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Météorologie élémentaire

Mesure de l'insolation (V)

L'héliographe de Campbell-Stokes

La fameuse "boule de cristal" des météorologistes est en fait une sphère de verre constituant une lentille convergente qui concentre les rayons du Soleil sur une bande de carton normalisée placée sur un support à l’arrière de la sphère. La brûlure ou la décoloration du carton est mesurée après le coucher du Soleil; la bande de carton est aussitôt remplacée par une neuve pour la mesure du lendemain. La longueur de la brûlure permet d’estimer en heures et en dixièmes d’heure la durée réelle d’insolation.

A l'image des instruments d'astronomie montés en équatoriaux, l'héliographe doit être orienté en fonction du nord géographique et de la latitude du lieu. C'est pour cette raison que le support repose sur un socle ajustable gradué en degrés de latitude et dispose d'une mise à niveau à quatre points ajustables. Il doit être placé dans un endroit découvert, loin de tout obstacle qui projeterait des ombres sur l'instrument.

Cet appareil, dont l’utilisation est très simple, porte le nom de ses inventeurs; il est encore employé dans les observatoires civils et militaires, mais on a tendance à le remplacer par des instruments automatiques (voir plus bas).

La hauteur du Soleil et la durée du jour variant au cours de l'année, les cartons utilisés seront adaptés selon les différents saisons et placés différemment sur le support. Trois paramètres sont pris en compte :

- la graduation des cartons est inversée par rapport à la course du Soleil
- la longueur des cartons varie en fonction de la durée du jour (plus long en été)
- l'emplacement et la forme du carton sur le support varient en fonction des saisons.

L'héliographe automatique

Il permet l'enregistrement de la durée d'insolation dans les stations météorologiques automatiques. Il existe deux types d'héliographes automatiques, tous deux fonctionnant avec des cellules photovoltaïques : les modèles statiques et les modèles dynamiques.

L’héliographe à cellules photovoltaïques

Il s'agit d'un instrument statique mesurant la durée pendant laquelle l’éclairement solaire est supérieur à 120 W/m², une valeur conseillée par l'OMM. Il comporte deux cellules photovoltaïques dont l'une reçoit le rayonnement solaire global et l'autre uniquement le rayonnement diffus grâce à un écran. L’instrument délivre une tension électrique sensiblement proportionnelle à l’intensité du rayonnement direct. Lorsque le soleil est présent, les deux cellules délivrent un signal déséquilibré à partir d'un seuil donné dont la tension électrique est sensiblement proportionnelle à l’intensité du rayonnement direct.

L'héliographe dynamique

Il possède un élément tournant qui permet d'analyser le contraste existant entre la luminance du ciel et celle du soleil.

L'héliographe à fibre optique

Il s'agit d'un variante du précédent équipé d'une fibre optique en rotation qui intercepte le rayonnement direct du Soleil quelle que soit la position de celui.

Inventions

L’héliographe a été inventé en 1853 par le Britannique J.F. Campbell, et l’instrument a été amélioré par Sir George Gabriel Stokes en 1879. 

Mesure du rayonnement du ciel

Le pyranomètre

Le pyranomètre est un appareil mesurant le rayonnement global du ciel (en W/m²) ou l'irradiance (en W/m²/s). A l'image du bolomètre, il comprend une double coupelle de verre, une série de thermocouples (thermopile) et un système d’enregistrement de la force électromotrice produite par la pression de rayonnement. Les coupelles de verre filtrent la bande de longueurs d’onde à mesurer (en général de 0.3 à 3 mm) et limitent la condensation de la vapeur d’eau.

Pour mesurer uniquement le rayonnement diffus, on ajoute un pare-soleil métallique qui protège le pyranomètre du rayonnement solaire direct. Appelé "solarimètre" par le passé, il fait aujourd'hui partie de l’instrumentation des parcs météorologiques civils.

On parle de pyrhéliomètre quand il s'agit de mesurer l'éclairement énergétique dû au rayonnement solaire direct.

Il existe deux modèles de pyranomètre :

- Le thermopile à échanges thermiques "horizontaux". Ce sont sans doute les plus connus. Ils mesurent l'écart thermique entre une surface noire et une surface blanche situées dans le même plan et exposées au Soleil. Ils sont constitués par une thermopile plane de type "noir et blanc". Lorsque le capteur est éclairé, un écart thermique apparaît entre les parties blanches et noires . Un pont thermique permet d'évacuer la chaleur captée par les surfaces noires vers le boîtier et d'obtenir en sortie une force électromagnétique proportionnelle au flux reçu.

- Le thermopile à échanges thermiques "verticaux" mesure l'écart thermique entre une surface réceptrice noire et le boîtier du pyranomètre. Lorsque la pile reçoit un flux de rayonnement, un gradient thermique apparaît à sa surface entre les soudures paires et impaires car ces dernières sont prévues pour ne pas pouvoir évacuer la chaleur qu'elles captent autrement que vers les soudures paires. De ce fait, elles sont systématiquement plus chaudes que celles-ci et une force électromagnétique proportionnelle au flux énergétique reçu apparaît aux bornes de la thermopile.

Enfin, il existe également des pyranomètres linéaires pour l'analyse des climats lumineux sous couvert végétal.

Les satellites météorologiques

Le rôle des satellites météorologique est d'obtenir des images de la Terre vue du ciel, afin de repérer les formations nuageuses et les cyclones tropicaux  mais également pour mesurer les variables habituelles de la température de l'atmosphère, la quantité de vapeur d'eau et la direction ainsi que la force du vent à différentes altitudes.

L'OMM utilise deux types de satellites :

- les satellites à défilement : situés entre 600 et 900 km d'altitude sur des orbites polaires. En raison de la rotation du plan de leur orbite autour de l'axe des pôles, ils survolent deux fois par jour toute la surface du globe,

- les satellites géostationnaires placés sur une orbite fixe à environ 36000 km d'altitude. Seul inconvénient, leur position fixe au-dessus de l'équateur les empêche d'observer les régions polaires. A ce jour l'Europe dispose de 8 satellites de la classe METEOSAT.

En général ces satellites présentent une magnitude proche de 14 et tournent sur leur axe à raison de 100 tours/ minute. Le capteur infrarouge de METEOSAT présente une résolution de 5 km à la verticale du satellite qui tombe à environ 8 km vers 50° de latitude.

Afin d'obtenir une couverture globale de la Terre, le monde est couvert par six satellites géostationnaires, chacun couvrant environ un tiers de la planète :

- METEOSAT 8, satellite européen d'Eumetsat, est placé à 0° de longitude. Sa zone de couverture s'étend de l'Afrique du Sud au Nord de la Scandinavie et de l'Est de l’océan Atlantique à l'Ouest de l’océan Indien

- GOES-E, satellite américain de la NOAA, est placé à 75° de longitude Ouest.. Sa zone de couverture s'étend de l'Est du continent américain à l'Ouest de l'océan Atlantique

- GOES-W, satellite américain de la NOAA, est placé à 135° de longitude Ouest.. Sa zone de couverture s'étend de l'Ouest du continent américain à l'Est de l'océan Pacifique

- GMS 4, satellite japonais, est placé à 140° Est  de longitude. Sa zone de couverture s'étend de l'Est de l’Asie à Océanie jusqu'à l'Ouest de l'océan Pacifique.

- GOMS, satellite russe, est placé à 76° de longitude Est. Sa zone de couverture s'étend de l'Asie à l'océan Indien.

- INSAT 1D, satellite indien, est placé à 74° de longitude Est. Il offre la même zone de couverture que GOMS, mais il désert en plus les télécommunications au-dessus de l'Asie.

Ensemble, ces satellites fournissent des mesures et des images de notre atmosphère et des océans que les professionels distribuent après traitement aux scientifiques et au public du monde entier. 

Tout un chacun peut également télécharger ces images ainsi que les données télémétriques à condition de disposer du matériel de réception adéquat.

Les satellites géostationnaires

Nom : METEOSAT
Nationalité : Européenne

Masse : 230 kg
Orbite : géostationnaire
Altitude : 36000 km
Vitesse : 3 km/s

Période de révolution : (synchrone)

Magnitude : 14

Les satellites à défilement

Nom : NOAA
Nationalité : américaine
Masse : 340 kg
Orbite : polaire
Altitude : 1450 km
Vitesse : 7 km/s
Période de révolution : 2 h

Magnitude : 3 à 4

Inventions

En 1903, le père de l'astronautique russe Konstantin Tsiolkovski, un modeste instituteur de province, publia ses premières hypothèses concernant l'exploration de l'espace interplanétaire ainsi que je le rappelle dans le dossier consacré à l'astronautique. Esnault-Pelterie, Goddard, Oberth, Von Braun et leurs confrères ne feront qu'appliquer ses presciptions et dès 1945 Arthur C.Clarke entrevit la possibilité de créer un système global de communication en orbite géostationnaire (quelquefois appelé orbite de Clarke). Il pensa en fait à des stations spatiales habitées.

Le premier satellite météorologique, Tiros 1, fut lancé par les Etats-Unis le 1er avril 1960. Les premières photographies de nuit et à haute résolution seront prises à partir du 24 août 1964 par le satellite Nimbus 1. Ce n'est que le 23 novembre 1977 que l'ESA lança le premier d'une longue série de satellites géostationnaires européens METEOSAT. Ils sont exploités par l'agence Eumetsat.

Pour plus d'informations

Sky Quality Meter (appareil de mesure de la qualité du ciel Unihedron, cf. la pollution lumineuse)

Thermoelectric detector, The Boltwood Cloud Sensor (détecteurs de ciel clair)

SondeMonitor (logiciel de monitoring des données des ballons météos)

Meteorological Measurement Systems, Fred V. Brock, Scott J. Richardson, Oxford University Press, 2001

Optique Perret (Suisse)

PCE Instruments (F, E)

Conrad (France)

Meteorologica (GB)

The UK Weather Shop (GB)

Weather Information Systems (USA)

Oregon Scientific (USA)

La Crosse Technology (USA)

The Weather Tool, de Square One (logiciel d'analyse de données)

Détecteurs de ciel clair : Thermoelectric detector, The Boltwood Cloud Sensor.

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