Une intrigante jupe blanche autour d'un chasseur

Cette image, choisie parmi les « photos du mois » par Reuters, m'attire l'oeil depuis plusieurs semaines. Et me plonge dans un abîme d'interrogations sur le phénomène scientifique à l'oeuvre.

Elle a été prise lors d'un show aérien à Wantagh, aux Etats-Unis. Dans la légende fournie, l'appareil est un F/A-18F Super Hornet de la firme McDonnell Douglas. Reuters nous renseigne sur le nom des deux têtes d'épingles qu'on distingue à l'intérieur du cockpit (à gauche, le lieutenant Justin Halligan : à droite, le lieutenant Michael Witt).

Sur le phénomène lui-même, une sobre description (« un anneau de vapeur d'eau » formé alors que l'avion « passe le mur du son »), mais pas un mot d'explications. On ne sait pas non plus comment Christopher Pasatieri, le photographe, s'est débrouillé pour « shooter » ainsi à un instant aussi décisif.

La singulière « singularité » de Ludwig Prandtl et d'Herman Glauert

Je ne suis pas le seul à avoir remarqué ce cliché : sur Slate.fr, il a récemment été choisi pour illustrer un passionnant éclairage de Frédéric Filloux sur la dégradation des conditions de vol à haute altitude. Le même renvoie vers une impressionnante vidéo Youtube, où l'on voie des cônes blancs comparables se former autour d'un avion de chasse. (Voir la vidéo)

Dans les commentaires publiés sous la vidéo, un internaute m'a mis sur la bonne piste. Voici une traduction rapide de son explication :

« Le nuage de vapeur est appelé “singularité de Prandtl-Glauert”, et est tout à fait normal. L'onde de choc générée par la compression de l'air près de la source de perturbation est adiabatique.

La hausse de la pression augmente le point de condensation de la vapeur d'eau à un rythme plus élevé que l'augmentation de la chaleur. Lorsque ces deux augmentations interagissent, le nuage de condensation se forme. »

Ahem. Me voilà bien avancé. Outre des collections de photos, une rapide recherche autour de cette singulière « singularité » me renvoie vers une une fiche Wikipédia qui ne m'aide pas beaucoup (il est question d'« ondes en N », et à nouveau, de phénomène adiabatique), et vers un débat de passionnés sur un forum d'astronautique.

Je suis forcé d'admettre qu'il me manque quelques années d'études de mathématiques pour comprendre vraiment ce qu'il se passe sur cette image. A moins qu'un riverain de Rue89 très pédagogue soit capable de vulgariser avec assez de talent ce phénomène ?

► Addendum le 21/6 à 13h46. De nombreux riverains se sont prêtés au jeu, merci notamment à Homere, Pierrrrre, Robinson, Gotch… Pour comprendre ce qui se passe sur cette photo, cette mise au point de CourageuxAnonyme est indispensable :

« Ce qui forme le cône visible et blanc, ce n'est pas de la vapeur d'eau. La vapeur d'eau est invisible. Quand on croit la voir, ce que l'on voit c'est en fait la condensation de cette vapeur d'eau. La vapeur, se refroidissant par exemple, se retransforme en eau liquide sous la forme de minuscules gouttelettes, formant par exemple une brume. »

J'ai modifié l'article ci-dessus en conséquence. Pour l'explication en elle-même du phénomène, Poul est assez convaincant :

« Pour le comprendre, il faut s'imaginer que de l'eau, c'est de la vapeur d'eau compressée. En effet, l'état solide, liquide puis gazeux correspondent a des état de “ compression ”, ou “ compacité ” disons, de la matière. (…)

[Dans la vapeur d'eau, les molécules sont très éloignées] les unes des autres, elle ne se “parlent” plus du tout, c'est un gaz. Plus on laisse de la place au molécules (plus on baisse la pression), plus elles ont tendance a s'éloigner les unes des autres (c'est la même chose avec les hommes dans le métro).

La température, elle, caractérise l'agitation de ces molécules, et cela influe directement sur la distance entres elles (pareil aussi avec les hommes, si tu t'agites trop, les gens s'éloignent ! ), donc sur l'état physique (solide, liquide, gazeux, dans le sens croissant de température).

Revenons à nos avions. La vitesse du son caractérise la vitesse à laquelle une onde acoustique va se propager. Je rappelle qu'une onde acoustique, c'est un déplacement des molécules de l'air qui provoquent la propagations de séries de surpression et de sous-pressions.

Une molécule avance, en laissant un vide derrière elle, donc sous-pression, se colle a la voisine, donc surpression, et cette voisine à son tour bouge vers sa voisine, etc.

Ici, notre avion avance à la vitesse du son, donc il laisse derrière lui un vide que les molécules d'air n'ont pas le temps de combler.

Il y a une diminution de pression énorme, mais qui ce traduit ici par une énorme chute de température (car “adiabatique”, c'est compliqué, mais disons qu'à nombre de molécules constantes, si on baisse la pression, on baisse la température, les molécules sont plus tranquilles, se percutent moins, donc c'est moins chaud).

Cette chute de température peut suffire aux molécules d'eau pour retourner à l'état liquide (enfin presque, au “point de rosée” en fait, qui est un peu un état liquide partiel : on a des gouttes à des endroits, pas à d'autres).

Dès qu'on est trop loin de l'avion, les molécules d'air ont eu le temps de reprendre la place de l'avion et de revenir à des conditions de température et de pression normales, et le cône disparait. »

Pour comprendre mieux ce qui se passe au moment où l'avion atteint la vitesse du son, Siko a fait un petit dessin :

« En gros, l'avion avance à la même vitesse que le bruit qu'il crée, ce qui crée une onde renforcée : ) ) ) ) ) devient )))))))))) puis ) »

Et pourquoi cette forme de cône ? Fredo fait une comparaison éclairante avec la « vague d'étrave » que laisse un bateau sur la surface de l'eau… mais en trois dimensions.

Enfin, pour ceux que les équations ne rebutent pas, il revient plus longuement sur le rapport entre « variation de la pression » et « variation de la température » via « la loi des gaz parfaits » :

« Le phénomène est le résultat d'une variation brusque des arguments de la loi des gaz parfaits et du point de rosée.

Avec :

• P : pression
• V : volume
• n : quantité de matière
• R : constante (dont la valeur numérique import peu ici)
• T : température

Celle-ci décrit le phénomène adiabatique, c'est à dire, pour notre exemple, lorsque la pression diminue, les autres facteurs demeurant constants, la température diminue également. (…)

[Dans la dépression créée par l'avion], selon la loi des gaz parfaits, il y a une baisse de température. Si le point de rosée est dépassé, la vapeur d'eau d'entre en condensation sous forme de fines gouttelettes. »

Je recommande aux passionnés de sciences de plonger dans les commentaires, où les débats ont l'air passionnants… même si cette fois, ils me dépassent vraiment !

Photo : « Singularité de Prandtl-Glauert » sur un avion de chasse F/A-18F Super Hornet (Christopher Pasatieri/Reuters)