Pourquoi y a-t-il des turbulences en avion ? Les cinq causes principales

L'essentiel

• La turbulence naît de tourbillons dans l'atmosphère et se classe généralement selon sa source : convection, cisaillement du vent en air clair, ondes de montagne, relief et constructions au sol, et sillage des avions [1].
• Sur les compagnies américaines, de 2009 à 2018, la turbulence convective était en cause dans 57,7 % des accidents dus aux turbulences, et la turbulence en air clair dans 28,8 % [1].
• Les courants-jets sont des bandes étroites de vent fort, situées entre 6 et 13 km d'altitude, qui peuvent dépasser 440 km/h (275 mph) [2].
• Quand le cisaillement du vent devient assez fort par rapport à la stabilité de l'air (un nombre de Richardson inférieur à environ 0,25), l'air peut se briser en vagues et en turbulence [3].
• Les ondes de montagne se forment quand un vent de plus de 28 km/h (15 nœuds) souffle à travers une crête ; leurs courants verticaux peuvent atteindre environ 10 m/s (2 000 pieds par minute) [4].
• Les tourbillons de sillage derrière un avion durent en général de 1 à 3 minutes et descendent sous sa trajectoire [5].
• En un point typique de l'Atlantique Nord, la turbulence forte en air clair était 55 % plus fréquente en 2020 qu'en 1979 [3].

Qu'est-ce qu'une turbulence ?

Une turbulence est un mouvement irrégulier et tourbillonnant de l'air, qui secoue l'avion de haut en bas ou de côté. L'air se comporte un peu comme l'eau : il coule en courants, forme des remous autour des obstacles et fait des vagues là où des couches de vitesses différentes se rencontrent. Un avion de ligne qui traverse cet air, c'est comme un bateau qui traverse un lac un jour de vent.

Bonne nouvelle d'abord : pour un passager attaché, c'est rarement dangereux. Les chiffres sont dans notre guide les turbulences en avion sont-elles dangereuses ?

L'étude sur les turbulences du NTSB, le bureau d'enquête américain, les classe en cinq sources [1]. Les voici, de la plus commentée à la plus locale.

1. La turbulence en ciel clair et le courant-jet

La turbulence en air clair, ou en ciel clair (CAT, pour « clear-air turbulence »), est une turbulence aux altitudes moyennes et élevées causée par un fort cisaillement du vent, sans aucun nuage pour la signaler [6]. C'est ce qu'on veut dire quand on raconte que « ça a secoué d'un coup, sans prévenir ».

Le principal responsable est le courant-jet, ou jet-stream. Les courants-jets sont des bandes relativement étroites de vent fort dans la haute atmosphère, généralement vers 9 100 m (30 000 pieds), entre 6 et 13 km d'altitude, et ils peuvent dépasser 440 km/h [2]. Ils se forment là où l'air chaud et l'air froid se rencontrent, et ils sont plus forts en hiver, quand ce contraste de température est le plus marqué [2]. Les guides de l'Organisation météorologique mondiale notent qu'on peut trouver de la turbulence près du bord du courant-jet, aux altitudes où volent les avions de ligne [6].

Pourquoi un vent rapide fait-il des secousses ? Parce que sa vitesse change brusquement avec l'altitude. Là où une couche d'air glisse vite sur une autre, la frontière peut s'enrouler en vagues, comme le vent forme des vagues sur l'eau. Les météorologues mesurent ce point de bascule avec le nombre de Richardson : quand le cisaillement l'emporte sur la stabilité de l'air (une valeur inférieure à environ 0,25), ces ondes de Kelvin-Helmholtz peuvent se former et se briser en turbulence [3].

La CAT est difficile à repérer à l'avance. Elle n'apparaît pas sur le radar météo des avions de ligne : comme le résume le BEA, le bureau d'enquête français, « les turbulences en ciel clair ne peuvent pas être détectées par le radar » [8]. Elle est aussi difficile à observer à distance devant la trajectoire d'un avion [3]. Les modèles météo ne voient pas non plus directement ces petits tourbillons : les prévisionnistes calculent donc des indices de turbulence à partir des vents du modèle [3]. C'est ainsi que fonctionne la prévision des turbulences en avion.

2. Les orages et la convection

La convection, c'est le mouvement vertical de la chaleur et de l'humidité dans l'atmosphère, en particulier par les courants ascendants et descendants [1]. Les orages en sont la forme la plus connue, mais pas la seule [1]. Les petits cumulus d'un après-midi chaud sont des signes plus modestes du même air qui monte. Les guides de l'Organisation météorologique mondiale le disent simplement : la convection s'accompagne toujours de turbulence [6].

C'est la turbulence convective qui compte le plus pour les blessures. Dans l'étude du NTSB sur les accidents dus aux turbulences aux États-Unis de 2009 à 2018, elle était en cause dans 57,7 % d'entre eux [1]. Le BEA arrivait à une conclusion proche : dans son étude d'événements survenus à des avions exploités, immatriculés ou construits en France, ceux ayant causé des blessures graves ou mortelles étaient surtout liés à la traversée de sommets de cumulonimbus, les nuages d'orage, que l'équipage n'avait pas détectés [8]. Les orages sont pourtant la cause la plus évitable : ils apparaissent sur le radar météo, et les pilotes les contournent. C'est l'une des raisons pour lesquelles le voyant « attachez votre ceinture » s'allume souvent près des nuages, pendant la montée et la descente.

3. Les ondes de montagne

Les ondes de montagne sont des oscillations de l'air, vers le haut et vers le bas, du côté sous le vent d'un relief [4]. Imaginez l'eau d'un ruisseau qui passe sur un rocher : des ondulations se forment derrière lui.

Elles se forment surtout quand [4] :

• le vent souffle à moins de 30 degrés de la perpendiculaire à la crête, sans beaucoup changer de direction avec l'altitude ;
• le vent au sommet de la crête dépasse 28 km/h (15 nœuds) et se renforce avec l'altitude ;
• une couche d'air stable (une inversion) se trouve juste au-dessus des montagnes.

Dans ces ondes, les courants verticaux peuvent atteindre environ 10 m/s (2 000 pieds par minute) [4]. Si l'air est humide, des nuages lisses en forme de lentille, les nuages lenticulaires, peuvent se former au sommet des ondes : un signe visible de leur présence [4]. Selon l'étude du BEA, Météo-France considère une onde comme forte quand elle s'accompagne de courants verticaux de 3 m/s ou plus, ou d'une forte turbulence [8]. Les prévisionnistes émettent des prévisions et des alertes d'ondes de montagne, et les cartes de turbulence américaines les incluent [7]. C'est en survolant longuement les Rocheuses, les Alpes ou les Andes que vous avez le plus de chances de les sentir ; voir les routes les plus turbulentes (en anglais).

4. La turbulence mécanique, près du sol

Près du sol, le vent qui frotte sur les collines, les arbres et les bâtiments se brise en tourbillons, comme l'eau qui dévale un lit de rivière rocailleux. Le NTSB parle de turbulence due au relief et aux constructions : le frottement entre l'air et un terrain irrégulier ou des ouvrages humains [1].

Vous la sentez surtout les jours de vent, au décollage et dans les dernières minutes avant l'atterrissage. Elle est brève, c'est elle qui rend parfois les atterrissages un peu chahutés par vent fort, et les pilotes s'y entraînent en permanence.

5. La turbulence de sillage

Toute aile qui porte laisse derrière ses extrémités deux tourbillons qui tournent sur eux-mêmes [5]. Plus l'avion est lourd, plus les tourbillons sont forts, et les gros porteurs produisent les plus puissants [5]. Ces tourbillons ont tendance à descendre après leur formation et à dériver avec le vent, et ils durent en général entre une et trois minutes [5].

Les contrôleurs aériens espacent les avions, avec plus de distance derrière les plus gros, pour laisser aux sillages le temps de descendre et de s'estomper [5]. Dans les rares cas où un avion de ligne croise un ancien sillage en croisière, les passagers sentent en général un à-coup bref et sec, ou un petit roulis.

Le changement climatique augmente-t-il les turbulences ?

Pour la turbulence en air clair, les données disent oui. Une étude de 2023 parue dans Geophysical Research Letters a analysé la période 1979-2020 avec 21 méthodes de calcul de la turbulence [3]. En un point typique de l'Atlantique Nord, la durée annuelle de CAT forte ou plus a augmenté de 55 %, passant de 17,7 à 27,4 heures ; la CAT modérée ou plus a augmenté de 37 %, et la CAT faible ou plus de 17 % [3]. Les hausses les plus fortes concernaient les États-Unis et l'Atlantique Nord [3], que traversent par exemple les vols entre Paris et New York.

La même étude souligne qu'une meilleure prévision devrait réduire le risque de rencontrer vraiment de la turbulence, même s'il y en a davantage [3]. Pour savoir ce que cela change pour votre sécurité, lisez les turbulences en avion sont-elles dangereuses ?

Pourquoi certains vols secouent plus que d'autres

En réunissant ces causes, on explique la plupart des vols agités :

• La ligne : les vols qui longent un courant-jet puissant ou franchissent de grandes chaînes de montagnes rencontrent davantage de CAT et d'ondes de montagne.
• La saison : les courants-jets sont plus forts en hiver [2], tandis que les orages pèsent davantage par temps chaud et humide, l'été en métropole ou à l'arrivée sous les tropiques, aux Antilles ou à La Réunion.
• La phase du vol : la montée et la descente traversent les couches de nuages et les zones orageuses ; environ la moitié des accidents dus aux turbulences sur les compagnies américaines surviennent en descente ou en approche [1].
• L'heure : voir le meilleur moment pour voler avec moins de turbulences (en anglais).

Comment Sorapuff vous aide

La prévision des turbulences sur votre trajet de Sorapuff s'intéresse aux causes que vous ne voyez pas. Elle télécharge les vents du modèle GFS de la NOAA le long de votre route, calcule sur votre téléphone un indice reconnu de turbulence en air clair, et ajoute les alertes d'orages et d'ondes de montagne (SIGMET) et les rapports récents de pilotes d'aviationweather.gov. Elle a été comparée à des milliers de vrais rapports de pilotes, et c'est une probabilité, jamais une promesse. Une prévision est gratuite ; Sorapuff Pro ajoute les prévisions illimitées (prix).

Questions fréquentes

Qu'est-ce qu'une turbulence en ciel clair ?

La turbulence en ciel clair, ou en air clair, ce sont des secousses aux altitudes moyennes et élevées causées par un fort cisaillement du vent, généralement près du courant-jet, dans un air sans nuage pour la signaler. Comme elle est invisible et n'apparaît pas sur le radar météo, c'est elle qui donne l'impression de surgir de nulle part. Les prévisionnistes la calculent à partir des vents des modèles météo, et les pilotes la signalent par des rapports.

Pourquoi les pilotes ne voient-ils pas les turbulences au radar ?

Le radar météo des avions de ligne détecte surtout les gouttes d'eau et les précipitations : il montre donc clairement les orages et les fortes pluies. La turbulence en ciel clair se produit dans un air sec et sans nuage, où il n'y a rien pour renvoyer le signal du radar. Pour elle, les pilotes s'appuient donc sur les prévisions et sur les rapports des autres avions.

Le courant-jet provoque-t-il des turbulences ?

Souvent, oui. Le courant-jet lui-même est rapide mais peut être calme en son cœur. La turbulence se forme plutôt sur ses bords, là où la vitesse du vent change brusquement avec l'altitude ou sur la distance. Au retour d'Amérique, sur un New York–Paris par exemple, les compagnies aiment profiter du courant-jet pour son vent arrière, et les équipages changent d'altitude pour trouver un air plus calme quand ça secoue.

Pourquoi ça secoue plus au-dessus des montagnes ?

Le vent qui franchit une chaîne de montagnes peut faire osciller l'air de haut en bas derrière elle, comme les ondulations derrière un rocher dans un ruisseau. Ces ondes de montagne se forment surtout quand un vent fort souffle perpendiculairement à une crête et qu'une couche d'air stable la surmonte. Les prévisionnistes émettent des alertes, et les pilotes choisissent altitudes et routes pour que le vol reste le plus calme possible.

Un autre avion peut-il provoquer des turbulences ?

Oui. Toute aile laisse derrière elle deux tourbillons, plus forts derrière les avions lourds. Ils descendent et s'estompent en quelques minutes. Les contrôleurs aériens espacent les avions pour laisser aux sillages le temps de se dissiper : les passagers les sentent donc rarement, et quand cela arrive, c'est en général un à-coup bref, sans conséquence pour un passager attaché.

Pourquoi y a-t-il des turbulences à l'atterrissage ?

Près du sol, le vent frotte sur le relief, les arbres et les bâtiments et forme des remous : c'est la turbulence mécanique, fréquente les jours de vent, brève et bien connue des pilotes. En descente, l'avion traverse aussi les couches de nuages et parfois des zones orageuses. C'est pourquoi le voyant « attachez votre ceinture » s'allume tôt avant l'atterrissage : gardez-la bien attachée jusqu'à l'arrêt complet.

Sources

1. Preventing Turbulence-Related Injuries in Air Carrier Operations Conducted Under Title 14 CFR Part 121, Safety Research Report SS-21/01 (2021), NTSB
2. The Jet Stream, NOAA JetStream: An Online School for Weather
3. Evidence for Large Increases in Clear-Air Turbulence Over the Past Four Decades, Geophysical Research Letters (2023)
4. Mountain Waves, SKYbrary Aviation Safety
5. Wake Vortex Turbulence, SKYbrary Aviation Safety
6. Aviation Hazards: Turbulence and Wind Shear, World Meteorological Organization
7. Graphical Forecasts for Aviation help: Turbulence, Aviation Weather Center (NOAA)
8. Étude sur les turbulences en transport aérien (28 août 2008), Bureau d'Enquêtes et d'Analyses pour la sécurité de l'aviation civile (BEA)