare deux balayages successifs, afin de
supprimer les échos qui se déplacent à une vitesse inférieure
à un certain seuil, pour tenir compte aussi des réflecteurs
mobiles (voitures et trains). Pour le radar, la source des échos
semble se situer dans l'air, comme l'image produite par un miroir
semble se situer derrière celui-ci. Cela correspond à un mirage
supérieur, mais les réflexions partielles ont lieu sur des
facettes dont les inclinaisons sont variables. La situation est
donc comparable à la réflexion des rayons du soleil couchant ou
d'une étoile proche de l'horizon sur la surface d'un plan d'eau,
quand des vaguelettes modifient les directions des rayons
réfléchis.
Ceci explique des particularités que j'ai observées, en tenant
compte du fait qu'un rayon émis par une source immobile, mais
réfléchi par un miroir tournant, subit une déviation plus
forte qu'un rayon provenant d'une source qui bouge,
réfléchi par un miroir immobile. Les déviations angulaires
sont doublées. Le bord supérieur de la couche limite peut donc
se comporter pour des ondes radar comme un ensemble de petites
facettes réfléchissantes, dont les changements d'inclinaison amplifient
les mouvements apparents des échos anormaux. Puisque ce ne sont
pas seulement les mouvements possibles des réflecteurs au sol
qui comptent, les filtres MTI d'un radar au sol peuvent être
débordés suivant les conditions météorologiques. La
réflectivité dépend cependant de l'angle d'incidence. Il en
résulte que les échos anormaux apparaissent seulement dans une
certain domaine, ni trop près ni trop loin de l'antenne. Ceci
est conforme à ce qui a été observé (I.385).
Quand j'ai eu accès aux données des radars militaires, j'ai
constaté que les échos anormaux de type mirage y apparaissaient
beaucoup plus rarement (I.381) et quand il y en avait, ils se
présentaient de manière plus dispersée. Cela doit pouvoir
s'expliquer à partir du fait que les radars militaires utilisent
des faisceaux ayant la forme de pinceaux, tandis que le
radar civil produit un faisceau qui a la forme d'un éventail
vertical, s'étendant du zénith jusque près de l'horizon (en
cosec2). Pour un faisceau mince, la probabilité de rencontrer
des facettes partiellement réfléchissantes est plus faible.
Cela réduit l'intensité du faisceau réfléchi et quand il est
détecté, cela augmente l'importance des fluctuations. La
dispersion des échos anormaux qui passent le filtre MTI devient
plus grande. Ceci complète les explications antérieures et met
en avant le concept des réflexions partielles à des
endroits où l'humidité relative de l'air varie brusquement.
Nous en aurons besoin dans la suite.
Des échos provenant de nuages invisibles
Bien que les radars militaires soient moins perturbés par des
échos de type mirage que les radars civils, il y a beaucoup plus
d'échos anormaux d'un autre type. La figure 2 montre ceux qui
ont été détectés par le radar de Semmerzake au cours de la
nuit du 30/31 mars 1990. En fait, je recevais les données du
radar de Glons sous la forme de listings, tandis qu'à
Semmerzake, on me fournissait des extraits d'ordinateur sur
disquettes. Je pouvais les examiner sur mon ordinateur personnel,
en reproduisant alors de manière dynamique tout ce qui était
apparu à Semmerzake dans une portion donnée de l'espace et du
temps. Je pouvais sélectionner des traces d'avions, retenir
seulement les échos anormaux et lire les valeurs des paramètres
enregistrés pour chacun des échos, pris individuellement. La
figure 2 a été constituée de cette manière. Les distances
sont indiquées par rapport au radar de Semmerzake, mais le radar
de Glons est également indiqué par un cercle et une croix.
Figure 2 : Trajectoires d'échos anormaux, détectés par le
radar militaire
de Semmerzake au cours de la nuit du 30/31 mars 1990.
On constate qu'il y avait différentes traces
d'échos anormaux. Les plus longues ont débuté à 22h17 et à
22h58. Chacune d'elles provient d'un écho anormal qui a resurgi
presque régulièrement pendant plus de trois heures.
D'autres échos anormaux ont surgi plus tard. Les altitudes
étaient variées, mais elles restaient pratiquement constantes,
sauf pour la longue trace supérieure. La vitesse était toujours
d'environ 45 km/h, ce qui était celle du vent en altitude
(figure 1) et globalement, les trajectoires s'incurvaient suivant
la direction locale du vent. La source de ces échos devait donc
être "quelque chose" de réel qui se trouvait à telle
ou telle altitude, en étant entraîné par le mouvement
général de l'atmosphère.
J'ai proposé en 1991, qu'il s'agissait de masses d'air
humide, relativement localisées. Du moment qu'elles
comportent des surfaces où le degré d'humidité varie
brusquement, elles doivent produire des réflexions partielles,
bien que l'atmosphère soit optiquement transparente (I.386). Ce
phénomène était connu pour des "bulles de
convection", mais il était extraordinaire que des masses
d'air humide puissent rester localisées aussi longtemps.
Usuellement, elles sont disloquées après peu de temps. Il est
déjà rare qu'elles survivent plus d'une heure (I.387). Il
fallait donc que l'atmosphère soit très calme au cours de la
nuit du 30/31 mars 1990.
L'Institut Royal Météorologique avait annoncé: "Un noyau
de haute pression situé sur l'E de l'Angleterre et nos régions
se déplace lentement vers l'E et influence favorablement notre
temps". Le professeur Quinet de l'IRM m'avait fait parvenir
des cartes météorologiques pour une large partie de l'Europe,
à quatre altitudes différentes (850, 700, 500 et 200 mb). Il en
résultait qu'au-dessus de la Belgique, au sud du centre
anticyclonique, l'air atmosphérique se déplaçait en bloc de
l'est vers l'ouest. C'est une situation météorologique très
stable.
Sur la figure 2, j'ai encadré la partie de la trace supérieure
qui correspond à l'écho radar non identifié ayant
justifié la montée des F-16. Les radaristes ont seulement
découvert cet écho quand ils ont regardé s'il y avait
"quelque chose" d'anormal dans cette région. Cet écho
a continué à apparaître, en progressant lentement. La source
de l'écho se trouvait alors à une altitude d'environ 3000 m et
le CRC de Glons a fait évoluer les F-16 à cette hauteur (10.000
pieds). Par leur pratique, les radaristes savaient peut-être que
des échos anormaux peuvent s'aligner, mais pas d'une manière
aussi régulière et persistante. Ils ont été confrontés à
une situation météorologique exceptionnelle, en étant avertis
seulement de la possibilité d'une "propagation
anormale".
En 1994, j'ai fait un relevé de l'altitude de la source de
chacun des échos individuels pour les longues traces de la
figure 2. Malgré une dispersion assez grande des points de
mesure, les traces étaient continues (II.397). Puisqu'il ne
s'agissait pas nécessairement d'une seule bulle de convection,
bien définie, j'ai introduit le concept plus général de
"nuages invisibles" (II.397). Même s'il y avait un
ensemble de masses d'air humide, les radars au sol leur
attribueraient un écho unique, mais j'ai constaté que le radar
de Glons détectait parfois des échos anormaux qui s'écartaient
de la trajectoire moyenne.
Ces masses d'air humide pouvaient provenir de cheminées d'usine
ou de centrales électriques (II.408). Dans ce cas, il s'agirait
d'air chaud et cela me permettait d'expliquer aussi les
observations visuelles des gendarmes. M. Renkin avait vu Sirius,
mais la vitesse de propagation de la lumière visible dépend de
la température de l'air. Des masses d'air chaud,
passant séparément les unes des autres entre les gendarmes et
le ciel étoilé, devaient agir comme des lentilles (II.408). La
position apparente de l'étoile et sa couleur seraient fortement
et longuement modifiées, contrairement à ce qui se passe pour
les scintillations habituelles.
La stabilisation de masses d'air humide
La pression P de l'air atmosphérique diminue avec l'altitude z,
puisque le fait qu'elle est plus grande en bas qu'en haut permet
d'équilibrer la force gravifique (dP/dz = -rg,
où r est la masse volumique et où g
est l'accélération de la pesanteur). Tout gaz idéal contient
à pression et température donnée, le même nombre de
particules par unité de volume, mais la masse d'une molécule
d'eau est plus petite que celle des molécules d'azote et
d'oxygène (dans un rapport de 18 à 28 et 32). L'air humide est
donc plus léger que l'air sec à même température et même
pression. C'est vrai a fortiori pour de l'air humide et
chaud, se trouvant à la même altitude et donc à la même
pression. C'est ce qui produit des courants de convection.
Quand une masse d'air monte en altitude, elle est cependant
soumise à des pressions de plus en plus basses. Elle se détend.
Cela veut dire que le même nombre de molécules occupe un volume
plus grand. Si cela se réalisait suivant une transformation isotherme,
le produit PV serait constant, mais on sait que la température
diminue. En première approximation, on peut admettre que la
transformation est adiabatique. Cela veut dire que la
masse d'air considérée conserve pratiquement toute son énergie
thermique. On peut alors prévoir comment la température varie.
Le traitement mathématique9,10
conduit au concept d'une "température virtuelle
potentielle", mais nous n'avons pas besoin de tellement de
détails. Il suffit de savoir qu'il y a une petite différence
pour de l'air humide et de l'air sec, parce que l'énergie de
rotation n'est pas la même pour des molécules triatomiques (H2O)
et diatomiques (N2 et O2).
En fin de compte, une masse d'air humide et chaud finira par se
stabiliser à une altitude où la densité de cet air est égale
à celle de l'air sec. Au lieu de comparer les densités, on
compare des températures qui seraient celles de l'air humide et
de l'air sec à une pression standard (généralement 1000 mb).
Ces méthodes de calcul s'appliquent aussi à l'intérieur de la
couche limite11 et aux panaches de
fumée12. On a d'ailleurs signalé
que des usines peuvent augmenter la température et l'humidité
de l'air à tel point qu'il en résulte un microclimat, avec des
précipitations accrues13.
La figure 2 suggère que les deux longues traces pouvaient avoir
été initialisées par la centrale classique de Mol (au nord-est
de Bertem) et la centrale nucléaire à Tihange (à l'est de
Namur). Des masses d'air humide et chaud peuvent s 'accumuler en
effet au bord supérieur de la couche limite jusqu'au moment où
cette masse devient assez grande pour "percer le
plafond". Cela résulte du fait qu'il peut y avoir un équilibre
instable ou sélectif à certains niveaux9.
Rappelons aussi que le pouvoir ascensionnel d'un ballon dépend
à la fois de la densité de son contenu et du volume qu'il
occupe. A un moment donné, la masse d'air humide peut devenir
trop importante pour être retenue. L'équilibre provisoire est
alors ébranlé. La masse d'air humide et chaud monte, en formant
d'abord une bulle de convection, semblable à une bulle d'air
ascensionnelle dans l'eau. Dans l'air atmosphérique, il y aura
cependant une stabilisation à une certaine hauteur.
Le relevé des altitudes de la source des échos anormaux m'a
permis de voir que les valeurs mesurées fluctuaient plus
fortement que pour des avions, surtout au début et à la fin des
traces (II.397). Cela semble renforcer l'idée d'une
concentration progressive initiale et d'une dislocation finale.
Le fait que l'altitude diminue pour une des traces, peut
s'expliquer si l'on admet que le rapport surface-volume était
plus favorable à des échanges thermiques ou à la dispersion
des molécules d'eau. Notons que même le radar civil a détecté
parfois des masses d'air humide (I.381).
Quand on me demande si je crois aux OVNI, je demande en retour :
est-ce que vous croyez aux atomes? On ne les voit pas, mais on
dispose d'un ensemble d'informations indirectes. Le concept des
"nuages invisibles" souligne le fait que la réalité
ne se réduit pas simplement à ce que nous pouvons voir et
toucher. En été, le soleil chauffe le sol et provoque de
l'évaporation. L'air humide et chaud peut créer des courants
thermiques ascendants très forts. Certains oiseaux et les
pratiquants du vol à voile s'en servent pour atteindre des
altitudes élevées. Le record pour des planeurs est de 16000
mètres14 et tout cela se produit
dans un ciel sans nuages. En été, il arrive qu'on voit un
ensemble de nuages de type cumulus, dont le fond est
plat et situé au même niveau, comme si ces structures avaient
été déposés sur une plaque de verre. En fait, on ne voit que
les sommets de courants thermiques ascendants, séparés les uns
des autres par des courants descendants et il faut dépasser le
niveau où la température et la pression permettent une
condensation.
SUITE (2) - Le radar Doppler à impulsions des F-16
(3) - Les enregistrements radar des F-16