Caractérisation de l'activité électrique des orages et de leur impact vis à vis de l'aéronautique.

Characterization of the electrical activity of storms and their impact on aeronautics.

• Auteur / Autrice : François Mayer
• Direction : Thomas Farges
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Acoustique
• Date : Inscription en doctorat le 02/10/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris (2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ONERA - Département Aérodynamique, Aéroélasticité, Acoustique

Mots clés

Mots clés libres

Eclair

Estimation de courant

Estimation de production de NOx

Lightning

Current estimation

NOx production estimation

Résumé

Dans le monde se produisent environ 50 éclairs par seconde qui émettent des ondes électromagnétiques et acoustiques ainsi que des gaz à effet de serre comme les oxydes d'azote (NOx).Le but de cette thèse est d'améliorer la connaissance des éclairs pour apporter des éléments de réponses à des problématiques actuelles du secteur aéronautique, en pleine évolution, comme un meilleur dimensionnement des contraintes des avions liées à la foudre, et une meilleure estimation de la production de NOx par les éclairs en regard de celle des avions. L'estimation de cette production est encore faite de façon grossière, notamment car l'accès à la forme tridimensionnelle de l'éclair reste marginal et les courants électriques qui y circulent peu caractérisés. La connaissance de la répartition de ces émissions à l'altitude de vol des avions est essentielle pour bien estimer l'impact des émissions aéronautiques sur le climat. La caractérisation des courants circulant dans les éclairs intra-nuages quant à elle, tant en amplitude qu'en variation temporelle, permettrait de confirmer ou d'infirmer l'hypothèse prise au niveau certification, à savoir que les coups de foudre au sol produisent des courants plus intenses que les décharges électriques des éclairs de type intra-nuage. Pour progresser sur ces questions, il est nécessaire de mieux évaluer la production de NOx par les éclairs intranuage (IC), qui sont les plus nombreux, afin de mieux extrapoler leur impact au niveau global. Il est nécessaire aussi de mieux caractériser les éclairs, c'est-à-dire connaître leur géométrie à trois dimensions et le niveau de courant produit par les décharges intra-nuages. Le doctorant aura pour objectifs de répondre à ces questions. Dans un premier temps, il participera à des mesures en laboratoire à l'ONERA pour mesurer la production de NOx par unité de longueur du canal en fonction du niveau de courant et de sa forme (impulsionnelle ou continue). Les résultats de cette étude seront ensuite utilisés comme données d'entrée pour l'estimation de la production de NOx par unité de longueur d'éclair. Dans un second temps, il prendra en main les outils de traitement des mesures acoustiques réalisées par un réseau de microphones du CEA, ainsi que les chaînes de post-traitements de l'interféromètre BILI (Broadband Interferometer Lightning Imagery), actuellement en phase de développement au sein de l'équipe FPA de l'ONERA. Le but est de mettre en place une campagne de mesures de caractérisation d'éclairs en région parisienne qui sera menée avec l'interféromètre BILI (dans la gamme des très hautes fréquences radio : 60-75 MHz) et le réseau de microphones du CEA. Ces instruments seront complétés par des capteurs basse-fréquence (BF< 1 MHz) pour l'estimation des courants et des caméras rapides pour visualiser la partie basse des éclairs au moment de leur connexion au sol. Le doctorant mènera l'analyse des mesures. L'objectif sera de développer une méthode pour estimer les courants des éclairs intra-nuage, via des modèles de rayonnement électromagnétique des différentes parties de l'éclair (canal connecté au sol, précurseurs, décharge de jonction) croisés à des reconstructions tridimensionnelles d'éclairs (nuage-sol et intra-nuage) réalisées durant la campagne de mesures.

Around the world, around 50 lightning strikes occur per second which emit electromagnetic and acoustic waves as well as greenhouse gases such as nitrogen oxides (NOx). The aim of this thesis is to improve the knowledge of lightning to provide elements of response to current issues in the rapidly evolving aeronautics sector, such as better dimensioning of aircraft constraints linked to lightning, and a better estimate of the production of NOx by lightning compared to that of aircraft. The estimation of this production is still made roughly, in particular because access to the three-dimensional form of lightning remains marginal and the electric currents which circulate there are poorly characterized. Knowledge of the distribution of these emissions at the flight altitude of aircraft is essential to properly estimate the impact of aeronautical emissions on the climate. The characterization of the currents circulating in intra-cloud lightning, both in amplitude and in temporal variation, would make it possible to confirm or refute the hypothesis taken at the certification level, namely that lightning strikes to the ground produce lightning. currents more intense than the electrical discharges of intra-cloud type lightning. To make progress on these questions, it is necessary to better evaluate the production of NOx by intracloud lightning (IC), which are the most numerous, in order to better extrapolate their impact at the global level. It is also necessary to better characterize lightning, that is to say, to know their three-dimensional geometry and the level of current produced by intra-cloud discharges. The doctoral student will aim to answer these questions. Initially, he will participate in laboratory measurements at ONERA to measure the production of NOx per unit length of the channel as a function of the current level and its form (pulsed or continuous). The results of this study will then be used as input data for the estimation of NOx production per unit flash length. Secondly, he will take charge of the tools for processing acoustic measurements carried out by a network of CEA microphones, as well as the post-processing chains of the BILI interferometer (Broadband Interferometer Lightning Imagery), currently in the development phase. within the ONERA FPA team. The aim is to set up a lightning characterization measurement campaign in the Paris region which will be carried out with the BILI interferometer (in the very high radio frequency range: 60-75 MHz) and the CEA microphone network. These instruments will be supplemented by low-frequency sensors (BF < 1 MHz) for estimating currents and high-speed cameras to visualize the lower part of the flashes when they are connected to the ground. The doctoral student will lead the analysis of the measurements. The objective will be to develop a method to estimate the currents of intra-cloud lightning, via electromagnetic radiation models of the different parts of the lightning (channel connected to the ground, precursors, junction discharge) crossed with three-dimensional reconstructions of lightning (cloud-ground and intra-cloud) carried out during the measurement campaign.