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Météorologie élémentaire

Mesure des précipitations (IV)

Chapitre théorique concerné : Les précipitations

Le pluviomètre

Il s'agit d'un instrument totalisateur qui donne la quantité de précipitation (bruine, pluie, neige, neige en grain, etc) tombée pendant une certaine période et captée par un réservoir en forme de cône (cône de Nipher) offrant une surface de réception de 400 cm² abritée du vent. Il existe des modèles à tube court pour recueillir la pluie et des modèles à tube long pour la neige. La lecture est directe, sur une échelle graduée, sinon le contenu du réservoir est renversé dans une éprouvette graduée en plexiglas. Quand il s'agit d'averses de neige, on compte qu'1 cm de neige correspond à 1 mm d'eau. On peut également faire fondre la neige en prenant soin de récupérer la vapeur, mais en général dans les contrées très enneigées les observateurs n'ont pas le temps d'effectuer cette opération.

Des erreurs de mesure de la pluviométrie interviennent avec ces instruments du fait des déficits de captation liés à l'inclinaison de la pluie et la forme du pluviomètre. La quantité d'eau captée peut ainsi être sous-estimée de 3 % à 30 %.

Remarque. 

Si les observateurs ont observé des précipitations mais qu'elles n'ont pas donné lieu à une mesure effective ou si la quantité d'eau recueillie n'est pas mesurable (à peine une goutte), les météorologistes signalent alors qu'il s'agit de "traces".

Le pluviographe

Il s'agit d'un pluviomètre enregistreur constitué par deux augets de section triangulaire, accolés par l'un de leur côté. Ils peuvent tourner autour d'un axe horizontal. Les augets possèdent deux positions de repos symétriques. Lorsqu'il pleut, l'auget se remplit progressivement et à cause de sa section triangulaire, le centre de gravité de l'ensemble mobile se déplace et entraîne le basculement en position basse et l'auget se vide, remplacé par un autre. Les augets entraînent un petit aimant qui à chaque basculement passe en face d'un interrupteur à lames souples et ferme un contact, ce qui enregistre le mouvement sur le papier du tambour ou déclenche un compteur.

Pour mesurer la quantité de pluie tombée, il suffit donc de compter les fermetures de contact et pour connaître l'intensité des précipitations, il faut mesurer le temps séparant deux basculements Il fournit un pluviogramme qui donne l'évolution des précipitations au cours du temps.

Il existe également des pluviographes à siphon dans lesquels l'eau collectée est stockée jusqu'à un seuil critique où un dispositif de siphonage s'amorce, évacuant l'eau recueillie, et des pluviographes à pesée, le poids du récipient collecteur étant enregistré en continu.

Inventions

Le pluviomètre était déjà utilisé en Inde au IVe siècle avant notre ère et on le retrouve en Corée vers 1440. Il sera développé pour la météorologie à partir de 1639 en Europe grâce aux travaux de l'Italien Benetto Castelli

Mesure de la pression

Chapitres théoriques concernés : La pression, l'atmosphère

Il existe quatre modèles de baromètres couramment utilisés :

Le baromètre à mercure

Le baromètre à mercure consiste en un réservoir remplit de mercure dans lequel est plongé un tube en verre épais mesurant 1 m de hauteur et un centimètre de section dont le sommet est soudé et dans lequel on fait le vide. Par un effet de syphon, suite à la pression exercée par l'atmosphère le mercure à tendance à monter dans le tube jusqu'à environ 760 mm de hauteur au-dessus de la surface du réservoir. Le niveau atteint varie selon le poids de l'air et donc en fonction de l'altitude et du temps. Le tube étant gradué en dixième de millimètre, on peut lire visuellement la valeur indiquant la pression atmosphérique au niveau de la station.

Le baromètre à mercure présente quelques contraintes : tout d'abord le mercure est très lourd avec une densité 13 fois supérieure à celle de l'eau. De plus, l'instrument étant fabriqué en verre et contenant du liquide il doit être fixé à demeure contre un mur en position verticale, dans un endroit calme. A température ordinaire le mercure étant liquide et offrant une très forte tension superficielle (il ne s'étale pas et forme des gouttelettes) le niveau de mercure visible à travers le tube prend une forme convexe et non pas concave comme de l'eau ordinaire. De ce fait, pour éviter de grossières erreurs d'estimation, la mesure doit s'effectuer en se plaçant juste en face du niveau afin d'effectuer une mesure tangeante à la convexité du liquide. Elle devra ensuite être corrigée pour obtenir les valeurs à d'autres altitudes, en particulier au niveau moyen de la mer (QNH) dans les conditions de l'atmosphère standard afin qu'elle puisse être exploitée par d'autres stations du réseau synoptique. En aéronautique, la mesure de pression barométrique est également calculée pour le lieu d'observation (QNE) et au niveau de la piste (QFE).

Le baromètre anéroïde

Dans un baromètre anéroïde, un capteur dynamométrique muni d'une membrane en équilibre et parfois d'un ressort agit comme détecteur, c'est la "capsule de Vidie" du son de son inventeur. Sous la pression exercée par l'air atmosphérique, la membrane ou le ressort subit une force de rappel élastique ui est communiquée à un levier qui transmet le déplacement à une aiguille ou un stylet enregistreur grâce à un mécanisme de précision.

L'aiguille reliée à la capsule anéroïde présente une certaine inertie. Le baromètre anéroïde est également moins précis que le baromètres à mercure mais il permet en contrepartie de fabriquer des instruments compacts, beaucoup plus robustes et facilement transportables, surtout en mer.

Les baromètres sont réglés en fonction de l'altitude de manière à donner la pression au niveau de la mer (QTH) car il faut savoir qu'une élévation d'environ 10 m dans les basses couches (du sol à 4 km d'altitude) modifie la pression d'environ 1.25 mbar.

 Torricelli        Eco-Celli                  Adie                     Anéroïde         Goethe                Huygens

Document Optique Perret

Le baromètre à eau de Goethe

Basé sur les principes de Torricelli, ce baromètre utilise de l'eau à la place du mercure. Lorsque la pression atmosphérique augmente, le liquide du tube descend. Inversement, lorsque la pression baisse, il y a moins d'appui sur l'eau et le liquide monte dans le tube. Il est aujourd'hui commercialisé à des fins décoratives.

Le baromètre à gaz d'Eco-Celli

Dans cet instrument dont le système de pression peut être comparé au baromètre à mercure, la pression atmosphérique est mesurée par la compressibilité d'un gaz. Le gaz se comprime ou se détend en fonction de la pression atmosphérique, mais également sous l'influence de la température. Ce système permet une amplification de 4 fois, rendant la lecture plus précise, et surtout plus facile.

L'altimètre

Dans le cadre des activités aéronautiques (aviation, parachutisme, vol à voile) on utilise un altimètre qui est un baromètre anéroïde dont les indications sont traduites en altitude sur le cadran. La conversion de la pression en altitude s'effectue suivant les lois de l'atmosphère standard freconnues par l'Organisation de l'Avion Civile Internationale. Rappelons que cette atmosphère standard a les caractéristiques suivantes :

- au niveau moyen de la mer, la pression est de 1013.25 mbar et la température de 15°C

- la température diminue de 6.5°C par 1000 m jusqu'à une altitude de 11 km (tropopause standard)

- au-dessus de cette altitude, la température à une valeur constante de -56.5°C.

L'altimètre est muni d'un dispositif permettant le réglage du niveau zéro par affichage de la pression atmosphérique du moment.

Dans un but évident de coordination air-sol et de sécurité, le calage des altimètres est défini par certains signaux du code Q (QFE, QNH, QNE et QNH régional).

Correspondance entre la pression, 

l'altitude et le niveau de vol (FL)

Dans les conditions de l'atmosphère standard, voici quelques valeurs usuelles (arrondies à 200 pieds) :

- 850 mbar correspond à une altitude de 1500 m (5000 pieds) et au FL050

- 700 mbar correspond à une altitude de 3000 m (10000 pieds) et au FL100

- 500 mbar correspond à une altitude de 5500 m (18000 pieds) et au FL180

- 300 mbar correspond à une altitude de 10000 m (30000 pieds) et au FL300.

Inventions

Un document daté de 1619 révèle qu'un Hollandais, G. de Donckere aurait inventé un baromètre à eau. J. W. von Goethe, en 1792-93, aurait réinventé un baromètre de ce type à partir des principes de Torricelli. Le baromètre selon Goethe est aujourd'hui commercialisé et utilise un liquide coloré pour des raisons esthétiques.

Le premier baromètre à mercure fut inventé en 1643 par Evangelista Torricelli et rendu portable par le Français Jean Fortin au XVIIIe siècle.

En 1663, le physicien hollandais Robert Hooke place un flotteur sur le mercure qui va suivre les variations de pression atmosphérique et actionner une aiguille pour indiquer la pression sur un cadran. Ce système permet une amplification de 7 fois, rendant la lecture plus précise et plus visible.

En 1654, le physicien allemand Otto Von Guericke invente le baromètre à eau : une boîte vide d’air se déprime plus oumoins selon les variations de la pression atmosphérique.

Le baromètre anéroïde fut mis au point par le Français Lucien Vidie en 1844, auteur de la célèbre "capsule de Vidie". Quant au baromètre enregistreur le plus ancien, il fut inventé par l’Anglais Moreland en 1670.

Dernière partie

Mesure de l'insolation

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