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HIST_BPCL

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Histoire des Ballons Pressurisés de Couche Limite (BPCL)

 

Un outil scientifique du

Laboratoire de Météotologie Dynamique

Rédigé par C. Basdevant, D. Cadet, P. Morel, H. Ovarlez

 

C’est au printemps 1972, après le succès de la campagne ballons Eole dans l'hémisphère Sud (voir les "Campagnes Strato"), que Pierre Morel, Directeur du LMD, confiait à Henri Ovarlez, alors jeune ingénieur, la responsabilité des activités ballons du LMD avec pour objectif immédiat l’étude de la couche limite tropicale à l’aide de ballons surpressurisés plafonnant à 1000 m et leur mise en œuvre dans l’Atlantique équatorial dans le cadre du programme international GATE (GARP Atlantic Tropical Experiment) prévu pout l’été 1974.

 

L’idée consistait à utiliser des ballons surpressurisés de type Eole mais de seulement 2 m de diamètre. Le satellite EOLE devant terminer ses opérations en 1973, il fut décidé de remplacer le système de transmission d’Eole par une télémesure HF modernisée incluant une localisation basée sur la hauteur du soleil et la composante verticale du champ magnétique terrestre. Par ailleurs la NASA ayant développé un nouveau concept de localisation et collecte de données RAMS (Random Access Memory System) qui devait être embarqué début 1974 sur le satellite NIMBUS F (précurseur du système ARGOS qui sera mis en œuvre par le CNES et la NOAA), une nacelle équipée de balises RAMS répondant aux spécifications NASA fut développée et qualifiée.

 

De nouveaux capteurs furent développés et embarqués, ils consistaient en un baromètre à capsule anéroïde, un altimètre impulsionnel à auto-correlation tiré des travaux de thèse d’un élève de Verner E. Suomi de l’Université du Wisconsin, plusieurs transducteurs de température, un magnétomètre et un capteur solaire pour la localisation. La télémesure Digit-Morse, inspirée des travaux de Vincent Lally du NCAR, consistait à transmettre sur une fréquence de 15 Mhz, les données des différents capteurs en 9 bits sous forme de 3 lettres Morse. Les nacelles faisaient usage des plus récents développements disponibles dans les années 1970 : les circuits intégrés CMOS à faible consommation, les piles au lithium dont la capacité massique était 4 fois plus élevée que les meilleurs produits existants auparavant ainsi que les panneaux de cellules solaires à coûts faibles.

 

Une campagne de validation technologique eut lieu avec succès à partir de Pretoria en Afrique du Sud en novembre 1972 avec trois ballons EOLE à 200 hPa embarquant ces nouveaux équipements ; deux ballons volèrent trois mois et un ballon plus d’un an. Les équipements et capteurs fonctionnèrent parfaitement.

 


 

 

I - Premières tentatives de vols BPCL : août 1973 Rangiroa archipel des Tuamotu

Les premiers tests en vol des ballons de couche limite furent organisé en août 1973 sur l’île de Rangiroa dans l’archipel des Tuamotu en Polynésie, à 15° Sud dans le Pacifique ; 30 nacelles furent fabriquées au LMD pour cette campagne probatoire. Les ballons, conçus pour voler à 1000 m d’altitude (soit 900 hPa) étaient d’un diamètre de 2 m, fabriqués par Zodiac ils étaient en Terphane (Mylar) de 80 µm autorisant une surpression de 100 hPa au niveau de vol qui permettait au ballon, en cas de surcharge, de descendre au niveau de la mer tout en restant légèrement surpressurisé. En effet Eole nous avait appris qu’un ballon non gonflé se fissure très rapidement sous l’effet des rafales de vent. Une légère surpression au sol permettait également de préparer les enveloppes par avance, de pratiquer des tests simples de recherche de fuites à la bulle de savon et, par le contrôle de la surpression, de détecter d’éventuels défauts des enveloppes gonflées.

 

La figure I-1 illustre le lâcher d’un tel ballon emportant une chaîne de vol de 15 m de long environ. La masse de l’ensemble était de l’ordre de 6 kg, le ballon étant muni d’une force ascensionnelle libre (free lift) de 10% soit 600 g pour voler à 1000 m. Toutefois la force ascensionnelle initiale du ballon est plus importante (2,6 kg) tant qu’il ne porte pas les différents équipements de la chaine de vol. L’essor initial est donc rapide mais l’ascension se ralentit dès que l’ensemble vole librement (figure I-2).

 

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Figure I-1 – Lâcher d’un BPCL en août 1973 à Rangiroa. A l’extrémité de la chaine de vol l’antenne UHF (tenue par P. Morel), puis en remontant dans le premier tube l’altimètre, le magnétomètre, les électroniques du capteur de température, puis le 2ème tube qui contient la télémesure Digit-Morse et l’émetteur 15 Mhz ; de part et d’autre 2 morceaux de câble électrique de 5 m assurent une antenne dipôle pour le 15 Mhz, enfin la boîte du capteur de pression et un panneau de cellules solaires.


Figure I-2 – Le BPCL en ligne de vol en août 1973 à Rangiroa.

 


Les premiers résultats de campagne furent désastreux, les ballons disparaissant dès le 2ème jour. Pierre Morel déjà sensibilisé par les problèmes de givrage des ballons à 300 et 200 hPa supposa qu’on faisait face au même problème de refroidissement radiatif du ballon entraînant une condensation nocturne de l’humidité atmosphérique et un surpoids suffisant pour faire redescendre l’aérostat jusqu’à la surface de la mer. Pour vérifier cette hypothèse une nacelle fut modifiée pour mesurer sa température interne ; la chaine de vol tombait bien en mer empêchant le redécollage du ballon au jour suivant. Cette constatation entraina la décision d’enclore l’ensemble des équipements du ballon à l’intérieur de l’enveloppe à l’abri d’une immersion éventuelle.



II - Expérience probatoire à l’île d’Ascension, août 1974

De retour de Rangiroa en septembre 1973, la campagne internationale GATE étant toujours prévue en été 1974, il fallait dans l’urgence concevoir une nacelle interne au ballon et réaliser les 50 équipements prévus.
Une nacelle « tubulaire » fut conçue (figure II-1) faite d’un tube de 7 cm de diamètre et de 2 m de long en fibre de verre solidaire d’un bouchon au sommet du ballon, le bas étant lié au bouchon inférieur une fois le ballon complètement gonflé. Les éléments de la nacelle se glissaient dans ce tube, les plus lourds vers le bas pour donner de la stabilité au ballon. Compte tenu de la durée de vie relativement limitée prévue pour ces vols, l’énergie était fournie par des seules piles au lithium. Le poids de ces équipements ne dépassait pas 2 kg, un lest permettait d’ajuster le poids total sous le bouchon inférieur.
Par ailleurs le ballon fut équipé d’une cape en Mylar aluminisé occupant 140° sur sa partie supérieure et destinée à piéger le rayonnement tellurique infra-rouge pour minimiser le refroidissement nocturne et la condensation (Morel et al. 1968). Cette cape était installée une fois le ballon gonflé et maintenue sur la peau du ballon par un ruban adhésif.

Mais en mars 1974, peu avant notre campagne GATE prévue depuis les Îles du Cap Vert, nous apprenions le report à mai 1975 du tir de NIMBUS F, d’où l’impossibilité de participer à GATE avec ces équipements. Pierre Morel décida néanmoins que l’objectif scientifique restait entier et qu’il fallait continuer à tester l’aérostat dans une campagne probatoire et définir une campagne expérimentale pour 1975. Très rapidement nous avons conçu et développé une télémesure HF Digit Morse s’intégrant dans le tube de 7 cm de diamètre, à la place de la balise RAMS, et remplacé l’antenne satellite UHF par un panneau de cellules solaires. Pour limiter les coûts d’une campagne probatoire improvisée nous avons obtenu la collaboration du NCAR qui disposait de facilités logistiques pour lancer des ballons à partir de l’île d’Ascension au milieu de l’Atlantique à 8° Sud. Cette île disposait d’une piste de 4 km de long accueillant les C130 américains chargés de la maintenance de la station de poursuite de satellites de la NASA. Une dizaine d’équipements furent préparés pour cette mission et nous avons été pris en charge par le NCAR pour l’acheminement des personnes et du matériel vers cette île désertique, en août 1974.

Mais le problème d’une île située dans les alizés pour des lâchers de ballons est le vent au sol permanent de 20 à 30 km/h, nos collègues du NCAR avaient contourné la difficulté avec une méthode de lâcher « dynamique » des ballons. Elle consistait à placer le ballon sous une housse dans un chariot remorqué vent arrière par un véhicule muni d’un ballon pilote indiquant le vent relatif, la chaine de vol étant repliée sur une plateforme à l’avant. Une fois le vent relatif annulé, la housse est retirée et le ballon s’élève sans contrainte (figures II-2 et II-3).


Figure II-1 – Schéma du ballon et de la nacelle interne. Le schéma correspond à la configuration prévue pour GATE et utilisée pour pré-MONEX en 1975. Pour la campagne de  l’île d’Ascension en 1974 la balise UHF RAMS avait été remplacée par une télémesure HF Digit Morse, et l'antenne UHF sur le sommet par un panneau de cellules solaires.

 

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Figure II-2 – Lâcher d’un ballon par vent fort sur l’île d’Ascension - 1974
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Figure II-3 – Lâcher d’un ballon par vent fort sur l’île d’Ascension - 1974

 

Cette campagne fut riche d’enseignements : d’une part les données reçues par télémesure HF Digit Morse nous permirent de vérifier que les ballons avaient une durée de vie suffisante même s’ils descendaient de nuit, validant ainsi le concept de la nacelle interne, d’autre part la technique de lâcher dynamique s’est révélée indispensable dès qu’il y a un peu de vent au sol, même pour ce genre de ballons sans chaine de vol (Cadet et al., 1975).


III - Summer Monsoon, expérience pré-MONEX, Seychelles juin-juillet 1975

En septembre 1974 de retour de l’île d’Ascension et devant ces résultats encourageants, Pierre Morel proposa une expérience d’étude de la circulation de mousson d’été dans l’Océan Indien, campagne à faire en 1975 et préparatoire à l’expérience MONEX prévue par le programme GARP (Global Atmospheric Research Program) en 1979.
Pour être dégagé de toute influence continentale le lieu le plus favorable était les Seychelles, à 4,67° Sud dans l’Océan Indien, où un aéroport venait d’être ouvert en rendant l’accès facile. Bien que NIMBUS F devait être lancé au plus tôt en mai 1975 nous fîmes le pari que le satellite n’aurait pas de retard. Fin mars 1975 50 ballons furent expédiés par bateau. C’est en avril que Pierre Morel annonça sa prise de fonction au CNES en tant que Directeur Général Adjoint, mais il ajouta qu’il viendrait aux Seychelles en tant que responsable scientifique de ce projet qui lui tenait à cœur.
La campagne des Seychelles commença à la mi-mai par la mise à l’eau avec l’aide d’océanographes américains de quelques bouées mises au point au LMD dans le but de fournir un niveau de référence de pression sur l’Océan Indien. Puis il fallut attendre le lancement du satellite NIMBUS qui avait un peu de retard, attente qui ne fut pas inutile car en testant en mode local nos nacelles il est très vite apparu qu’elles étaient pratiquement toutes en panne, bien que intensivement testées en France dans un vaste intervalle de températures entre 0° et 80°C. La solution ne fut trouvée qu’au bout de 15 jours en remarquant que la climatisation de la salle de stockage des nacelles à une température fraîche de 18° faisait disparaître la panne ; en fait tout venait d’un oscillateur à quartz qui refusait de démarrer après stockage prolongé à une température supérieure à 23°. Cet angoissant problème résolu les nacelles ont pu être testées dès le lancement de NIMBUS vers mi-juin et les lâchers ont commencé durant la 3ème semaine de juin. Les ballons fabriqués fin 1973 présentaient quelques défauts de tenu du collage des fuseaux mais l’ingénieur CNES présent, Gabriel Lecomte, avait le matériel nécessaire - ruban et roulette chauffante - pour réparer les enveloppes ; 45 ballons furent lâchés pour voler à 955 hPa, 910 ou 860 hPa, soit en statique par vent faible (figures III-1 et III-2) soit avec la technique du lâcher dynamique sur notre véhicule Mini Moke (figure III-3). Quelques trajectoires sont présentées sur la figure III-4, elles  montrent en particulier une inversion du profil de vent à partir du jour 205 (24 juillet), inversion qui nous posa quelques soucis pour des avions en approche de l’aéroport !
Le système NIMBUS n’offrait que la possibilité de transmettre 32 bits d’information. Compte tenu des délais très courts de mise au point et de fabrication des nacelles nous avions décidé de ne pas mesurer la température interne des ballons, mais grâce à la mesure de pression nous avons constaté que les ballons descendaient notablement pendant la nuit malgré la cape en Mylar aluminisé. En fait des essais de vol avec et sans cape ne montrèrent aucune différence notable de comportement des ballons. Une explication plausible est que de l’humidité pouvait être piégée entre la cape et la peau du ballon et annuler l’efficacité de la cape. A cette époque, qui se situait bien avant l’ère des nouvelles technologies de l’information et de la communication, la récupération des données représentait une gageure. Il fallait téléphoner à nos collègues du NCAR qui avaient accès au positionnement et aux données transmises, les noter, les traiter et les envoyer par télex aux Seychelles. Malgré un délai d’au moins une journée (hors week-end) cela permettait de rassurer les « lanceurs » de ballons.

 

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Figure III-1 – Ballon prêt au lâcher aux Seychelles - 1975

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Figure III-2 – Départ d'un ballon aux Seychelles - 1975


Figure III-3 – Lâcher d’un ballon par la méthode dynamique aux Seychelles - 1975


Figure III-4 – Quelques trajectoires de l’expérience pré-MONEX, Seychelles 1975


Cette expérience pré-MONEX fut en définitive un succès et a donné lieu à plusieurs publications (e.g. Cadet et Ovarlez, 1976, Ovarlez et al., 1978), en particulier les vols ont pu caractériser plusieurs phases dans le flux de mousson dues à l’interaction entre le jet de basse couche et d’intenses cellules convectives naissant soit à l’Est des côtes des Somalis soit au Sud de l’équateur.



IV - Expérience BALSAMINE 1979

L’année 1976 fut consacrée d’une part à l’étude d’un projet Franco-Iranien de 600 ballons de type Eole à 150 hPa, projet qui fut abandonné fin 1976, les pétro-dollars n’étant plus ce qu’ils étaient et d’autre part à une campagne de ballons plafonnant longue durée à 100 hPa organisée à Pretoria. Fin 1976, le CNES valide le programme BALSAMINE (BALlons Surpressurisés pour l’Analyse de  la Mousson INdienne d’Eté) proposé par Daniel Cadet et Gilles Sommeria du LMD dans le cadre du programme MONEX du GARP. 90 ballons sont prévus pour cette campagne, deux sites de lâcher sont sélectionnés, les Seychelles pour 60 d’entre-eux et Diégo Suarez au Nord de Madagascar pour les 30 autres.

 

En juin 1978 la mise en place des crédits est décidée pour une campagne en juin 1979 et en même temps le CNES impose d’utiliser les balises ARGOS fabriquées par Dassault (ARGOS successeur de RAMS NIMBUS), alors que nous avions déjà défini un matériel semblable à celui de 1975 avec son antenne à 400 MHz. L’émetteur ARGOS était plus lourd et plus gros il fallut donc étudier une nouvelle nacelle. Avec le CNES, nous sommes partis de l’idée d’une pièce polaire inférieure de plus grand diamètre pouvant accueillir une nacelle plus large et plus courte, tous les éléments fragiles étant protégés à l’intérieur de l’enveloppe par deux demi-coquilles en polystyrène expansé. Mais l’augmentation de poids força aussi l’adoption d’un ballon de 2,50 m de diamètre avec une enveloppe en Mylar de 100 µm autorisant une surpression d’éclatement de 160 hPa. Un hygromètre fut rajouté et des « boutonnières » situées à l’équateur du ballon permettaient de faire passer des bras en fibre de verre au bout desquels on pouvait installer des capteurs (figure IV-1). Compte tenu du peu d’efficacité des capes en Mylar aluminisé, Pierre Malaterre ingénieur CNES décida que les ballons seraient cirés avec une encaustique rendant l’eau déposée déperlante. Cette opération de cirage des ballons occupa pleinement mais sainement les doctorants qui participaient à la campagne !




Figure IV-1 – La nacelle BALSAMINE

 

 

Un tel ballon enlève à 1000 m un poids de 8,9 kg dont 3,1 kg pour l’enveloppe, 4,2 kg pour la nacelle y compris le bouchon de support, 1,4 kg de gaz hélium et 0,2 kg de lest. La conception de la nacelle en polystyrène a grandement simplifié l’intégration des équipements mais par contre il a fallu étalonner 300 thermistances, 200 capteurs de pression, 100 hygromètres et adapter 100 antennes UHF, pour cela il fut créé des bancs d’étalonnage rationalisant le travail. Tout le matériel partit pour les lieux de lâcher fin mars et en mai les deux stations étaient prêtes et opérationnelles.
Les responsables scientifiques avaient choisi de porter leurs efforts sur l’étude du déclenchement de la mousson qui se produit en moyenne entre le 20 mai et le 10 juin. La stratégie était donc de lâcher une moyenne de deux ballons par jour des Seychelles et un ou deux de Diégo Suarez durant cette période, puis un par jour des Seychelles à partir du 11 juin. Hélas cette année la le déclenchement de la mousson du Sud-Est devait être tardif de sorte que les premiers ballons furent emportés vers le continent Africain (figure IV-2) où bien disparurent aspirés par la zone de convergence intertropicale. Nous fûmes contraints d’arrêter les lâchers vers le 25 mai et d’attendre le déclenchement de la mousson qui eut lieu finalement dans les derniers jours de juin (figure IV-3).

 


Figure IV-2 – Trajectoires BALSAMINE avant déclenchement de la mousson.


Figure IV-3– Trajectoires BALSAMINE après le déclenchement de la mousson.

 

 


La technique de lâcher avec Mini Moke est restée la même (figure IV-4) et les ballons ont été de très grande qualité, pas une seule fuite ne fut détectée au sol.
La technologie de transmission des données avait considérablement progressé puisque nous avions accès aux informations de positionnement et aux mesures des ballons via un serveur ARGOS du CNES. Il suffisait d’insérer un combiné téléphonique dans un modem acoustique relié à une imprimante thermique pour récupérer position et bits d’infos en hexadécimal pour chaque ballon interrogé. Après traitement manuel des 64 bits de chaque enregistrement horaire, les données étaient renvoyées par télex tous les jours aux équipes des deux bases de lancement qui pouvaient suivre ainsi en temps légèrement différé la progression des ballons et leur « état de santé ».




Figure IV-4 – Ballon BALSAMINE prêt au lâcher sur sa Mini Moke – 1979


Figure IV-3– Ballon BALSAMINE en vol

 

 

L’expérience BALSAMINE fit l’objet de plusieurs publications et thèses (e.g. Cadet et al., 1981, Reverdin et Sommeria, 1983), les données des ballons et en particulier les vents qui s’en déduisent, furent, associées aux autres mesures faites durant MONEX (bateaux, avions, drop-sondes, satellites), très utiles pour évaluer l’équilibre des termes d’advection, de forçage et de friction du vent dans la couche limite et expliquer sa variation méridionale de part et d’autre de l’équateur, des résultats fort importants pour définir les paramétrisations des petites échelles dans les modèles numériques de prévision du temps ou du climat.


V - Expérience INDOEX 1999

Après BALSAMINE le programme du LMD d’expériences sur ballons dans la basse troposphère subit une interruption de plusieurs années, d’une part parce que l’équipe technique était absorbée ailleurs par un programme de vols stratosphériques, mais aussi en raison du départ des scientifiques Daniel Cadet et Gilles Sommeria qui les avaient menées. Ce n’est qu’en 1996 que se réveille cette activité avec la proposition de Robert Sadourny d’inclure des vols de ballons de couche limite dans l’expérience internationale INDOEX (INDian Ocean EXperiment) prévue en 1999 dans l’Océan Indien pour étudier le transport et l'évolution des aérosols et des constituants en trace issus du sous-continent Indien et leurs interactions avec les nuages et le rayonnement. Dans ce contexte, l’objectif d’une campagne ballon était d’observer directement le champ de vent dans les basses couches au-dessus de la mer d’Arabie et le transport des masses d'air polluées issues du sous-continent Indien.
Henri Ovarlez reprend alors le concept du programme BALSAMINE (ballons de 2,5 m de diamètre, nacelle interne, niveau nominal de vol de 900 hPa, poids total 9 kg, transmission via ARGOS) mais en modernisant les équipements et surtout en incluant une localisation GPS (figure V-1). La nacelle était équipée de deux astucieux bras qui se dépliaient à l’intérieur du ballon pour porter l’antenne GPS et un capteur solaire (figure V-2).
Le site de lâcher choisi était Goa sur la côte Ouest de l’Inde (15,5° Nord), dans l'axe du panache de polluants indiqué par les observations spatiales et par les navires océanographiques. Les opérations furent conduites avec le soutien logistique du National Institute of Oceanography of India, depuis le campus de l'Université, situé au bord de la mer.
Une campagne probatoire de 5 ballons fut organisée en février 1998 avec Henri Ovarlez et Bernard Dartiguelongue du CNES. Malheureusement un seul ballon put être lâché qui restera plusieurs heures au-dessus de l’aéroport perturbant le trafic aérien. Malgré cet incident, ce vol permit de qualifier l’aérostat et la campagne nominale eut lieu en janvier et février 1999 sous la responsabilité scientifique de Robert Sadourny et technique de Bernard Dartiguelongue. En coordination avec les autorités de l’aviation civile Indienne et en profitant de la brise de terre 17 ballons furent lâchés tôt le matin vers l’Océan Indien (figure V-3).

 



Figure V-1 – Ecorché du ballon INDOEX.
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Figure V-2 – Henri Ovarlez préparant un ballon INDOEX à Goa – 1999

 

 

Leurs trajectoires sont présentées sur la figure V-4, on remarquera le ballon n°1 qui après avoir frôlé les côtes de Somalie a traversé d’Ouest en Est tout l’Océan Indien dans un vol de 19,4 jours. Si la plupart des vols correspondaient à ce qui était attendu - suivre le panache de pollution depuis le sous-continent Indien jusqu’à la zone de convergence inter tropicale - un de ces ballons devait nous causer bien des frayeurs en allant se perdre au centre de l’Inde après avoir survolé Bombay de nuit.

 

 


 

 

 

 



Figure V-3 – Robert Sadourny s’apprêtant à lâcher un ballon INDOEX à Goa – 1999


Figure V-4 – Trajectoires des 17 ballons INDOEX lâchés de Goa en  janvier et février1999

La campagne s’est bien déroulée et a donné des résultats satisfaisants bien que les problèmes logistiques aient été nombreux en particulier en termes de télécommunication pour récupérer les prévisions de trajectoires faites quotidiennement au LMD à Paris ou pour suivre les ballons avec les données ARGOS accessibles par internet. Notons aussi que le capteur solaire nous a joué des tours en confondant la pleine lune et le soleil ! Plusieurs articles et une thèse on été rédigés à la suite de cette campagne ballon (e.g. Ethe et al., 2002), un des principaux résultats a été la mise en évidence d’une transition nette dans le régime de l’écoulement liée à l’oscillation de Madden-Jullian, les vols ont aussi montré l’existence de circulations anticycloniques côtières s’étendant sur 200 à 300 km au large des côtes occidentales de l’Inde qui perturbent le transport des polluants vers la mer. Ces circulations, que les moyens traditionnels d’observation ne permettaient pas de décrire et qui n’étaient pas reproduites par les modèles numériques de prévision, sont liées à la subsidence orographique derrière les Ghâts et au cycle diurne des brises de terre et de mer.



VI - Expérience BOA 2000


L’expérience ballon INDOEX ayant été un succès technique et scientifique mais n’ayant pas épuisé le stock de ballons et de nacelles prévu, Robert Sadourny proposa au CNES de déployer les systèmes disponibles dans une nouvelle campagne BOA (Ballons sur l’Océan Austral), campagne là aussi destinée à étudier la circulation de basse couche mais dans l’Atlantique Sud. Mise en œuvre en seulement quelques mois, cette campagne se déroula en février 2000 à Ushuaia en Argentine (54,8° Sud) sous la responsabilité scientifique de Robert Sadourny et technique de Bernard Dartiguelongue et avec le soutien de scientifiques argentins. Les ballons étaient lâchés du port d’Ushuaia (figure VI-2 et IV-3) pour rejoindre l’Atlantique en survolant le Canal de Beagle. Sur huit ballons lancés, sept atteignirent effectivement l’Atlantique malgré les conditions humides et givrantes de l’été de la Terre de Feu (figure VI-4).

 




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Figure VI-1 – Préparation de la nacelle interne
Figure VI-2 – Lâcher d’un ballon à Ushuaia par Bernard Dartiguelongue - 2000


Figure VI-3 – Lâcher d’un ballon à Ushuaia par Bernard Dartiguelongue - 2000


Figure VI-4– Trajectoires des 8 ballons de l’expérience BOA – 2000

 

 

Cette campagne a permis d’une part de mieux connaître le comportement de ces ballons dans les latitudes australes, là où les gradients thermiques horizontaux sont très importants et perturbent leur flottaison, et d’autre part d’étudier la dynamique de petite échelle de l’atmosphère grâce à un suivi spatio-temporel des masses d’air (Ethe, 2001).



VII - Expériences VASCO 2005-2007

En 2003 Jean-Philippe Duvel, chercheur au LMD, proposa une nouvelle expérience VASCO (Variabilité Atmosphérique intra-saisonnière et Couplage Océanique) pour étudier les flux à l’interface océan-atmosphère dans l’Océan Indien. L’aérostat principal de ce projet était l’Aéroclipper, mais très rapidement J.-Ph. Duvel demanda à Claude Basdevant chercheur au LMD qui avait participé aux campagnes INDOEX et BOA d’y associer aussi des BPCL pour avoir des informations précises sur la circulation de basse couche. L’équipe technique du LMD étant alors mobilisée par la mise au point d’une part de l’Aéroclipper et d’autre part par des nacelles de la campagne stratosphérique VORCORE, la définition et la construction d’un nouveau BPCL fut confiée à Nicolas Verdier ingénieur du CNES.

L'enveloppe du nouveau BPCL, fabriquée par Zodiac, était un tri-laminé polyéthylène de 125 µm d'épaisseur. Avec un diamètre de 2,5 m, le ballon gonflé d'hélium avec une surpression nominale de 120 hPa au niveau de vol maximum de 830 hPa avait une masse totale d'environ 9 Kg. L'instrumentation scientifique comportait un capteur d'humidité, des capteurs de pression et de température (figures VII-1 et VII-2) et un GPS 3D. La pression et la température de l'hélium étaient aussi enregistrées. Les données étaient transmises, avec une périodicité moyenne de 15 minutes, via le système ARGOS mais le positionnement du ballon pouvait maintenant être obtenu par le système GPS, beaucoup plus précis que les positionnements ARGOS utilisés auparavant. L'énergie était fournie par des batteries au lithium assurant une durée de vie d'environ un mois. Tous les équipements étaient regroupés à l'intérieur de l'enveloppe du ballon (figure VII-3), protégés ainsi de l'eau salée lorsque que le ballon touche ou descend près de la surface de l'océan. En plus de l’architecture de cette nouvelle nacelle Nicolas Verdier et son équipe ont défini et mis au point une série d’éléments facilitant la préparation et la mise au plafond des BPCL : bancs d’étalonnage de l’instrumentation, berceaux de préparation des ballons, baie de gonflage des ballons, baies de test des nacelles et segment sol.

 



Figure VII-1 – Capteurs d’humidité


Figure VII-2 – Capteurs de pression et température


Figure VII-3 – La nacelle interne des BPCL VASCO et AMMA.


Figure VII-4 – La nacelle contient les batteries, l'électronique, les antennes ARGOS et GPS ; sous la pièce polaire la boite à lest.

 

 

Ces BPCL furent lâchés au-dessus de l’Océan Indien depuis les Seychelles (4,67° Sud) en janvier et février lors les campagnes VASCO 2005 (5 vols), 2006 (4 vols) et 2007 (10 vols) (figure VII-5).

 

 



Figure VII-5 – Nicolas Verdier lâchant un BPCL VASCO sur l’aéroport de Mahé aux Seychelles – 2007

 

 

 

Parmi les vols de 2007 on remarquera le ballon n°1 (figure VII-6) qui a parcouru 19 500 km en 33 jours et 6 heures et le ballon n°8 (figure VII-7) qui effectua un vol circumpolaire de 25 000 km en 21 jours pour aller mourir dans le Détroit de Bransfield au Sud de l’Argentine. A l’instar des Aéroclippers lâchés dans les mêmes campagnes, les BPCL ont permis de suivre avec une grande précision la naissance et l’évolution de plusieurs cyclones tropicaux, ce fut particulièrement le cas en 2007 avec les cyclones Dora et Gamede (Duvel et al. 2009).

 

 


Figure VII-6 – Trajectoires du BPCL N°1 - VASCO 2007


Figure VII-7 – Trajectoires du BPCL N°8 - VASCO 2007

 

 

VIII - Campagne AMMA 2006

Les mêmes BPCL que ceux de la campagne VASCO furent  mis en œuvre en juin et juillet 2006 durant la campagne internationale AMMA (Analyses Multidisciplinaires de la Mousson Africaine) pour documenter le saut et le flux de la mousson Africaine. Quinze ballons furent lâchés depuis l’aéroport de Cotonou au Bénin (6,4° Nord). C’était la première fois qu’une expérience de ballons de couche limite était organisée au-dessus d’un continent. Comme on pouvait s’y attendre plusieurs ballons furent détruits par des événements convectifs ou précipitants intenses (figures VIII-3 et VIII-4), néanmoins trois ballons traversèrent une bonne partie de l’Afrique de l’Ouest pour aller mourir dans les contreforts du Hoggar au nord du Niger (figure VIII-5).

 

 

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Figure VIII-1 Trois ballons AMMA préparés pour de futurs lâchers
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Figure VIII-2 Un BPCL en cours de lancement



Figure VIII-3 – Nicole Papineau lâchant un BPCL AMMA sur l’aéroport de Cotonou, juste avant le passage d’une ligne de grain – 2006


Figure VIII-4 – Un BPCL AMMA « capturé » par des villageois dans le Nord du Nigéria - 2006

 

 

 



Figure VIII-5 – Lieux de disparition des 15 ballons AMMA lâchés depuis Cotonou au Sud du Bénin.

 

 

 

Cette campagne BPCL a été très utile pour étudier la variabilité multi-échelles de la circulation de mousson et en particulier son cycle diurne, les ballons ont en effet montré un cycle diurne beaucoup plus important que ce que les modèles estimaient et aussi sa forte dépendance avec l’altitude (Bastin et al. 2007).



IX - Campagnes BAMED 2012 & 2013

Les campagnes BAMED (Balloons in the Mediterraneen) on fait partie de l'expérience internationale HyMeX (Hydrological Cycle in Mediterranean Experiment) destinée à étudier le cycle de l'eau dans le bassin Méditerranéen et particulièrement les évènements de précipitation intense. BAMED a consisté en trois campagnes : une campagne technologique qui s'est déroulée à Mahé aux Seychelles en Mars 2012, la campagne BAMED SOP1 (Special Operating Period de HyMeX) de Septembre à Novembre 2012, les ballons étant alors lachés de Mahon dans les iles Baléares (Espagne) et la campagne BAMED SOP2 en Février et Mars 2013 depuis Candillargues dans le Sud de la France près de Montpellier. Durant ces deux SOP HyMeX a simultanément déployé un grand nombre d'instruments et de plateformes (avions, bateaux, lidars, radars …) tout autour de la Méditerranée occidentale dans une coopération internationale engageant de nombreux pays.

Pour  BAMED les BPCL ont été fortement modifiés pour tenir compte des caractéristiques de l'expérience, vols de courtes durées dans une atmosphère humide avec de fortes précipitations. Ainsi les capteurs qui étaient précédemment placés au bout de bras fixés à l'équateur du ballon ont été regroupés et protégés dans une nacelle scientifique fixée au pôle Nord du ballon et communicant par Wi-Fi avec le centre de contrôle et de communication, lui-même dans une nacelle au pôle Sud. Le ballon a également été enduit d'un produit hydrofuge et équipé d'une jupe à l'équateur pour éviter toute accumulation d'eau à sa surface qui pourrait l'alourdir. Les communications avec le centre d'opération du CNES à Mahé se font via Iridium avec une voie montante et une voie descendante, cette dernière permettant de mettre fin au vol si celui-ci s'approche des côtes.

BAMED - Techno
La campagne technologique des Seychelles était destinée à tester cette nouvelle configuration et cinq vols ont alors été effectués. Cette campagne, si elle a validé le système de communication et de contrôle, a permis de constater que les mesures d'humidité et de température était fortement biaisées de jour à cause du chauffage solaire de la nacelle Nord et donc qu'il fallait modifier cette dernière.




Figure IX-1 – BAMED Techno - Nacelle de mesures du pôle Nord


Figure IX-2 – Nacelle de contrôle et communication du pôle Sud


Figure IX-3 - BPCL prêt au lâcher sur l'aéroport de Mahé (Seychelles)


Figure IX-4 - BPCL prêt au lâcher sur l'aéroport de Mahé (Seychelles)




Figure IX-5 Trajectoires des 5 BPCL de la campagne BAMED Techno - en sombre les vols de nuit

BAMED SOP1

La campagne BAMED SOP1 s'est déroulée de septembre à novembre 2012 depuis l'aéroport de Mahon dans l'ile de Minorque (Baléares, Espagne). A l'automne, les masses d'air remontant du Sud-Ouest se chargent en humidité au-dessus des eaux chaudes de la Méditerranée avant de se déverser en précipitations intenses et souvent catastrophiques sur les massifs montagneux du Sud de l'Europe. L'objectif de BAMED SOP1 était de documenter ce transfert d'humidité avec ces ballons qui suivent les masses d'air comme des traceurs Lagrangiens. Les BPCL étaient donc injectés sur alerte près du sommet de la couche limite atmosphérique (environ 950 hPa, 800 m) en fonction de la situation synoptique. Tout un système de prévisions de trajectoires, utilisant les prévisions météo de Météo-France et du CEPMMT, permettait de définir en temps réel les meilleurs moments de lâcher.
 Compte tenu des enseignements de la campagne BAMED Techno, la nacelle scientifique Nord a été équipée d'un système de ventilation pour faire circuler l'air sur les capteurs de température et d'humidité (figures IX-6 et IX-7).

Voir tous les vols BAMES SOP1 sur http://www.lmd.polytechnique.fr/BAMED/BAMED_BP_Flight_SOP1.php




Figure IX-6 – Nacelle scientifique pôle Nord pour BAMED SOP1


Figure IX-7 – BPCL en cours de gonflage sur son berceau à Mahon



Figure IX-8 Traitement de la surface du ballon par un produit hydrofuge
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Figure IX-9 Six ballons prêts pour un lâcher sur alerte
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Figure IX-10 Lâcher d'un BPCL sur l'aéroport de Mahon 2012

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Figure IX-11 Salle de contrôle, BAMED SOP1 sur l'aéroport de Mahon 2012


Figure IX-12 Trajectoire des 19 ballons de la campagne BAMED SOP1 2012 - en sombre les vols de nuit

BAMED SOP2

15 vols

La SOP2 de HyMeX était dévolue à l'étude des interactions air-mer dans le Golfe du Lion quand les forts vente régionaux, Mistral ou Tramontane, forcent la convection marine et la circulation dans cette partie de la Méditerranée. Quinze ballons furent lancés depuis l'aéroport de Candillargues, à côté de Montpellier, pour suivre l'évolution des masses d'air au dessus de la mer dans ces évènements de vent violent, ces vols servaient aussi à documenter la dynamique de ces vents quand ils débouchent sur la mer (Drobinski et al., 2013).

Voir tous les vols BAMED SOP2 sur http://www.lmd.polytechnique.fr/BAMED/BAMED_BP_Flight_SOP2.php



Figure XI-13 – Schéma de fonctionnement des BPCL BAMED (courtesy N. Verdier/CNES)
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Figure XI-14 – Scéma des nacelle des BPCL BAMED (courtesy N. Verdier/CNES)


Figure XI-15 – Salle de contrôle, BAMED SOP2 sur l'aéroport de Candillargues 2012


Figure XI-16 Nacelle Nord de mesures
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Figure XI-17 Lâcher simultané de deux BPCL à Candillargues


Figure XI-18 Deux BPCL en phase de montée - BAMED SOP2
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Figure XI-19 Trajectoire du BP-42, en traits fins le domaine de vol autorisé
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Figure XI-20 Trajectoires des 15 vols BAMED SOP2

 


 

X - Conclusion

 


Toutes ces campagnes expérimentales ont prouvé, s’il en était besoin, l’efficacité des ballons pressurisés de couche limite pour rapporter une moisson de mesures atmosphériques avec une excellente résolution spatiale et temporelle. Avec des durées et extensions de vol inimaginables pour des vols avion, procédant à des mesures in-situ précises impossibles à réaliser par satellite, les BPCL fournissent des données scientifiques à un coût très réduit, particulièrement au-dessus des océans. Le CNES et les scientifiques français ont acquis dans ce domaine une expérience et une technicité qui les placent au meilleur rang mondial. En continuelle évolution, intégrant toutes les avancées techniques, que ce soit en matière d’enveloppes, de capteurs, de contrôle du vol ou de télécommunications, de nouvelles campagnes expérimentales sont prévues. Beaucoup regrettent cependant l’époque héroïque durant laquelle les projets pouvaient être décidés et mis en œuvre en quelques mois seulement et on pouvait envisager de déployer des flottilles de plusieurs dizaines de ballons. Malheureusement si les capacités techniques ont fait des progrès considérables depuis cette époque, les contraintes budgétaires et même administratives et de sécurité ont aussi fortement augmenté, compromettant en partie l’avantage de ces techniques légères et la participation directe d’équipes universitaires.

 


 

XI- Références

 

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