Detecting clear-air turbulence via beam broadening in a Rayleigh-scattering lidar system
Cet article propose et valide un nouveau système lidar à diffusion Rayleigh qui utilise des mesures d'élargissement du faisceau pour détecter la turbulence de l'air clair modérée à des distances dépassant 30 km, améliorant considérablement les méthodes précédentes pour permettre aux avions commerciaux de sécuriser les cabines avant de rencontrer la turbulence.
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Imaginez le ciel comme un immense océan invisible. La plupart du temps, il semble parfaitement lisse et calme à nos yeux, mais cachées au sein de cette étendue bleue et limpide se trouvent des vagues et des courants invisibles qui peuvent soudainement secouer un avion, renversant le café et terrifiant les passagers. C'est ce qu'on appelle la « turbulence en air clair » (TAC). Contrairement aux nuages d'orage, que l'on peut voir et éviter grâce au radar, la turbulence en air clair est un fantôme ; elle ne laisse aucune trace sur les radars aéronautiques standards car il n'y a ni gouttes de pluie ni particules de poussière pour renvoyer les ondes radio. Pendant des décennies, la seule façon de savoir que l'on allait heurter une secousse était d'attendre que l'avion qui vous précédait la signale, laissant tous les autres voler à l'aveugle dans la zone de danger.
Pour capturer ces fantômes invisibles, les scientifiques se tournent vers un outil appelé « Lidar », qui est comme une lampe torche de haute technologie utilisant des faisceaux laser au lieu d'ondes radio. Alors que le radar rebondit sur de gros objets comme la pluie, le Lidar peut rebondir sur les molécules d'air minuscules et invisibles elles-mêmes. Cependant, les tentatives précédentes pour utiliser le Lidar afin de détecter ces bosses invisibles étaient comme essayer d'entendre un chuchotement dans une pièce bruyante ; elles ne pouvaient détecter la turbulence que de très près, généralement à moins de 15 kilomètres. Ce n'est pas assez loin pour donner à un pilote le temps d'avertir les passagers et de boucler les ceintures avant que le voyage ne devienne mouvementé. La grande question que se posent les scientifiques est la suivante : pouvons-nous construire un système Lidar suffisamment sensible pour « voir » ces courants d'air invisibles de loin, spécifiquement en observant comment le faisceau laser lui-même est déformé lorsqu'il traverse l'air turbulent ?
Cet article propose une nouvelle manière ingénieuse de répondre à cette question. Au lieu d'essayer de mesurer directement les changements minuscules et difficiles à détecter de la densité de l'air, les auteurs suggèrent d'observer comment le faisceau laser s'« éparpille » ou devient flou lorsqu'il passe à travers la turbulence, tout comme le faisceau d'une lampe torche paraît diffus lorsqu'il est projeté à travers le brouillard. Ils appellent cela l'« élargissement du faisceau ». En utilisant un détecteur spécial qui divise la lumière de retour en un cercle intérieur et un anneau extérieur, le système peut mesurer précisément de combien le faisceau s'est élargi. Si l'anneau extérieur reçoit beaucoup plus de lumière que le cercle intérieur, cela signifie que le faisceau a été agité par la turbulence.
Les auteurs ont réalisé des simulations informatiques détaillées pour voir si cette idée pourrait fonctionner avec un système assez petit et léger pour être installé sur un avion commercial. Leurs résultats suggèrent que, selon des hypothèses raisonnables, cette méthode pourrait détecter une turbulence modérée à plus de 30 kilomètres de distance. Cette distance se traduit par environ deux minutes de temps de vol aux vitesses de croisière typiques, ce qui changerait la donne, donnant aux équipages le temps de sécuriser la cabine avant que la turbulence ne frappe. Pour prouver que leur mathématique était solide, l'équipe a également construit une expérience de laboratoire à petite échelle. Ils ont envoyé des impulsions laser à travers l'air dans leur laboratoire et ont mesuré la quantité de lumière qui revenait, constatant que leurs mesures réelles correspondaient presque parfaitement à leurs prédictions théoriques. Bien que la portée de détection de 30 kilomètres soit actuellement basée sur des simulations plutôt que sur un test de vol à pleine échelle, la réussite de l'expérience en laboratoire donne une preuve solide que leur modèle optique est correct. Cette approche se distingue des méthodes plus anciennes car elle ne repose pas sur des gouttelettes de poussière ou d'eau (aérosols) pour fonctionner, ce qui la rend efficace même dans l'air pur de haute altitude où volent les avions. L'article conclut que cette technique d'« élargissement du faisceau » est une voie prometteuse et viable pour donner aux avions une paire de « yeux à rayons X » pour le ciel invisible.
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