Radar Doppler météorologique et aviation. Bac S Nlle Calédonie 2016.



Les radars météorologiques permettent de localiser les précipitations et de mesurer leur intensité en temps réel. En exploitant l'effet Doppler, ils fournissent aussi des informations sur le vent dans
les zones de précipitations.
L'onde électromagnétique émise par le radar a une fréquence fémise = 3,0 x 109 Hz et se propage à la vitesse de la lumière dans le vide.

1. Détection des précipitations.
Cette partie décrit les conditions météorologiques particulières d'un orage subies par un avion en phase d'atterrissage. Il s'agit de savoir si cet avion peut atterrir en toute sécurité ou si un déroutement est nécessaire.
Afin de reconstituer la carte en 3D des précipitations, le radar balaye l'espace horizontalement et
verticalement en émettant des impulsions électromagnétiques de courte durée t = 1µs.
On s'intéresse à la zone de précipitations présente au voisinage de la piste (figure 3), le radar
pointant dans la direction 2 indiquée sur le schéma.
Dans le nuage, plus la zone représentée est foncée, plus l'intensité des précipitations est
importante.

Une simulation des signaux émis (E) et reçus (R) par le radar dans la direction 2 est présentée sur la figure ci-des
sous. L'amplitude du signal reçu est proportionnelle à l'intensité des précipitations et sa durée à l'épaisseur de la zone de précipitations.

1.1.À quelle distance du radar se trouve le début de la zone de précipitations ?
L'onde réfléchie par le nuage est reçue 5 µs après son émission.
Distance aller + distance retour = 3,00 108 x5 10-6 =1,5 102 m ; distance du radar à la zone de précipitation : 7,5 102 m.
1.2. Représenter sans souci d'échelle, l'allure du signal reçu lorsque le radar émet l'onde dans la direction 1 indiquée sur la figure 3.
La zone de précipitation est un peu plus proche, moins étendue, et possède à peu près la même intensité.




2. Conditions météorologiques et atterrissage.
Intensité des précipitations
La réflectivité Z est la grandeur caractérisant la puissance retournée au radar météorologique
lorsque l'onde électromagnétique émise rencontre des précipitations.
Du fait de la grande variabilité de Z, on préfère utiliser la grandeur RdBZ (réflectivité en dB)
définie par la relation suivante:
RdBz = 10 log(Z / Z0) où Z0 est la réflectivité de référence.
L'échelle ci-contre donne la correspondance entre RdBZ, exprimé en dBZ, et l'intensité des précipitations.
Le radar météorologique mesure une réflectivité maximale Z = 105xZ0 en bord de piste.
2.1. Estimer l'intensité des précipitations.
RdBz = 10 log105 = 50 dBZ.
L'intensité des précipitations est de 50 mm h-1.


.










Nature des précipitations.
L'onde électromagnétique est émise par le radar à une fréquence fémise. La fréquence freçue de l'onde réfléchie vers l'émetteur dépend de la vitesse de chute des hydrométéores (goutte de pluie, grêlon ... ). Lorsque l'angle entre la direction dans laquelle le radar émet l'onde et la direction de chute des hydrométéores vaut q (figure 5), le décalage en fréquence Df s'exprime par la relation suivante:
Df = freçue-fémise = 2 V cos q / c fémise.
avec v vitesse des hydrométéores par rapport au radar et c la célérité de l'onde électromagnétique.
Pour q = 60°, le radar mesure un décalage Doppler Df= +200 Hz en bord de piste.
La vitesse d'un grêlon (supposé sphérique) dépend de son diamètre d selon la relation:
V = (kd/2)½ avec k= 3,8 x 104m.s-2.

2.2. Calculer le diamètre des grêlons.
Df =2 V cos q / c fémise ; 200 = 2V x cos60 /(3,00 108) x3,0 109 =10 V ; V = 20 m s-1.
d = 2V2 / k = 2 x 400 / (3,8 104)=2,1 10-2 m = 2,1 cm.

Rafales descendantes.
Le radar météorologique permet aussi de mesurer la vitesse du vent au niveau de la piste.
Le radar détecte un décalage Doppler entre la fréquence reçue et la fréquence émise. Ce décalage est: positif en début de piste (position n°1 sur la figure et négatif en bout de piste (position n°2).
2.3. Représenter sur la figure , sans souci d'échelle, à l'aide de vecteurs, la direction et le sens du vent au niveau des positions n°1 et n°2. Justifier.
Un décalage positif indique que la fréquence de l'onde reçue est supérieure à celle de l'onde émise : le vent se dirige vers le radar fixe.
Un décalage négatif indique que la fréquence de l'onde reçue est inférieure à celle de l'onde émise : le vent s'éloigne du radar fixe.

Atterrissage ou déroutement.
2.4. Faire un bilan des conditions météorologiques décrites dans les trois questions précédentes, puis indiquer en le justifiant si l'avion peut atterrir en toute sécurité ou si un déroutement est nécessaire.
Les rafales descendantes soufflent face à l'avion dans la première partie de la piste. Il n'y à pas de risque de diminution de la portance.
Le diamètre des grélons est inférieur à 4 cm. Les précipitations ne sont pas trop intenses sur la piste ( inférieure ou égales à 50 mm h-1).
L'avion peut atterir sans prendre trop de risque.
Mais pour plus de sécurité, l'avion peut attendre la disparition de cette microrafale ou être dérouté.



  

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