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Météorologie élémentaire

Mesure de l'humidité relative (III)

Chapitre théorique concerné : L'humidité

Le psychromètre

Si le bulbe d'un thermomètre ordinaire est recouvert d'un morceau de mousseline, on obtient un thermomètre humide parfois dénommé à tord thermomètre mouillé, pour autant que la mousseline soit constamment humectée à l'aide d'eau pure. La valeur qu'il affiche indique la température du point de rosée (dew point). L'écart entre la température lue au thermomètre humide et celle du thermomètre ordinaire (thermomètre sec) permet, notamment, de calculer l'humidité relative de l'air.

En effet, la diminution de la température affichée sur le thermomètre humide est due à l'évaporation de l'eau imprégnant la mousseline et résulte d'une perte de chaleur sous forme de chaleur latente de vaporisation. La quantité d'eau évaporée par unité de temps et, par conséquent, la valeur de la baisse de température dépend de la quantité de vapeur d'eau contenue dans l'air environnant le thermomètre; elle est d'autant plus importante que l'air est plus sec. Si cet air est saturé, il n'y a aucune évaporation et la température du thermomètre humide est identique à celle du thermomètre sec. La combinaison d'un thermomètre sec et d'un thermomètre humide s'appelle un psychromètre. 

Le psychromètre à ventilation

C'est le seul psychromètre étalonné pour un coefficient psychrométrique γ de 66 Pa/K. Les bulbes de deux thermomètres (humide et sec) sont placés dans deux doubles tuyères métalliques qui se prolongent par des tubulures coudées débouchant dans un tube central relié à un ventilateur situé dans la partie supérieure du psychromètre.

Celui-ci comporte une turbine mue par un moteur qui assure une vitesse de ventilation au niveau des bulbes de l'ordre de 3.6 m/s. Ce ventilateur est activé au moment de la prise des mesures en tenant l'instrument à bout de bras pour éviter toute perturbation.

Notons l'existence du psychromètre fronde. Il s'agit d'une version compacte et portable du précédent modèle dont la ventilation des réservoirs des thermomètres est assurée à la main par la rotation du psychromètre tenu comme une fronde. Cet appareil sert à des mesures ponctuelles et est peu précis.

L'hygromètre à capteur organique et l'hygrographe

Les hygromètres enregistreurs, généralement utilisés en météorologie au niveau du sol, sont basés sur les modifications d'élasticité d'une mèche de cheveux dégraissés lorsque l'humidité relative varie; ces modifications d'élasticité se traduisent par un allongement de l'ordre de 2.5 % lorsque l'humidité relative passe de 0 à 100 %. Pour limiter les variations possibles d'un cheveu à l'autre (de l'ordre de 15 %), ils sont généralement regroupés en mèches. 

Un hygromètre classique fonctionne sur le principe d'une double mèche de cheveux tendue verticalement. Les variations de longueur de la mèche de cheveux sont amplifiées par un système de leviers et inscrites sur un diagramme enroulé autour d'un tambour animé d'un mouvement de rotation.

Remarque

Pour des raisons d'encombrement, on peut combiner les enregistreurs de température (thermographe) et d'humidité (hygrographe) en un seul instrument disposant de deux tambours et de deux stylets, le thermohygrographe.

L'hygromètre capacitif

Il s'agit en fait d'un condensateur constitué d'une lame de polymère hygroscopique sur laquelle sont fixées deux électrodes métalliques poreuses. Lorsque le polymère absorbe l'eau contenue dans l'air, son volume augmente et la distance entre les électrodes s'accroît, ce qui se traduit par une variation de la capacité du condensateur. Le signal mesuré correspond aux variations de fréquence du capteur.

Ces hygromètres sont calibrés pour présenter une réponse linéaire entre 0 % et 80 % d'humidité relative avec une précision de ± 1%. Au-delà, la linéarité est moins bonne et l'écart peut atteindre ±3 % au voisinage de la saturation.

L'hygromètre à condensation

Nous savons que le refroidissement progressif d'une surface entraîne la condensation de l'eau présente dans l'air sur celle-ci. Arrivé à ce stade la surface présente la température du point de rosé.

Un hygromètre à condensation comporte un petit miroir constamment refroidi. Il est éclairé par une diode électroluminescente dont le faisceau de lumière incident est réfléchi vers un dispositif de mesure. Lorsque de la buée apparaît, le miroir diffuse la lumière qui impressionne alors un détecteur (phototransistor). Ce détecteur est relié au circuit de régulation de la température et commande alors le réchauffement du miroir. La rosée disparaît et entraîne de nouveau la commande de refroidissement et ainsi de suite. Grâce à un système de régulation approprié, il est possible de maintenir un dépôt constant de condensation sur le miroir et il suffit alors d'enregistrer sa température à l'aide d'un microcapteur thermique, délivrant un signal électrique.

L'hygromètre à condensation est calibré pour fonctionner généralement dans une échelle de températures allant de -80°C à +100°C avec une précision de l'ordre de ±0.2°C.

Inventions

C'est Ferdinand II de Medicis, Grand-duc de Toscane qui inventa l’hygromètre en 1640. Il perfectionna également le thermomètre et le thermoscope, et s'intéressa beaucoup à la botanique ainsi qu'à la météorologie. Il suivit également l'enseignement de Galilée (philosophie naturelle et astronomie) et fut plus tard son mécène.

L'hygromètre sera amélioré en 1664 par Francesco Folli. Il fut remplacé en 1781 par l’hygromètre à cheveu inventé par le physicien et naturaliste suisse Horace Bénédict de Saussure. L'hygromètre à condensation date du XXe siècle.

Mesure du pouvoir évaporant de l'air

Cette mesure très peu connue se réalise avec un évaporimètre Piche. Il est constitué d'un réservoir à alimentation continue, dont l'extrémité est munie d'une feuille de papier buvard. La lecture de l'échelle et la consultation des tables donnent la valeur moyenne de l'humidité relative entre deux observations. L'évaporation dépend du déficit de saturation de l'air et du renouvellement de la masse d'air par le vent. Ce système demeure assez peu précis.

Observation de la visibilité

Chapitre théorique concerné : La visibilité

Le transissomètre, surtout utilisé sur les aéroports et les aérodromes permet de mesurer la visibilité de manière continue. Cet instruments utilise une source lumineuse dont l'intensité, qui varie en fonction de la transparence de l'air, est mesurée par un récepteur placé à une certaine distance de celle-ci.

Depuis quelques années le Lidar compte également parmi ces instruments.

Observation des nuages

Chapitre théorique concerné : Les nuages

Nous devons distinguer l'observation de la quantité de nuages (la nébulosité) et l'estimation de la base des nuages (plafond).

La quantité de nuages est observée visuellement et enregistrée en nombre de huitièmes (octa) de ciel couvert  par chaque couche nuageuse et par l'ensemble des nuages. Il existe également des méthodes électroniques : la caméra CCD qui permet de déterminer la nébulosité totale du ciel par différence de contraste et le Lidar qui permet de déterminer la nébulosité de toutes les couches nuageuses, y compris celles invisibles à l'oeil nu (cirrus très fins, etc)

Hormis l'estimation qui s'effectue visuellement, la hauteur de la base des nuages peut être déterminée par au moins quatre instruments :

Le ballon-plafond

Ce procédé consiste à mesurer le temps mis par un ballon, de vitesse ascensionnelle connue (1 m/sec), pour s'élever du sol jusqu'à la base des nuages. Cette utilisation n'est bien sûr possible que par temps calme ou si les précipitations sont très faibles et à peine mesurables.

Le phare à nuage

Un phare à faisceau vertical est installé à environ 300 m (distance d) de l'observateur. L'intersection du faisceau lumineux et de la base des nuages se marque, de nuit, par une tache lumineuse très nette. La mesure de l'élévation (angle α) de cette tache lumineuse permet de calculer la hauteur de la base des nuages selon la formule : h = d tg α.

Le ceilomètre

Le ceilomètre, anglicisme construit à partir du mot anglais ceiling signifiant plafond, parfois appelé télémètre de nuages, consiste en un projecteur émettant verticalement un faisceau de lumière modulée. A 300 ou 400 m de l'émetteur se trouve un détecteur qui balaye le faisceau de l'émetteur de l'horizontale jusqu'à la verticale. Ce détecteur consiste en une cellule photoélectrique sensible à la lumière du faisceau réfléchie par la base des nuages.

Cette cellule envoie une impulsion à un enregistreur chaque fois que le détecteur est dirigé vers le point de rencontre du faisceau lumineux et de la base des nuages.

L'angle d'élévation du détecteur est transformé par triangulation en hauteur et enregistré électroniquement. 

Certains ceilomètres affichent le contact avec le nuage de manière visuelle sur un écran cathodique gradué en centaines de pieds.

Avantage sur le phare à nuage, le ceilomètre fonctionne aussi bien de jour comme de nuit, la cellule photoélectrique utilisée n'étant sensible qu'à la seule lumière de l'émetteur.

Dans les appareils modernes l'éclairage est assuré par un laser et grâce à des logiciels très puissants, ces instruments sont capables d'estimer le plafond jusqu'à 12000 pieds (4 km d'altitude).

Seule limitation, le ceilomètre est sensible à la présence des aérosols, telle que la poussière, les fortes pluies ou les flocons de neige. Dans ces conditions et malgré certains réglages toutes les altitudes s'illuminent en même temps et l'appareil perd souvent son utilité. Cela était vrai avec les ceilomètres optiques construits après-guerre. Aujourd'hui la plupart des modèles utilisent une longueur d'onde relativement courte (souvent laser proche infrarouge) et disposent d'un système de contrôle électronique. A partir de l'énergie lumineuse retournée par ces particules vers le ceilomètre, plusieurs paramètres atmosphériques peuvent être calculés. L'un d'entre eux est le coefficient d'extinction atmosphérique qui se rapproche de la visibilité. Le ceilomètre devient ainsi un instrument très précieux y compris à des fins expérimentales ou pour des applications opérationnelles. Il est souvent utilisé sur les aéroports.

Le ceilomètre-lidar

Le ceilomètre-lidar est encore plus complet que le ceilomètre laser car il permet de déterminer le profil complet de l'atmosphère jusqu'à 50000 pieds soit plus de 12 km d'altitude et de visualiser les cirrus les plus fins comme les zones de cisaillement ou les virga en altitude. Je vous propose également de consulter le chapitre que j'ai consacré aux applications de cet instrument pour plus de détails.

Remarque

La méthode la plus efficace pour observer les nuages (genre, base, sommet) demeure l'avion. Les météorologistes ont toujours la possibilité de demander aux pilotes en circuit au-dessus de l'aéroport ou de l'aérodrome un compte-rendu d'observation (PIREP, etc).

Quatrième partie

Mesure des précipitations

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