Météo : instruments - cours

Le premier thermomètre date de 1654, inventé par le duc de Toscane. Au XVIIe siècle, les inventions vont se multiplier avec le thermomètre à alcool inventé par Roemer en 1702 et le thermomètre à mercure inventé par Fahrenheit dont l'échelle sera largement utilisée (où la glace fond à 32°F, et l'eau bout à 212°F). Réaumur inventa en 1730 un thermomètre à éthanol gradué de 0 (point de congélation de l'eau) à 80 (point d'ébullition de l'alcool) ; et le Suédois Celsius fit construire en 1741 un thermomètre à mercure gradué dans le sens inverse de celui que nous connaissons, son collègue Carl von Linné inversant cette échelle après sa mort, 3 ans plus tard.

En raison de la toxicité du mercure et de son coût, les thermomètres à alcool (coloré) ont remplacé les thermomètres à mercure dès le XIXe siècle.

Dans les années 1970 sont apparus les thermomètres numériques à affichage par cristaux liquides. Les thermomètres électroniques permettent aujourd'hui une grande précision dans la mesure.

Le thermomètre à minimum et à maximum (inventé dès 1782 par James Six) permet de mesurer les températures minimale et maximale d'une période donnée.

Torricelli inventa en 1643 le premier baromètre à mercure. Il remarqua qu'un tube rempli de mercure ne se vide que partiellement dans un bassin rempli de mercure, et qu'il reste 76 cm de hauteur. Il déduisit que l'air exerce une pression sur la surface du bassin qui contrebalance le poids de la colonne de mercure, expliquant ainsi pourquoi l'eau ne pouvait monter dans les pompes au-delà de 10 mètres (l'eau étant 13,6 fois moins dense que le mercure).

Torricelli remarqua aussi qu'une baisse de cette hauteur de mercure précède l'arrivée du mauvais temps.

Blaise Pascal confirma l'hypothèse de Descartes selon laquelle la pression décroît avec l'altitude.

Les baromètres ne seront construits qu'à partir du milieu du XIXe siècle.

L'unité internationale de pression est le pascal, qui correspond à un newton par mètre carré.

Les baromètres qui enregistrent l'évolution de la pression sont des barographes.

L'hygromètre à cheveu :

Il permet de mesurer approximativement l'humidité relative de l'air, à l'aide de cheveux humains qui ont la propriété de s'allonger de 2 à 2,5% lorsque l'humidité relative varie de 0 à 100%.  A noter que les cheveux blonds sont plus sensibles aux variations d'humidité que les cheveux bruns.

Malheureusement, la mesure est peu fiable car elle est trop sensible à la température.

Le psychromètre : 

La découverte date de 1777, par l'anglais William Cullen. L'appareil est constitué de deux thermomètres, l'un mesurant la température sèche (température de l'air), l'autre la température humide, obtenue en entourant le bulbe d'une gaze imbibée d'eau.

La différence entre les deux températures permet, après lecture d'une table psychrométrique, de déterminer l'humidité relative de l'air.

Plus le différentiel de température est important, plus l'air est sec. Par exemple, si la température de l'air est de 25°C et la température du thermomètre humide est de 20°C, l'humidité relative vaut 61%. Si par contre, la température de l'air est de 25°C et la température du thermomètre humide est de 23°C alors l'humidité relative est de 84%.

Cet instrument mesure ainsi le refroidissement lié à l'évaporation de l'eau de la mousseline par l'air. 

Le pluviomètre :

Il sert à mesurer la quantité de pluie tombée pendant un intervalle de temps donné. L'unité est le millimètre (ou le nombre de litres par mètre carré).

Le collecteur doit être placé à 1 mètre du sol et à plusieurs mètres d'obstacles qui pourraient perturber la mesure.

Les pluviomètres manuels à lecture directe, utilisés par les techniciens en météorologie ont été remplacés par des modèles à senseurs électroniques qui permettent d'enregistrer à distance et en continu les données de pluviométrie.

La pluviométrie variant fortement dans le temps et dans l'espace, il est nécessaire, pour obtenir une mesure représentative d'une région, d'effectuer de nombreux relevés sur de nombreux sites.

Le nivomètre :

C'est l'équivalent du pluviomètre mais pour la neige : cet appareil permet de mesurer la hauteur de neige, entre deux relevés ou en cumul.

Le haut de la cloche métallique (dans laquelle se situe un cylindre de cuivre où la neige s'accumule) doit se situer à 1,5 mètre de la surface de la neige.

Après la chute de neige, on retire le cylindre de cuivre et on réchauffe ses parois extérieures avec de l'eau chaude. On mesure la quantité d'eau ainsi fondue et on en déduit la quantité de neige sachant qu'un millilitre d'eau équivaut à un centimètre de neige.

La girouette :

C'est l'un des instruments météorologiques les plus anciens.

La girouette sert à indiquer la direction du vent. Installé généralement en haut d'un toit, ce dispositif métallique est constitué d'un élément rotatif (une flèche ou un coq par exemple) dont la pointe ou la tête, plus courte que le reste du corps qui a une plus grande prise au vent, pointe vers la source du vent.

De nombreuses girouettes indiquent, sur l'axe vertical fixe, la position des quatre points cardinaux pour une lecture directe.

Les girouettes modernes électroniques affichent directement le secteur du vent sur un écran.

L'anémomètre :

L'anémomètre mesure la vitesse du vent. 

Le premier anémomètre date du XVe siècle.

L'anémomètre à coupelles, inventé par John Thomas Romney Robinson, est composé de trois demi-coquilles reliées à un axe vertical qui est équipé d'un dispositif permettant de compter les tours : la forme creusée oppose plus de résistance au vent que la forme bombée ce qui entraîne la rotation de l'anémomètre.

la vitesse de rotation permet de mesurer la vitesse du vent.

Ainsi, un tour par seconde correspond à un vent soufflant à un mètre par seconde, soit 3,6 kilomètres par heure, dans un anémomètre standard. A noter que cet instrument ne permet pas de mesurer les vents au-delà de deux cents kilomètres par heure. 

En revanche, l'anémomètre à ultrasons permet de mesurer des vents très violents car il n'est pas basé sur des pièces mises en mouvement, mais il mesure la durée de déplacement d'une onde ultrasonore.

La manche à air :

Cet instrument indique la direction du vent et donne une estimation de sa vitesse.

Le manchon en tissu fixé en haut du mât, comporte cinq anneaux (souvent trois rouges et deux blancs) qui correspondent chacun à cinq noeuds : Lorsque le manchon est à l'horizontale, le vent souffle à vingt-cinq noeuds, soit quarante-cinq kilomètres par heure environ.

Le manche à air ne permet donc pas de mesurer la vitesse du vent au-delà de cette limite.

L'héliographe :

Il permet de mesurer la durée de l'insolation : 

Cette boule de cristal d'un diamètre de dix cm, concentre le rayonnement infrarouge du soleil et vient brûler une feuille de papier spécial sous la boule, sur un support incurvé.

On peut déterminer les moments de la journée où le Soleil a brillé d'après la partie du papier qui a brûlé, celle-ci étant graduée en heures.

L'instrument est réglable en fonction des saisons puisque la hauteur maximale du soleil varie en fonction des saisons ; et l'instrument est réglable également en fonction de la latitude.

Toutefois, la mesure n'est pas fiable à l'aube et au coucher du soleil, l'infrarouge étant filtré par l'atmosphère.

Le pyranomètre :

Il mesure la puissance du rayonnement solaire en watts par mètre carré. 

Cet appareil comporte une double coupelle de verre et une pile thermique : cette thermopile génère de l'électricité par effet thermoélectrique causé par une différence de température obtenue par l'absorption des radiations solaires par la surface noircie du capteur placé sous le dôme de verre tandis que le reste de l'instrument, abrité par un disque blanc, ne s'échauffe pas  : l'irradiance solaire est obtenue en mesurant la tension du capteur thermopile.

Seule la radiation directe et diffuse est mesurée, grâce à ce dôme de verre qui joue le rôle de filtre des longueurs d'onde.