Découverte des instruments Météorologiques - Futura
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Dossier>Découvertedesinstrumentsmétéorologiques Futura-Sciences 23/03/2002-Par MichaëlPIERROT DécouvertedesinstrumentsMétéorologiques Lesstationsmétéorologiques,lesinstrumentsquilacomposent,leurfonctionnementainsiqu'unaperçu desinstrumentsdehautetechnologie Page1/4-Découvertedesinstrumentsmétéorologiques Lesstationsmétéorologiques,lesinstrumentsquilacomposent,leurfonctionnementainsiqu'unaperçu desinstrumentsdehautetechnologie. StationmétéorologiquesurleVésuve,Italie.©MichalOsmenda-CCBY -SA2.0 Page2/4-Lesstationsmétéorologiques Jusqu'aumilieuduXXèmesiècle,lerelevémétéorologiqueausolétaitleseulmoyendontdisposaitle météorologuepourmesurerleclimat.Lasecondeguerremondialeaétéunfacteurdeprogrèspourla météorologiecarl'importancedesfacteursclimatiquespourlaréussitedesopérationsaériennesa entraînéuneévolutiondesmoyensutilisables. Ainsi,lesobservationseffectuéesenaltitudeontapportédenouvellesdonnéespourlemétéorologue.Unenouvelle étapeaétéfranchieavecl'utilisationduballon-sonde.Puissontapparusradarsetsatellitesmétéorologiques. 1-Lesrelevésmétéorologiques Malgré ces progrès très importants,la mesure au sol est restée fondamentale pour la prévision météorologique. C'est pourquoi existent toutes ces stations dont le rôle est de mesurer la température et l'humiditédel'air,lapressionatmosphérique,lesprécipitations,l'ensoleillementetlevent. Source:http://www.futurasciences.com/magazines/environnement/infos/dossiers/d/meteorologie-decouverte-instruments- Page1/8 Dossier>Découvertedesinstrumentsmétéorologiques Futura-Sciences StationmétéorologiqueNeumayerGAWGlobal,Antarctic.©Worldmetorg-CCBY -NC2.0 Voyons maintenant quels relevés on effectue, comment est conçue une station météorologique au sol et quels sontlesinstrumentsquilacomposent. 2-Lesparamètresmétéorologiquesàmesurer Les paramètres météorologiques à mesurer pour préciser un climat à un moment donné en un lieu précis sont au nombrede7: Troisd'entreeuxsontdesdescriptionsthermodynamiquesdel'air: * Sa température : c'est la grandeur physique qui caractérise de façon objective la sensation subjective de chaleuroudefroidlaisséeparlecontactdel'air *Sonhumidité:c'estlerapportdelapressioneffectivedelavapeurd'eauàlapressionmaximale * La pression atmosphérique : il s'agit de la pression exercée par la colonne d'air se situant au dessus d'une surface Deuxd'entreeuxsontdesdescriptionsdynamiquesdel'air: *Ladirectionduvent:c'estladirectiond'oùvientl'airenmouvement *Lavitesseduvent:ils'agitdelavitesseàlaquellesedéplacel'airenmouvement Enfin,lesdeuxdernierss'intéressentàlacouverturenuageuse: *Lesprécipitations:cesontlesdiverseschutesd'eau(pluie,neige,grêle) *L'ensoleillement:ilrésulted'unepartdel'intensitédurayonnementsolaireetd'autrepartdel'absorptiondece rayonnementparl'atmosphère 3-Lastationmétéorologiqueausol Les stations météorologiques sont des ensembles d'instruments qui permettent, en un point, de connaître précisémentunclimat. Lesstationsmétéorologiquescomprennentlesinstrumentssuivants: *Cinqthermomètres:mesuredelatempératureetdel'humidité, *Unbaromètre:mesuredelapressionatmosphérique, *Unensembleanémomètre-girouette:mesuredeladirectionetlavitesseduvent, *Unpluviomètre:mesuredesprécipitations, *Unhéliographe:mesuredel'ensoleillement. Source:http://www.futurasciences.com/magazines/environnement/infos/dossiers/d/meteorologie-decouverte-instruments- Page2/8 Dossier>Découvertedesinstrumentsmétéorologiques Futura-Sciences Ces instruments serontde préférence enregistreurs. On trouvera des détails sur chacun de ces instruments danslechapitresuivant. Les stations au sol ne sont pas installées au hasard. En effet, afin de pouvoir permettre les comparaisons, des règlesstrictessontàappliquer: *Lastationdoitêtreplacéedansunendroitdégagé,suruneherbetonduerase. *Lesinstrumentsdoiventêtreplacésàl'ombre,àaumoins2mètresdusol. *L'airdoitcirculerlibrementàl'intérieurdelastation. *Lastationdoitêtrepeinteenblancpourréduirel'absorptiondurayonnementsolaire. Page3/4-Lesinstrumentsclassiques Commenousl'avonsvu,latempératureestlagrandeurphysiquequicaractérisedefaçonobjectivela sensationsubjectivedechaleuroudefroidlaisséeparl'air. 1-Lamesuredelatempérature Elleestmesuréeàl'aided'unthermomètrequiutiliseleplussouventladilatationd'uncorps(alcoolgénéralement) placédansuntubefin(quiamplifiel'effetdedilatation).L'unitéutiliséedanslesystèmeinternationalestledegré Celsius(°C).Danscesystème,ladifférenceentreleniveauduliquideaupointdecongélation(physique)del'eau et au point d'ébullition de l'eau est de 100° (pour une pression atmosphérique standard). L'échelle Fahrenheit est elleaussiutilisée(0°C=32°Fet100°C=212°F). D'autres types de thermomètres existent, comme le thermomètre à résistance électrique, le thermomètre à bilame...Lethermomètreàalcoolpeutêtreaussiàminima,àmaximaouàminima-maxima. Anemomètre.©LauraNawrocik-CCBY -NC2.0 Unestationmétéorologiquecomprend5thermomètres: *Unpremierthermomètrequimesurelatempérature. * Un second thermomètre vertical dont la pointe est entourée d'un tissu dont un bout trempe dans l'eau et qui mesure la température humide. La différence entre ces deux températures permet decalculer le taux d'humiditédel'air. * Un troisième thermomètre, oblique, mesure la température maximale: il est conçu comme un thermomètre médical. Il possède ainsi un étranglement du capillaire au dessus du réservoir, ce qui empêche le liquide de redescendrequandlatempératurebaisseaprèsavoiratteintsavaleurmaximale. Source:http://www.futurasciences.com/magazines/environnement/infos/dossiers/d/meteorologie-decouverte-instruments- Page3/8 Dossier>Découvertedesinstrumentsmétéorologiques Futura-Sciences * Un quatrième thermomètre, horizontal,mesurelatempératureminimale. Il comporte un index noyé dans le liquide.L'indexdescendavecleliquide,maisneremontepas. * Un cinquième thermomètre, à minimum,mesure la température minimale au sol. Il est placé hors de la station,à5cmdusol. * Ces thermomètres peuvent être remplacés par un thermomètre enregistreur dans la station, un thermomètre enregistreurausoletunhygromètreenregistreurdanslastation. 2-Lamesuredel'humidité Ilexistedeuxdéfinitionsdel'humidité: *L'humiditéabsolue:nombredegrammesdevapeurd'eaucontenusdansunmètrecubed'air *L'humiditérelative:rapportdelapressioneffectivedelavapeurd'eauàlapressionmaximale C'est cette seconde définition qui intéresse le météorologue.L'humiditérelative,expriméeen%,indiquela teneurenvapeurd'eaudel'air.Schématiquement,à0%,l'airestabsolumentsec.A100%,l'airestsaturéen eau,ilnepeutencontenirplusetlaformationdegouttelettesd'eauestimminente. Nosavonsvudansleparagrapheconsacréàlamesuredelatempératurequel'humiditépeutêtrecalculéeàpartir deladifférenceentreunetempératuremesuréedefaçonclassiqueetunetempératuremesuréeditetempérature humide.C'est la méthode du psychromètre. Il est aussi possible de mesurer l'humidité directement, à l'aide d'hygromètres. Les hygromètres à absorption utilisent la propriété du cheveu humain qui s'allonge lorsqu'il devient humide. L'hygromètre de condensation mesure le point de condensation (physique) de l'humidité de l'air par le refroidissementd'unesurfacemétallique. 3-Lamesuredesprécipitations(pluviométrie) Les précipitations sont les chutes d'eau au sol :pluie,neige,grêle. Leur mesure s'appelle la pluviométrie.Les précipitations sont mesurées à l'aide d'un pluviomètre. Celui-ci mesure l'épaisseur d'eau tombée en un lieu, donc des millimètres (l'eau ne devant ni s'écouler, ni s'infiltrer, ni s'évaporer). Une épaisseur d'un millimètre correspondàunlitrerépartisurunmètrecarré. Un pluviomètre est un récipient conique (en forme d'entonnoir) gradué en millimètre d'eau (les graduations sont doncplusrapprochéesdanslapartiebasseetétroitequedanslapartiehauteetlarge). Lesprécipitationssolides(neigeougrêle)serontfonduespourêtremesurées. En dehors des périodes de gel peut être utilisé le pluviomètre enregistreur. Ce dernier mémorise chaque volume d'eaureçu.L'étudedupluviogrammedonneainsiunereprésentationprécisedesprécipitations,àlafoisentermes dequantitéetderépartitiontemporelle Un pluviomètre simple (comme celui ci-dessus à gauche) coûte moins de 10 euros. Un modèle plus grand et donc plus précis (comme celui ci-dessus au centre) coûte environ 50 euros. Attention, les modèles les plus simples craignentlegeletdurentrarementplusde2hivers.Unpluviomètreélectroniquecoûteunecentained'euros. 4-Lamesuredelapressionatmosphérique La pression atmosphérique est lapressionexercéeparlacolonned'airsesituantaudessusd'unesurface. Elle dépend des conditions météorologiques et elle diminue avec l'altitude. Elle est couramment mesurée en hectopascals(hPa,centainesdePascal)etvautenmoyenne1013hPaauniveaudelamer. On mesure la pression à l'aide de baromètres.Lebaromètreàcolonnedemercureestleplusconnu. Mis au point par Torricelli en 1643, il comprend un tube de verre d'environ 80 cm de longueur, fermé à une de ses extrémités. Lors de son expérience, Torricelli l'a rempli de mercure et l'a retourné. Le mercure s'est alors abaissé sans toutefois s'écouler. Ce phénomène est une conséquence directe de la pression atmosphérique et Source:http://www.futurasciences.com/magazines/environnement/infos/dossiers/d/meteorologie-decouverte-instruments- Page4/8 Dossier>Découvertedesinstrumentsmétéorologiques Futura-Sciences l'abaissement est d'autant plus fort que la pression est faible.Lesbaromètresactuelsutilisenttoujourscette méthode. La seule différence est que la partie ouverte est maintenant recourbée vers le haut. Certains baromètresdeTorricelliontaussiunétranglementquiaccroîtlocalementl'amplitudedudéplacementdumercureet permet une mesure plus précise (de l'ordre du dixième de millimètre de mercure). Enfin, la valeur mesurée est à corrigée de l'altitude (pour ramener la pression au niveau de la mer, 10 hPa pour 80 d'altitude) et de la température(lemercurepossèdeunimportantcoefficientdedilatation). Il est à noter que les indications « Pluie - Variable - Beau » placées sur certains baromètres n'ont guère de sens carl'évolutiondelapressionimporteplusquesavaleurstricte: une pression qui monte est signe de beau temps,mêmesilapressionestbasseenvaleurabsolue.Demême,unepressionhautemaisenbaisseestsignede dégradationdelasituationmétéorologique. Unautretypedebaromètre,lebaromètreenregistreur,estcomposéd'unrécipientmétalliquedanslequelonafait levideetquiréagitauxvariationsdepression.Saparoisubitalorsdesmouvementsqui,communiquésàunstylet appliqué à un cylindre rotatif, permettent de tracer l'évolution de la pression. Certains baromètres utilisent le principedurécipientvidemaisnesontpasenregistreurs. La pression moyenne est de l'ordre de 105 N (newton) par mètre carré, ce qui était autrefois appelé le bar (son millièmeestlemillibar)etquivaut105Pa(pascal),soit1000hPa(hectopascal). 5-Lamesureduvent Leventestunmouvementhorizontaldel'airsurlasurfacedelaTerre. Ilnaîtd'unedifférencedepression,et sepropageperpendiculairementauxisobares,despressionshautesverslesbasses,defaçonàréduireles écarts de pression. Le vent peut être défini par sa direction (le plus souvent son origine) et par sa vitesse (en Beaufort,kilomètreparheure,mètreparseconde...). Onutilisepourmesurerladirectionduventunegirouetteetpourlavitesseunanémomètre. Lagirouetteestuneplaquedeformevariable,mobileautourd'unaxeverticaletplacéeausommentd'un toitoud'unmat. Sous l'effet du vent, la girouette se place dans le sens du vent (la plaque du coté opposé à l'origine du vent). La lecture de la position angulaire de la girouette, à l'œil ou de manière électronique, donne la directionduvent. L'anémomètreestuninstrumentquisert,demanièregénérale,àmesurerlavitessed'écoulementd'un fluide gazeux.Il peut être constitué d'une simple hélice munie d'une capteur de vitesse (qu'il faut orienter alors dans le sens du vent) ou d'un rotor supportant trois demi-sphères placées à 120° l'une de l'autre et muni d'un capteurdefréquence. 6-Lamesuredel'ensoleillement La densité de la couverture nuageuse est importante pour le climat local et son évolution. Elle est aussi appelée nébulosité et est mesurée en octet : un ciel à 8/8 est complètement couvert et un ciel à 4/8 est à moitié couvert. Source:http://www.futurasciences.com/magazines/environnement/infos/dossiers/d/meteorologie-decouverte-instruments- Page5/8 Dossier>Découvertedesinstrumentsmétéorologiques Futura-Sciences Enregistreursderayonnementsolaire.©EliDuke-CCBY -NC2.0 L'instrumentutilisépourmesurerlanébulositéest l'héliographe,instrumentquiindiqueladuréedel'ensoleillement du lever au coucher du soleil. Il est constitué d'une boule de verre qui, en agissant comme une loupe, concentre lesrayonssolairessurunebandedepapieroùilsbrûlentlocalementlasurface.Cettebandedepapierestgraduée enheureestsonétudepermetdeconnaître,àchaqueinstantdelajournéesilesrayonssolairesfranchissaientou nonlacouverturenuageuse. Ilestaussipossiblederecourirauxcellulesphotovoltaïquespourmesurerl'intensitédurayonnementsolaire. Pourplusd'informationssurlamesuredel'ensoleillement,ilestpossibledeconsulterlesitedelastationsolaire de l'I.M.P. (Institut de Science et de Génie des Matériaux et Procédés, laboratoire du C.N.R.S., voir le paragraphesLiens) 7-Lesstationsélectroniques Les stations électroniques sont des instrument intégrés qui regroupenttout ou partie des instruments cidessus. Certains sont parfois même doublés, comme le thermomètre, l'hygromètre... Ceci permet de connaître le "climat"danslelieuoùsetrouvelastation,souventenintérieur.Lesautresinstrumentssontliésparfilsouondes radioàlastation. L'intérêtdecesstationsestgrand: *Mesureàdistance:sanssortirdechezsoi *Lecturerapidedetouslesparamètresmesurés *Lecturefréquentedesvaleurs:toutesles10secondesparexemple! *Prévisionsmétéorologiquesinstantanées *Possibilitédecommuniqueravecunordinateuretréaliser,viaunlogiciel,analyses,statistiquesetprévisions *Possibilitédeprogrammerdesalarmes:gel,ventfort,dépression...) Lesstationsélectroniquescoûtent,selonleurcomplexité,de100à600euros. Page4/4-Lesballons-sondesetsatellitesd'observation Lesballons-sondessontapparusaprèslasecondeguerremondiale.Denosjours,denombreusesbases delancementdeballons-sondesexistent,enmercommeausol. 1-Lesballons-sondes Source:http://www.futurasciences.com/magazines/environnement/infos/dossiers/d/meteorologie-decouverte-instruments- Page6/8 Dossier>Découvertedesinstrumentsmétéorologiques Futura-Sciences Les relevés effectués en altitude sont du même type que ceux effectués au sol. La mesure se fait pendant l'ascension qui dure jusqu'à l'éclatement du ballon.La température, l'humidité et la pression de l'air sont mesuréesencontinu;lesdonnéessonttransmisesausoletlasondeestensuiterécupéréeaprèsunedescente en parachute. De même,lapositiondelasondeàchaqueinstantfournitdesindicationssurlaforceetla directionduventenfonctiondel'altitude. Ballonsonde.©Worldmetorg-CCBY -NC2.0 Les données mesurées sont portées sur des diagrammes spéciaux qui permettent de suivre l'évolution des paramètresenfonctiondel'altitude,jusqu'àplusde20000mètres. Les données sont utiles non seulement pour les météorologues, mais aussi pour le trafic aérien qui est très dépendantdesventsd'altitude. 2-Radarsetsatellites L'inconvénient des ballons - sondes est de réaliser des mesures, certes sur une vaste gamme d'altitude, mais limitéesensurface.Seuleunefaiblerégionestparcourueparcessondes. Le radar est ainsi un outil très pratique, car il étudie unezone beaucoup plus étendue. Le terme RADAR est l'abréviation anglaise de RAdio Detection And Ranging (détection et télémétrie par ondes radio). Il s'agit d'un procédé qui permet de déterminer l'emplacement et l'éloignement d'un objet grâce au temps que met une onde lumineuse centimétrique ou décimétrique pour parcourir la distance qui sépare l'antenne émettrice - réceptrice de l'objetlaréfléchissant. Source:http://www.futurasciences.com/magazines/environnement/infos/dossiers/d/meteorologie-decouverte-instruments- Page7/8 Dossier>Découvertedesinstrumentsmétéorologiques Futura-Sciences SatelliteGPMchargéd'établirlesnormespourlesmesuresdeprécipitations,etobserverlespluiesetchutes neigedanslemondetouteslestroisheures.©Nasa-Domainepublic Le radar n'est pas utilisé qu'en navigation maritime ou aérienne ou en surveillance militaire. Appliqué à la météorologie,ilpermetd'avoir,parexemple,unecarteinstantanéedeszonesoùontlieudesprécipitations. Eneffet,ilpermetdesituerlesnuagesdangereux,leszonesdeprécipitations,l'épaisseurdelacouverture nuageuse.Onpeutdemêmesuivregéographiquementetentempsréell'évolutiondecesphénomènes. Cetterévolutionduradaraétésuivied'uneautrebienplusimportanteencore:lesatellitemétéorologique,etplus généralementlesatellited'étudedel'environnement.Lesatellitedonneunevue«del'extérieur»etsurtoutsur unetrèsvastezone. Un satellite en orbite géostationnaire voit près de la moitié de la Terre ! Les satellites en orbitebassevoientdeszonesplusréduites,maissileurorbiteestadaptée,l'ensembledelaTerreserasurvoléen quelquesjours. LessatellitespeuventétudierlaTerredanslevisiblecommedansl'infra-rougeoud'autresdomainesspectraux.Les satellites spécialisés peuvent mesurer la température de l'eau, l'altitude des océans, la répartition des différents typesdevégétation... 3-Liens Quelquesliens: *Lesitedelastationsolairedel'I.M.P.:www.imp.cnrs.fr/meteo/insolati.shtml *Bibliothèqued'imagesdesatellitesmétéorologiques:ALLMETSAT *LesitedeMétéoFrance:www.meteo.fr *LeserveurminiteldeMétéoFrance:3615METEO Source:http://www.futurasciences.com/magazines/environnement/infos/dossiers/d/meteorologie-decouverte-instruments- Page8/8
