Relationship between airborne electrical and total water content measurements in ice clouds

Etablissement d'une relation ente le champ électrostation aéroporté et les mesures microphysiques dans les nuages de glace.

Aurélie Bouchard (1) , Philippe Lalande (1) , Pierre Laroche (2) , Patrice Blanchet (1) , Magalie Buguet (1) , Arnaud Chazottes (1) , J. Walter Strapp (3)

1 DPHY, ONERA, Université Paris Saclay (COmUE) [Palaiseau]
2 DPHY, ONERA, Université Paris Saclay (COmUE) [Châtillon]
3 Met Analytics Inc. [Toronto]

During the High Altitude Ice Crystal -High Ice Water Content (HAIC-HIWC) project, instrumented aircraft were flown in the vicinity and inside deep tropical convective clouds. Among the probes installed on one of these aircraft, were the Isokinetic Probe (IKP2), to retrieve the cloud total water content (TWC) and the AMPERA (Atmospheric Measurement of Potential and Electric field on Aircraft) system to provide information on the electrostatic state of the atmosphere and the aircraft. AMPERA is an electric field mill network which locally measures the electrostatic field at the aircraft fuselage. The distribution and amplitude of the electrostatic field on the aircraft skin depends on the atmospheric electrostatic field around the aircraft and the net electric charge of the aircraft. This latter parameter depends on the balance between the triboelectric current due to the impact of the cloud particles on the aircraft fuselage, the current due to the charged particles emitted by the engines, and the corona current emitted by the aircraft. Based on the flights of the HAIC-HIWC campaigns, which were conducted almost exclusively in cloud composed of ice particles, a comparison between the total water content recorded by microphysical sensor and the aircraft net charge has highlighted the possibility of deducing an estimate of the TWC from the aircraft electrical potential. In contrast to conventional TWC probes which sample a local area of the atmosphere, the AMPERA system uses the aircraft as a sensor and provides an overall estimation of its net TWC exposure. This study provides the first results of the efficacy of the electrostatic method through comparisons with direct in-situ bulk TWC measurements in ice clouds.

Au cours du projet High Altitude Ice Crystal - High Ice Water Content (HAIC-HIWC), des avions instrumentés ont volé au voisinage et à l'intérieur de nuages convectifs. Parmi les capteurs embarqués figurent la sonde IKP2 (Isokinetic Probe), permettant d'estimer le contenu total en eau condensé et le système AMPERA (Atmospheric Measurement of Potential and Electric field on Aircraft), fournissant une information sur l'état électrostatique de l'atmosphère et de l'avion. AMPERA est un réseau de moulins à champs, mesurant localement le champ électrostatique sur le fuselage de l'avion. La distribution et l'amplitude du champ électrostatique sur la peau de l'avion dépend du champ électrostatique atmosphérique autour de l'avion et de la charge électrique net de l'avion. Ce dernier paramètre dépend de l'équilibre entre le courant triboélectrique du à l'impact des particules nuageuses sur l'avion, le courant du aux particules chargées émises par les moteurs et le courant corona émis par l'avion. En se basant sur les campagnes de vols de HAIC-HIWC, qui ont été réalisées, pour la plupart exclusivement dans les nuages composés des particules de glace, une comparaison entre les information microphysiques et la charge net de l'avion a mis en avant la possibilité de déduire une estimation du TWC à partir du potentiel électrique de l'avion. A l'inverse, des capteurs conventionnels pour le TWC, qui échantillonnent une zone locale de l'atmosphère, le système AMPERA utilise l'avion comme un capteur et fournit une estimation de son exposition. Cette étude fournit un premier résultat sur l'efficacité de la méthode à travers des comparaisons avec des mesures directe de TWC dna sles nuages de glace.

Mots clés: MOULIN A CHAMP; CHAMP ELECTROSTATIQUE; CONTENU EAU

Domaines: Sciences de l'ingénieur [physics]; Physique [physics]

Aurélie Bouchard, Philippe Lalande, Pierre Laroche, Patrice Blanchet, Magalie Buguet, et al.. Relationship between airborne electrical and total water content measurements in ice clouds. Atmospheric Research, 2019, 237, 104836, p. 1-16. ⟨10.1016/j.atmosres.2019.104836⟩. ⟨hal-02456043⟩