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 Les balancements de la nacelle d'un ballon-sonde

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Voir aussi : Lâcher d'un ballon-sondeLes dérouleurs de ficelle - Les enveloppes de ballons-sondes - Le décodage des radiosondes -


  Le décodage des radiosondes équipées de GPS pour transmettre leur position avec précision montre parfois que le boîtier de la radiosonde trace dans le ciel des courbes gracieuses et plus ou moins régulières.
Au-delà de l'étonnement et du plaisir à les contempler, les chasseurs de radiosondes ont cherché à comprendre les phénomènes qui produisent ces jolies arabesques.

Constats

  Que ce soit pendant la phase de montée ou celle de descente sous parachute, il arrive de temps en temps que la trajectoire dessinée par SondeMonitor présente de jolies arabesques au lieu d'une trajectoire bien régulière. Il ne s'agit pas d'un défaut du GPS mais d'un mouvement du boîtier de la sonde qui peut être du à deux raisons assez faciles à expliquer : la dérive du parachute lors de la descente, et le balancement régulier semblable au mouvement d'un pendule.


Mouvement de pendule

  Le spectateur qui assiste au lâcher d'une radiosonde dont la ficelle est déroulée, remarque sans surprise que le boîtier se balance au bout de sa ficelle à la manière du pendule d'un sourcier. Cette oscillation tend à s'amortir et la sonde suit alors sagement le ballon, jusqu'à ce qu'une perturbation (lors de la traversée d'une zone de turbulence, par exemple) relance le balancement. C'est le cas de cette M10 de Trappes décodée par Denis F4FKB à l'est de Nevers le 10/02/2013. Le tracé en festons plutôt qu'en forme de sinusoïde est dû au fait que le balancement n'est pas linéaire, de gauche à droite par exemple, mais que le boîtier décrit un cercle et qu'il est entraîné par la masse d'air. La forme globale de la trajectoire a une allure grossièrement trochoïdale, celle d'un ressort étiré et aplati.
  L'amplitude des mouvements est relativement faible (5 à 15m) et ils sont réguliers comme le mouvement du balancier d'une horloge comtoise. Sur la figure ci-contre la M10 a rencontré dans sa descente des vents de directions opposées mais n'en a pas cessé pour autant son balancement régulier.


Interprétation théorique

   En grossissant une courte portion de la trajectoire représentée sur la figure précédente on peut observer plusieurs détails et tenter de les expliquer.
  Sur la figure de droite les arches font partie d'une sorte de trochoïde, courbe parfois appelée à tort épicycloïde, que l'on cite habituellement pour désigner la trace d'un point situé sur une roue (la valve, par exemple) qui roule en ligne droite et sans glissement sur un plan. Ici la courbe décrite n'est qu'une "sorte" de trochoïde car la roue imaginaire patine ou dérape en fonction de la vitesse de déplacement de la sonde dans la masse d'air. Le segment d, d'une longueur de 18m correspond au diamètre des cercles décrits par le boîtier de la radiosonde et les longueurs AB, BC ou CD sont égales à la distance parcourue par la sonde pendant la durée d'une oscillation.
  Dans le fichier de décodage on relève pour les différents points marqués sur la figure :
- A 02:02:28 - 46.9981 / 3.4207 - 1945m -
- B 02:02:40 - 46.9977 / 3.4213 - 1919m -
- C 02:02:52 - 46.9973 / 3.4219 - 1894m -
- D 02:03:03 - 46.9969 / 3.4225 - 1871m -

  Par soustraction il est facile de calculer le temps écoulé entre deux points, c'est à dire la période T du mouvement oscillatoire :
- Entre A et B : T = 40 - 28 = 12s
- Entre C et D : T = 03+60 - 52 = 11s

  Comme le parachute P a une très faible masse et des dimensions réduites, que la ficelle (de 30m de longueur) a une masse faible par rapport à celle du boîtier de la radiosonde, on peut considérer que le système est un pendule simple dont la période se calcule grâce à la formule ci-contre :
T = 2 x 3.14 x RACINE (30 / 9.81) = 11 secondes


Balancement sous le ballon en phase de montée

Si l'on cherche à calculer la période du pendule formé par le ballon, le parachute, la ficelle et le boîtier de la sonde, la valeur trouvée à l'aide de la formule utilisée dans le paragraphe précédent ne correspond pas à celle mesurée lors du décodage. Par exemple, les oscillations de cette radiosonde de Toulouse 86 minutes après son lâcher ont une période mesurée de 16 ou 17 secondes. La longueur de sa ficelle mesurée par le chasseur qui l'a découverte est de 34m et le calcul de la période basée sur cette longueur nous donne 11,7 secondes.
Si la longueur mesurée est exacte, c'est que la formule utilisée ne convient pas. En effet, cette dernière s'applique à un pendule simple alors que l'ensemble formé par le ballon et ce qui lui est attaché est un pendule composé. Contrairement au parachute qui ne pèse que quelques dizaines de grammes, le ballon avec sa masse de 800g ou de 1000g ne doit pas être négligé. Il faut faire appel à une autre méthode de calcul plus complexe qui sort du cadre de cette page.




Le parachute qui plane et la sonde qui se balance

  Lors de la descente il est assez fréquent que le parachute et les restes du ballon se mélange pour former un paquet informe chutant à une vitesse supérieure à 10m/sec. Dans ce cas, la trace est plutôt aléatoire.
 Si le parachute est presque ouvert mais présente une dissymétrie il a tendance à planer comme une feuille morte lestée et tournoie, toujours entraîné par la masse d'air, en descendant à une vitesse modérée. Le boîtier de la sonde, quelque peu ballotté au bout de sa ficelle, va décrire une trajectoire oscillante et très variable. Le balancement de la sonde s'ajoute au déplacement en vol plané du parachute. C'est le cas de la sonde dont la trajectoire est tracée sur la figure ci-contre. On voit que l'amplitude de la sinusoïde est de l'ordre de 50m, alors que la ficelle ne mesure que 25 ou 30m.





Les inconvénients du balancement

Le balancement présente l'avantage de favoriser la ventilation des capteurs de température et d'humidité mais aussi l'inconvénient de perturber les mesures de vents en ajoutant à la vitesse de déplacement de la radiosonde entraînée par la masse d'air la vitesse du boîtier par rapport au ballon, autrement dit, celle induite par le balancement. Comme la période du pendule est grande (de l'ordre de 10 à 20 sec), le lissage des mesures doit être fait sur une assez grande durée et la précision des mesures de vent (direction et vitesse) s'en ressent. Parfois cette précision est insuffisante et un dispositif original doit être mis en oeuvre pour amortir au plus vite ce balancement ou en limiter l'amplitude. Cette solution consiste à fixer sur l'enveloppe du ballon, à la "latitude nord" de 40 ou 60 degrés une masselotte (photo ci-dessous) qui va transformer l'enveloppe du ballon en un pendule composé distinct du pendule formé de la ficelle et du boîtier de la radiosonde. Les deux pendules ont chacun une période propre et leurs balancements respectifs se contrarient, la nature de l'enveloppe en latex favorisant l'amortissement des oscillations de la sonde.
 
 Vitesse et direction du vent mesurée à sept secondes d'intervalle. Un sévère lissage des données est nécessaire.    La masselotte a un diamètre de 10cm environ. (photo de Michel F6GVH)


Remerciements

Les infos et exemples de trajectoires utilisées ici ont été décodées et nous ont été transmises par : F4FKB, F6FHG, F6GVH et F6EYG.