Sommaire:
- la mesure de température
- la mesure de la pression
- la mesure de l'humidité
- la mesure des précipitations
- la mesure du vent
- la mesure de l'ensoleillement
La mesure de la température
C'est à la suite des travaux de Galilée (1564-1642) sur la variation de la densité de l'air en fonction de la
chaleur que Sanctorius (1561-1636) mis au point le premier instrument gradué appelé thermoscope. En 1641 apparaissent les
thermomètres à tube scellé contenant du liquide (d'abord de l'eau et de l'alcool puis du mercure). Vers le milieu
du XVIII siècle, les thermomètres à minima et maxima sont créés; ils sont d'ailleurs toujours utilisés actuellement
lors de relevés non automatisés. A la fin du XVIII, c'est le principe de déformation des métaux qui engendre l'apparition
des thermomètres bimétalliques et des enregistreurs de température à tube de Bourdon aussi appelés thermographes.
De nos jours, ce sont des sondes appelées PT100 qui permettent de faire des relevés très précis de température. Ces
sondes utilisent le principe physique de variation de la résistance d'un conducteur électrique en fonction de la température.
On utilise un fil de platine dont la résistance est de 100 Ohms à 0°C.
Différentes échelles de mesure cohabitent:
les degrés Fahrenheit (1724) avec une température de la glace fondante à 32 °F et une température de vaporisation de l'eau Ã
212 °F; les degrés Celsius (1742) avec 0°C pour la glace et 100°C pour la vapeur. D'un point de vue physique, on utilise
les degrés Kelvin (1848) qui est une échelle absolue de température; le 0°K correspond au zéro absolu où il n'y a plus
de mouvement moléculaire. Le 0°C correspond alors à 273,15 °K et le 100 °C à 373,15 °K.
En météo, les relevés
de températures doivent se faire selon des normes établies par l'Organisation Mondiale de la Météo. On mesure toujours
(sauf dans certains cas particuliers) les températures sous abri à une hauteur de 1m50 du sol naturel. Il existe 2 types
principaux d'abris météos: abri à persiennes en bois dit abri de Stevenson ou abri à coupelles. Le principe étant
d'avoir les capteurs non exposés à la lumière directe du soleil mais en contact avec l'air ambiant du lieu. Pour
la station de la cité scolaire, comme c'est souvent le cas en milieu urbain, nous avons été obligé de placer la station
sur le toit d'un bâtiment. Les températures peuvent donc être légèrement différentes de celles qu'on relèverait au sol;
des mesures ont d'ailleurs été effectuées pour chiffrer cette différence (voir les résultats).
| abri à persienne | abri à coupelle | sonde PT100 |
La mesure de la pression
Le premier baromètre a été inventé par Torricelli en 1644. C'était un tube en verre clos Ã
une extrémité et remplit de mercure. Ce tube retourné était plongé dans un récipient de mercure. Le niveau de mercure
dans le tube s'abaissait alors lentement laissant apparaître un espace vide. Ce baromètre a été amélioré en 1647 par
Descartes qui y adjoint une échelle graduée.
En 1648, Pascal et son beau-frère Périer
réalisèrent simultanément l'expérience de Torricelli à Clermont-Ferrand et au sommet du Puy de Dôme ce qui permis de mettre
en évidence la baisse de la pression avec l'altitude.
En 1663, RobertHooke mit au point le baromètre à cadran
et en 1843,l'ingénieur Lucien Vidie créa la baromètre anéroïde. Une capsule bombée recouverte d'une membrane
métallique a une face en contact avec le vide et l'autre avec l'air ambiant; la capsule se déforme alors avec la différence
de pression et agit comme un ressort.
De nos jours, on utilise des capteurs de pression qui sont constitués de cellules capacitives. Selon la pression de l'air,
le diélectrique (ou isolant) entre les 2 armatures du condensateur voit son épaisseur variée, ce qui modifie la capacité
du condensateur et permet la mesure de la pression.
L'unité légale de pression est le Pascal (symbole Pa), il existe d'autres unités encore couramment utilisées comme
le bar en hydraulique (1 bar = 100000 Pa), le mmHg (mm de mercure, 1 mmHg=133,3Pa) ou chez nos voisins anglo-saxons
le psi (pound per square inch, 1psi=6894Pa).
En météo, on parle plutôt en hectopascal (HPa) multiple du Pascal.
Les baromètres sont le plus souvent étalonnés par rapport au niveau de la mer; ainsi, pour gommer les effets de
l'altitude, on définit la pression relative qui est la pression ramenée au niveau de la mer. cela permet d'établir
des cartes isobariques de pression sans tenir compte de l'effet d'altitude.
| baromètre à eau | barographe à cellules anéroïdes | capteur de pression |
La mesure de l'humidité
La mesure de l'humidité est aussi appelée hygrométrie. Les ancètres des hygromètres sont apparus dès le milieu du XV
ème siècle. Ils utilisaient les propriétés hygroscopiques (changement de masse, de forme, de longueur ou de couleur
par absorption de vapeur d'eau) de certaines substances comme la laine. En 1623, Sanctorius met au
point un hygromètre composé d'une boule de plomb suspendue à une corde. Lorsque l'humidité augmente, la corde se raccourcit ce qui
provoque la montée de la boule. En 1625, Robert Hooke crée le premier hygromètre à cadran utilisant une barbe
d'avoine provoquant la déviation d'une aiguille selon son allongement ou son raccourcissement. En 1781, Horace Benedict
De Saussure met au point l'hygromètre à cheveu.
En 1825, Ernst Ferdinand August invente le
psychromètre qui est encore utilisé de nos jours dans les abris météos. Il est constitué de 2 thermomètres.
Un sec qui mesure la température de l'air ambiant et l'autre dont la partie sensible est enveloppée dans une mousseline maintenue
humide. Au contact de l'air, l'eau de la mousseline s'évapore; cette évaporation nécessite une certaine quantité
de chaleur (la chaleur latente de vaporisation) qui est prise dans la mousseline qui se refroidit donc. Plus l'air
est sec et plus l'évaporation est importante et donc plus la température diminue. La différence de température des 2
thermomètres permet de déterminer le taux d'humidité. Actuellement, les psychromètres sont peu à peu remplacés par
des capteurs d'humidité. Ce sont des sondes capacitives dont le diélectrique (isolant) est composé
d'une substance hygroscopique. c'est la variation de la valeur des propriétés isolantes du diélectriques qui permet
de déterminer le taux d'humidité.
| psychromètre | sonde capacitive d'humidité | psychromètres utilisés par Météo France |
La mesure des précipitations
Le premier pluviomètre connu a été trouvé en Corée et date de 1441. En 1639, Benedetto castelli
a l'idée de graduer le réceptacle récupérateur des précipitations en volume constant d'eau. En 1663,Christopher
Wren développe le principe du pluviomètre à augets. 2 augets basculants contenant 0,1 ou 0,2 ou 0,5 mm d'eau permettent
par comptage de leurs basculements de connaître la quantité d'eau tombée.
A l'heure actuelle, on utilise soit des pluviomètres
gradués soit des pluviomètres à augets. L'unité utilisée est le mm d'eau; 1 mm correspond à une quantité de précipitation
de 1 litre par m². Pour évaluer les précipitations solides comme la neige, certains pluviomètres, notamment en zone montagneuse
sont équipés de réchauffeur au niveau du cône récupérateur.
Depuis la seconde guerre mondiale, les progrès scientifiques
sur les ondes ont permis la mise au point de radar pouvant visualiser et mesurer les précipitations. Le principe est
basé sur la réflexion d'ondes électromagnétiques sur des obstacles mobiles.
| pluviomètre à lecture directe | système d'augets basculants | pluviographe enregistreur |
La mesure du vent
C'est l'amiral Sir Francis Beaufort qui imagina l'échelle qui porte son nom en 1805. Elle
fut réellement mise au point en 1831 puis maintes fois adaptée et améliorée pour être utiliser en météo marine
jusqu'en 1946.
Pour connaître la direction du vent, on utilise une girouette et pour mesurer sa valeur un
anémomètre. Il existe différentes sortes d'anémomètres, les plus répandus à l'heure actuelle sont les modèles
à coupelle. La vitesse du vent est obtenu à partir de la fréquence d'occultation de photodétecteurs. La principale
difficulté réside en la mesure de la vitesse de pointe des rafales. La prise de mesure doit se faire à des intervalles
de très faibles durées. Certains anémomètres (Météo France) ont une prise de mesure toutes les 0,5 s, celui de notre station météo toutes
les 2,5 s. Peu de stations amateurs sont donc capables de donner des valeurs non sous-évaluées des rafales.
Météo
France utilise aussi des radars basés sur l'effet Doppler. Il envoie une onde électromagnétique
de fréquence f et mesure la différence de fréquence entre l'onde émise et l'onde réfléchie. Lorsque l'onde émise
rencontre un obstacle qui bouge dans le sens longitudinal (précipitations, nuages, turbulences), l'onde réfléchit a une
fréquence différente de l'onde émise. Cette différence est proportionnelle à la vitesse radiale de déplacement de
l'objet.
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La mesure de l'ensoleillement
Le premier héliographe dit de Campbell-stokes date de 1853. Une boule de cristal de 10 cm de diamètre est exposé au soleil et fait office de lentille et de loupe de manière à brûler une feuille de papier placée à une distance judicieuse. De nombreuses améliorations ont été apportées au cours du temps de façon à obtenir une graduation en heures de la bande de papier brûlée. Notre station est, elle, équipée d'un pyranomètre qui est un capteur de flux thermique. Il mesure la puissance du rayonnement solaire en W / m². Relié à la console et au logiciel, il permet d'évaluer l'ensoleillement. On considère en météo que le temps est ensoleillé quand le rayonnement est supérieur à 120 W/m². Il existe aussi des sondes UV qui permettent de connaître le taux d'UV.
| héliographe de Campbell-stokes | pyranomètre | héliographe à fibre optique | pyranomètre de notre station |