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Météorologie élémentaire

Lancement d'un ballon-sonde au JPL.

Mesure du vent (II)

Chapitre théorique concerné : Le vent

Nous devons distinguer  la mesure du vent en surface de la mesure en altitude. En effet, en première approximation le "temps" est principalement déterminé par les propriétés des masse d'air situées en surface (déplacement, pression, humidité, température) tandis que les vents et autres variables d'altitude n'ont qu'une influence secondaire, qui s'étale principalement dans le temps.

1. Mesure du vent en surface

Par convention internationale,  le vent en surface est mesuré à une hauteur de 10 mètres afin d'éliminer les fluctuations dues aux irrégularités du sol, de la végétation, etc.

La direction et la vitesse du vent en surface sont mesurées au moyen d'un anémomètre ou d'un anémographe (anémomètre enregistreur). Différents types d'instruments, allant de la simple girouette à l'anémographe le plus complet, sont utilisés en météorologie.

La giroutte

Elle se compose d'une flèche et d'un gouvernail continuellement maintenus dans la direction d'où vient le vent. La direction du vent s'obtient par comparaison de la position de la girouette avec un croisillon fixe indiquant les points cardinaux ou par transmission électrique à distance, chaque position de la girouette fermant un seul circuit dans lequel est inclus un indicateur de direction.

Anémomètre mécanique

Il se compose de trois ou quatre coquilles hémisphériques fixées aux extrémités de bras horizontaux uniformément espacés autour d'un pivot central. Les coquilles, entraînées par le vent, tournent autour de leur axe à une vitesse quasi proportionnelle à la vitesse du vent. Cette vitesse peut être lue sur un compte-tours grâce à un mécanisme semblable à celui de l'indicateur de vitesse d'une automobile.

Anémomètre électrique

La vitesse du vent est mesurée à l'aide du courant électrique fourni par une dynamo entraînée par une hélice ou par des coupelles tournant sous l'effet du déplacement de l'air.

La direction du vent est donnée par une girouette solidaire ou non du système de mesure de la vitesse et transmise à l'aide de deux moteurs synchrones ou par un système de contacteurs.

Citons également pour mémoire les anémomètres statiques, thermiques et soniques.

2. Le vent en altitude

La mesure du vent en altitude est destinée aux aviateurs et aux activités sportives aéronautiques. Elle comprend les observations visuelles et les observations électroniques.

Le ballon-sonde

Il s'agit d'un ballon en caoutchouc ou néoprène gonflé à l'hydrogène (ou à l'hélium) dont le diamètre au sol est d'environ 2m. 

Dans le cadre des observations visuelles, toutes les 12 heures (à 00h et 12h UTC) un ballon est lancé et suivi au théodolite. L'azimut et l'élévation du ballon sont mesurés à intervalles réguliers, généralement toutes les minutes.

Le mouvement ascentionnel du ballon peut être assimilé à un mouvement de translation rectiligne vertical.. Si on estime qu'un ballon monte à la vitesse de 4 m/sec, il faut compter environ 45 minutes pour qu'il atteigne la tropopause située à 11 km d'altitude (en atmosphère standard).

Connaissant l'altitude du ballon, son azimut et son élévation, la vitesse et la direction du vent en altitude s'obtiennent par un calcul trigonométrique simple.

La vitesse du vent s’exprime en km/h (information civile), en noeuds (bulletins à destination de l’aviation) ou en m/s. On mesure également sa force en chiffres Beaufort (bulletins de météo marine).

Du fait qu'il s'agit d'une méthode visuelle, l'utilisation du ballon-sonde est limitée aux couches d'air situées sous la base des nuages et dépend également de la visibilité.

Les noeuds (knots)

 1 kt = 1,852 km/h

Pour des vitesses inférieures à 40 km/h, 

on peut considérer que 1 m/s = 2 kt = 4 km/h.

Le radiothéodolite

Le radiothéodolite est un instrument électronique qui élimine toutes les limitations de l'observation visuelle. Le balllon-sonde emporte une charge constituée d'une radiosonde, un réflecteur radar et un parachute. Il peut atteindre 25 à 30 km d'altitude en l'espace de 2 heures de vol. Parvenu à ce niveau il présente un diamètre d'environ 10 m et éclate. La radiosonde retombe ensuite en parachute et est réutilisée.

La radiosonde transmet 4 variables : la température (de l'air et du point de rosée), la pression, le vent et le degré d'humidité. L'émetteur onde-courte entraîné par le ballon-sonde est suivi constamment et automatiquement par un radiothéodolite à terre qui donne l'azimut et l'élévation du ballon. L'altitude de ce dernier est obtenue à partir de la valeur de pression. Le calcul de la direction et de la force du vent s'effectuent de la même manière que dans la méthode visuelle. 

Le radar

Une cible métallique entraînée par un ballon-sonde réfléchit une partie de l'énergie émise par l'équipement au sol. La réception de l'énergie réfléchie permet de déterminer à tout moment la position du ballon et de calculer la direction ainsi que la vitesse du vent à tous niveaux.

Le Lidar

Acronyme de LIght Detection And Ranging, le Lidar fonctionne de la même façon qu'un radar (RAdio Detection And Ranging) à la seule différence qu'il utilise un faisceau laser pour sonder l'atmosphère. En raison de sa haute résolution temporelle et spatiale, cet instrument est capable de mesurer les rafales de vent à l'avant des fronts ou en altitude. Je vous propose de consulter le chapitre que j'ai consacré aux applications de cet instrument pour plus de détails.

Remarque

On peut également utiliser des ballons plafonnants : de volume fixe, ils naviguent à pression constante et mesurent la pression, la température de l'air ainsi que la vitesse et la force du vent.

Sur les quelques 500 stations aérologiques existant à travers le monde, le quart de l'hémisphère Nord et les deux tiers de l'hémisphère Sud sont dépourvus de stations de sondage. Sur les océans il n'existe qu'une vingtaine de bâteaux participant à ce réseau.

Radar profileur de vent

Météo France a installé depuis 1995 une sonde troposphérique et basse stratosphérique en Eure et Loire qui permet de mesurer la force et la direction du vent selon l'altitude. Ce dispositif permet d'améliorer les prévisions de moins de 6 heures en donnant un profil toutes les 15 minutes.

Inventions

Historiquement c'est vers l'an 800 que l'empereur Charlemagne établit l’échelle de direction des vents à partir des points cardinaux. En 1500, Léonard de Vinci crée la première girouette pour déterminer la direction d’où vient le vent. Elle est considérée comme le premier véritable instrument météorologique.

En 1450, Léon Batista Alberti mesure pour la première fois la vitesse du vent grâce à un anémomètre à pression mais l'invention devra être améliorée.

En 1650, le mathématicien et astronome anglais Robert Hooke invente l’anémomètre mécanique muni de palettes qui s'opposaient à la force du vent.

L’anémomètre à pression fut inventé en 1775 par le physicien irlandais James Lind tandis que l’anémomètre à coupelles, encore utilisé aujourd’hui, fut mis au point en 1846 par l'astronome irlandais Thomas R. Robinson.

Le radar fut utilisé pour la première fois durant la seconde guerre mondiale.

Mesure de la température

Chapitre théorique concerné : La température

Les thermomètres

Les thermomètres sont basés sur les variations de volume des liquides soumis à des variations de température. Les modèles utilisés en météorologie sont des thermomètres à mercure ou à alcool.

Pour construire un thermomètre, on soude à l'une des extrémités d'un tube capillaire parfaitement cylindrique une ampoule dont la capacité est appropriée au diamètre du tube capillaire. Par diverses opérations techniques, on remplit de mercure le réservoir et une partie du tube capillaire, on fait le vide au-dessus du mercure et on scelle le tube. Il suffit alors de graduer ce tube par comparaison avec un thermomètre-étalon.

En plus de la température actuelle donnée par un thermomètre ordinaire, il est intéressant de connaître les températures la plus élevée et la plus basse atteintes pendant une période déterminée pour préciser les propriétés des masses d'air.

Le thermomètre à maxima

C'est un thermomètre ordinaire dont le tube capillaire est étranglé à la base; cet étranglement permet le passage du mercure qui se dilate suite à l'augmentation de température mais empêche son passage lorsqu'il se contraste du fait de la diminution de température; le mercure occupe donc toujours la position correspondant au maximum de température.

Le thermomètre à minima

C'est un thermomètre à alcool comprenant un index en verre placé dans la colonne d'alcool. Cet index est entraîné par le ménisque lorsque l'alcool se contracte (diminution de la température), il reste immobile lorsque l'alcool se dilate; l'index occupe donc toujours la position correspondant au minimum de la température.

Le thermomètre à résistance

Il s'agit d'un thermomètre de haute précision basé soit sur la variation de la résistance électrique d'un conducteur avec sa température soit sur le principe du thermocouple : on mesure la variation du courant électrique circulant entre deux soudures constituées de deux métaux différents soumis à une différence de température. Pour son utilisation en météorologie, le thermocouple est souvent réalisé en plongeant la soudure froide dans un bain de glace et d'acétone ou dans de l'azote liquide et l'autre soudure est placée à l'endroit où l'on veut mesurer la température.

Le thermographe bimétallique

Deux bandes de métaux, dont les coéfficients de dilatation sont nettement différents, sont soudés et enroulés ensembles. Un tel élément bimétallique est déformé par les variations de température. Ces variations, amplifiées par un système de leviers, s'inscrivent sur un diagramme enroulé sur un tambour animé d'un mouvement uniforme.

Le thermographe électrique

Le thermographe électrique enregistre à distance les variations de la résistance électrique d'un mince fil de platine dues aux variations de la température du milieu dans lequel ce fil est placé (d'ordinaire à différentes hauteurs au-dessus du sol).

Exposition des thermomètres

La température mesurée en météorologie est celle de l'air à environ 1.5 m au-dessus du sol. Afin de pouvoir mesurer la température réelle de l'air, il est nécessaire d'abriter les thermomètres du rayonnement solaire, de les ventiler et de les placer à l'abri du rayonnement de la terre et des précipitations. En conséquence, les thermomètres sont placés dans un abri peint en blanc et placé dans la mesure du possible sur une surface gazonnée facile à réaliser et à entretenir afin de permettre la comparaison des mesures effectuées en différents lieux. Les thermomètres sont placés à 1.5 m du sol car la couche d'air située entre le sol et 1 m environ est fortement perturbée du point de vue thermique.

Inventions

C'est vers l'an 280 avantnotre ère, que Philon de Byzance invente le thermoscope, un thermomètre indiquant les variations de température. Mais il faudra attendre 1593 pour que le célèbre physicien et astronome italien Galilée invente le premier thermomètre; il s’agissait d’un thermomètre à gaz. Vers 1612, le médecin italien Santorio, ami de Galilée, mis au point le thermomètre à eau qui deviendra le premier thermomètre médical. Les premiers thermomètres à alcool sont apparus en Italie en 1641.

Troisième partie

Mesure de l'humidité relative

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