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Avion : les traînées de condensation dans le ciel

Dossier - Peur : l'avion pour les trouillards
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Vous avez peur en avion ? Peut-être est-ce la crainte de l’inconnu. Vous ne connaissez probablement pas encore tous les principes physiques qui régissent la portance de l’appareil. Avec ce dossier, vous saurez tout des détails du vol pour exorciser vos appréhensions en avion, des turbulences aux orages en passant par les lois de Newton.

  
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Que vous aperceviez ou non un autre avion (il est tout à fait possible de ne pas en voir un seul pendant votre vol, en dehors de l'aéroport), vous pourrez peut-être tout de même voir les traces de son passage.

Traînées de condensation. © Bildagentur Zoonar GmbH - Shutterstock

Si vous regardez le ciel depuis le sol, vous verrez souvent ce qui semble être de fines lignes de nuage traversant le ciel comme une route aérienne. Ce sont des traînées de condensation, des traînées de gouttelettes d'eau qu'un avion laisse derrière lui. Pendant votre vol, votre avion peut couper une traînée de condensation ou passer très près de l'une d'elles, ce qui vous permet de voir le chemin qu'a emprunté un avion, sans connaître sa direction, à moins qu'il ne soit encore en vue. La dispersion de la traînée est le meilleur moyen de déterminer la direction dans laquelle allait l'avion : plus les lignes sont serrées, plus on est proche de l'avion. Il peut y avoir plusieurs traînées provenant des différents moteurs qui se mélangeront plus loin, comme l'explique l'image ci-dessous.

Deux types de traînées de condensation peuvent se former derrière un avion à réaction. © DP

Sur l'avion du haut, on peut voir la condensation due à la variation de pression au bout des ailes qui refroidit l'air suffisamment pour qu'il sature. Dans un air dépourvu de nuages, mais avec une humidité relative proche de 100 %, les changements de pression générés par le vortex formé à l'extrémité de l'aile peuvent en effet provoquer une traînée de vapeur condensée. Celle-ci est due à une chute de température qui induit une saturation complète de l'air qui entraîne la nucléation de l'eau vapeur en microgouttelettes. C'est un phénomène aérodynamique rare (plutôt en zone tropicale et au-dessus de la mer dans un air très humide) et qui produit des traînées beaucoup moins prononcées que celles formées par les gaz d'échappement de réacteurs. En bas de l'image, est représentée la condensation des gaz d'échappement humides des réacteurs dans l'air ambiant d'altitude très froid.

Des cristaux de glace se forment

On appelle aussi ces traînées par leur nom anglophone contrails, qui est la contraction de condensation trails, équivalent états-unien de l'ancien terme britannique vapour trails, qui signifie « traînées de vapeur », que l'on utilise parfois en français. De ces deux termes, le plus précis reste « traînée de condensation ». On ne peut pas voir la vapeur, qui est la forme gazeuse de l'eau, puisqu'elle est totalement transparente. Ce n'est que lorsque des gouttelettes d'eau ou de petits cristaux de glace se forment que la traînée devient visible. Une traînée de condensation est, pour simplifier, un nuage artificiel avec une forme étrange.

Les traînées de condensation sont des nuages artificiels produits par la condensation émise par les moteurs d’avions. © André Karwath, Wikimedia Commons, cc by sa 3.0

Pour comprendre comment les traînées de condensation se forment, il nous faut revoir comment fonctionne un moteur d'avion. Le carburant est consommé à l'intérieur de la chambre de combustion. Si on laisse de côté les impuretés, le carburant est un mélange d'hydrocarbures. Bien que les hydrocarbures puissent être de grosses molécules, ils ne sont constitués que de deux types d'éléments, l'hydrogène et le carbone, d'où leur nom.

Quand un hydrocarbure brûle, ses atomes sont combinés à des atomes d'oxygène présents dans l'air. Ce que l'on désigne par « brûler » n'est qu'une réaction chimique impliquant la combinaison d'une « matière » avec de l'oxygène, et qui produit de la chaleur. Les atomes de carbone s'associent à ceux de l'oxygène pour former un gaz à effet de serre, le dioxyde de carbone, et les atomes d'hydrogène se joignent à l'oxygène pour former H2O, c'est-à-dire de l'eau.

Une condensation de la vapeur

À cause de la haute température due à la combustion, cette eau est émise sous forme de gaz, mais quand elle est rejetée derrière l'avion et qu'elle rencontre l'air froid, la vapeur va se condenser et former de petites gouttelettes ou, s'il fait assez froid, de petits cristaux de glace. Les traînées de condensation ont certaines limites. Elles ne jaillissent pas directement des moteurs de l’avion. Le gaz met du temps à refroidir et à former des gouttelettes, elles se forment donc à une certaine distance derrière l'avion. De plus, elles apparaissent rarement en dessous de trois kilomètres, car la température doit être assez basse (et donc l'avion en haute altitude) pour refroidir vite la vapeur avant qu'elle ne se disperse.

Les traînées de condensation des quadriréacteurs fusionnent rapidement par paires. © DP

En principe, tout avion émet des traînées de condensation, et vous pouvez le voir si vous vous trouvez suffisamment près de l'avion qui en produit. Mais elles fusionnent vite, d'abord pour n'en former qu'une par aile si l'avion possède quatre moteurs, puis plus qu'une pour tout l'avion, qui est la forme sous laquelle vous avez le plus chance de la voir du sol. Quand l'avion est à basse altitude, bien plus bas que là où se forment les traînées de condensation, il vous sera possible de voir ce qui ressemble à une traînée de condensation venant du bout des ailes de votre avion. Cela a parfois semé la panique à bord quand des passagers ont cru que l'avion était en feu. Mais ce que vous voyez n'est ni de la fumée ni une traînée de condensation classique.

Il s'agit en fait d'un effet visuel des tourbillons marginaux, ces vortex au bout des ailes qui laissent une traînée de turbulences en spirale et qui sont la principale raison de l'écart entre les avions au décollage et à l'atterrissage. Bien qu'elles ne soient en aucun cas aussi communes que les traînées de condensation, ces traînées de vortex se forment quand la chute de pression et de température à l'intérieur du vortex fait se condenser la vapeur d'eau. Contrairement aux traînées de condensation, cette vapeur d'eau ne vient pas des moteurs de l'avion, mais de l'humidité naturelle dans l'air qui est généralement plus élevée à basse altitude.