Pourquoi certaines traînées d'avion disparaissent vite et d'autres durent longtemps ?
― L'humidité de l'air en altitude fait la différence
En regardant le ciel, on voit parfois une longue ligne blanche (une traînée de condensation) derrière un avion. Certains jours, elle s'évanouit presque aussitôt ; d'autres jours, elle reste des heures dans le ciel, s'élargit peu à peu et finit par ressembler à un nuage. C'est pourtant la même traînée. Pourquoi disparaît-elle de façon si différente ?
Un jour de beau temps, en regardant un avion, avez-vous déjà vu une ligne blanche bien droite s'étirer derrière lui ? Certains jours, elle disparaît vite. D'autres jours, elle s'attarde, s'étale et forme une fine nappe nuageuse.
Pourtant, la façon de voler des avions et le fonctionnement des moteurs ne changent guère. Pourquoi la durée de vie de la traînée varie-t-elle autant d'un jour à l'autre ?
Les gaz d'échappement des moteurs d'avion contiennent de la vapeur d'eau. Dans l'air froid en altitude, elle gèle instantanément en minuscules grains de glace, selon les explications habituelles.
Si l'air ambiant est déjà humide, les grains de glace subsistent ; s'il est sec, ils s'évaporent aussitôt et la traînée disparaît, pense-t-on.
Voyons pas à pas comment cette « humidité de l'air ambiant » fait toute la différence.
La vraie nature d'une traînée : des grains de glace nés de la vapeur d'eau des gaz d'échappement
En brûlant leur carburant, les réacteurs d'avion rejettent de la vapeur d'eau dans leurs gaz d'échappement. À quelques milliers, voire dix mille mètres d'altitude, l'air est extrêmement froid, à plusieurs dizaines de degrés sous zéro. Au contact de cet air, la vapeur d'eau des gaz gèle aussitôt en d'innombrables petits grains de glace (cristaux de glace). Ce sont eux que nous voyons comme une ligne blanche : c'est, dit-on, la vraie nature de la traînée.
Pourquoi les grains de glace formés en altitude disparaissent-ils parfois vite ?
Même tout juste formés, les grains de glace retournent vite à l'état gazeux (vapeur d'eau) si l'air ambiant est sec, c'est-à-dire pauvre en vapeur d'eau. Ce passage direct du solide au gaz, sans phase liquide, s'appelle la « sublimation ». Dans un air sec, les grains se subliment en masse et la traînée devient invisible en un instant.
Cela dépend de l'humidité de l'air à cette altitude, à ce moment-là.
Pourquoi certaines traînées durent-elles longtemps ?
En revanche, si l'air ambiant est déjà humide (riche en vapeur d'eau), la situation change. Quand l'air est presque saturé de vapeur d'eau, les grains de glace ont du mal à redevenir gaz et gardent leur forme. Mieux : la vapeur d'eau environnante peut se fixer sur eux, les faire grossir et rendre la traînée de plus en plus épaisse et large. Avec le temps, le vent l'étale, et elle peut se transformer en un mince voile allongé, semblable à un cirrus naturel.
Les traînées qui durent et s'étalent (les cirrus de traînée) pourraient agir comme une couverture, en retenant la chaleur qui s'échappe du sol vers l'espace. Des recherches examinent si l'on pourrait réduire cet effet en ajustant les routes et les altitudes de vol.
Ce que vous pouvez vérifier vous-même
- Un jour de beau temps où l'on voit des traînées, observez et notez combien de temps elles restent dans le ciel.
- Le même jour, consultez la météo pour connaître l'humidité et l'approche éventuelle de la pluie ou des nuages.
- Répétez pendant plusieurs jours et comparez le temps des jours où la traînée a duré et celui des jours où elle a vite disparu.
Un dicton veut que lorsque les traînées durent, le temps se gâte bientôt ; on pense qu'il est lié à l'humidité de l'air en altitude.
En résumé
Une traînée est faite d'innombrables grains de glace, formés quand la vapeur d'eau des gaz d'échappement gèle dans l'air froid en altitude. Si l'air ambiant est sec, les grains se subliment vite et disparaissent. S'il est humide, les grains subsistent, captent la vapeur d'eau voisine, grossissent et donnent une longue traînée persistante, pense-t-on.
La longueur d'une traînée est le témoignage laissé par l'avion : l'humidité de l'air, ce jour-là, à cette altitude.
Pour aller plus loin ― termes, chiffres et liens avec les manuelsDu collège aux recherches en cours : le niveau de chaque passage est indiqué
- CollègeAu programme de sciences du collège
- LycéeAu programme de « sciences de la Terre de base » au lycée
- Lycée+Approfondissements ou encadrés des manuels de lycée
- Univ.Hors programme du lycée : cours spécialisé d'université (physique des nuages)
- RechercheSujets encore étudiés, pas même enseignés à l'université comme acquis
CollègeVocabulaire : les mots des traînées
- Vapeur d'eau : eau à l'état gazeux. Elle est invisible.
- Sublimation : passage direct d'un solide à l'état gazeux, sans phase liquide (ou l'inverse).
- Humidité : proportion qui indique la quantité de vapeur d'eau contenue dans l'air.
LycéeVérifier par la formule : dire, d'après l'humidité, si la traînée va persister
Ce qui décide de la durée d'une traînée, c'est que les grains de glace grossissent ou disparaissent. Calculons où passe cette frontière, à partir de l'humidité en altitude.
| En symboles | HR glace ＝ (e ÷ e glace) × 100 |
| En mots | Humidité par rapport à la glace ＝ pression de la vapeur d'eau dans l'air ÷ pression de vapeur en équilibre à la surface de la glace × 100 |
| D'où vient-elle ? | À la surface de la glace, les molécules d'eau qui s'échappent et celles qui reviennent s'équilibrent. La pression de cet équilibre est la pression de vapeur saturante ; sa variation avec la température obéit à la relation de Clausius-Clapeyron. Il faut plus d'énergie pour s'échapper de la glace que de l'eau liquide : à même température, la pression d'équilibre est donc plus basse sur la glace. |
| HR glace | Humidité par rapport à la glace. Unité : pourcentage |
| e | Pression de la vapeur d'eau dans l'air. Unité : hectopascal |
| e glace | Pression de vapeur en équilibre à la surface de la glace. Unité : hectopascal |
| Température à l'altitude de vol | environ −50 ℃ |
| Rapport entre pression d'équilibre sur la glace et sur l'eau à cette température | environ 0,62 |
| Exemple d'air sec (humidité par rapport à l'eau, celle des bulletins météo) | 40 % |
| Exemple d'air humide (de même, par rapport à l'eau) | 70 % |
| Humidité par rapport à l'eau qui donne exactement la saturation pour la glace | 0,62 × 100 ＝ 62 |
| Humidité par rapport à la glace de l'air sec | 40 ÷ 0,62 ≒ 64,5 |
| Humidité par rapport à la glace de l'air humide | 70 ÷ 0,62 ≒ 112,9 |
③ Ce que cela signifie concrètement : la frontière se situe à 62 % d'humidité par rapport à l'eau. Dans un air à 40 %, l'humidité par rapport à la glace n'atteint qu'environ 64,5 % : les grains se subliment et disparaissent. C'est la traînée qui s'efface vite. Dans un air à 70 %, elle atteint environ 112,9 % : les grains captent la vapeur d'eau et grossissent. C'est la traînée qui dure des dizaines de minutes et s'étale. Ce qui est amusant, c'est qu'au sol, « 70 % » ne paraît pas très humide, alors que pour la glace, c'est plus qu'assez.
※ Le rapport 0,62 est une valeur indicative autour de −50 ℃. Plus la température monte, plus il se rapproche de 1, et plus l'humidité seuil augmente.
Lycée+L'« humidité par rapport à la glace » : une notion plus précise
Pour savoir précisément si les grains de glace d'une traînée vont subsister sans fondre, on utilise souvent non pas l'humidité par rapport à l'eau, mais l'humidité par rapport à la glace (proportion calculée à partir de la quantité de vapeur en équilibre à la surface de la glace). Plus elle est élevée, moins les grains se subliment et plus la traînée a de chances de persister, pense-t-on.
Univ.Formation et croissance des cristaux de glace en physique des nuages
En physique des nuages, on étudie le rôle des particules fines des gaz d'échappement (suies, etc.) comme point de départ des grains de glace (noyaux de condensation, noyaux glaçogènes). Selon les propriétés et la quantité de ces particules, le nombre et la taille des grains de glace changent, pense-t-on.
La condition pour qu'une traînée se forme porte un nom : le critère de Schmidt-Appleman. Il teste si, pendant que les gaz d'échappement se mélangent à l'air ambiant, la saturation par rapport à l'eau est dépassée ne serait-ce qu'une fois ; il repose sur la relation de Clausius-Clapeyron. La persistance du nuage formé dépend, elle, de l'humidité par rapport à la glace calculée plus haut (sursaturation en glace).
📖 Démonstration de la formule et pour aller plus loin : Relation de Clausius-Clapeyron (Wikipédia en japonais) ／ Traînée de condensation (Wikipédia en japonais)
RechercheCe qui reste incertain
- L'influence des traînées étalées (cirrus de traînée) sur le climat de la planète entière reste un sujet de recherche en climatologie.
- Le choix de routes et d'altitudes de vol qui limitent l'impact climatique est étudié à la fois par l'ingénierie aéronautique et la météorologie.
- On continue aussi de développer des techniques pour prévoir plus précisément la répartition de l'humidité en altitude, donc la formation et la persistance des traînées.
Même une traînée qui file dans le ciel cache un riche sujet de recherche, à la croisée de la physique des nuages et de la climatologie.
Liens avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière et chapitre | Où dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences : changements d'état de l'eau | Vocabulaire de base : vapeur d'eau, sublimation, humidité |
| Lycée | Sciences de la Terre de base : humidité | Calcul de l'humidité par rapport à la glace pour juger de la persistance |
| Lycée+ | Sciences de la Terre : formation des nuages (approfondissement) | La notion d'humidité par rapport à la glace |
| Univ. | Physique des nuages | Formation de noyaux glaçogènes par les particules d'échappement |
| Recherche | Climatologie, ingénierie aéronautique (en cours) | Effet climatique des cirrus de traînée, optimisation des routes |
- Explications sur l'humidité et la vapeur d'eau saturante dans les manuels de sciences de la Terre.
- Explications sur les conditions de formation des traînées de condensation dans les documents de météorologie.
- Revue de recherche sur la formation des cristaux de glace en physique des nuages.
- Revue de recherche sur l'effet radiatif des cirrus de traînée en climatologie.
- Explications sur les recherches visant à réduire l'impact climatique par l'optimisation des routes, dans les documents d'ingénierie aéronautique.
※ Les valeurs de vapeur d'eau et d'humidité sont indicatives, pour comprendre le mécanisme. La durée réelle d'une traînée peut varier selon la température, l'humidité, le vent et bien d'autres conditions.
※ Cet article est une vulgarisation scientifique. Quand vous observez le ciel, ne regardez jamais le Soleil directement et restez attentif à votre sécurité.