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.


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