Les paramètres météorologiques

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Humidité, pression, température, vent, ce document a pour objectif de donner aux enseignants des éléments de compréhension sur les paramètres météorologiques.

L'humidité : qu'est-ce que c'est ?

L'humidité représente la quantité de vapeur d'eau contenue dans l'air. A une température donnée, l'air ne peut contenir qu'une certaine quantité de vapeur d'eau, qui correspond à un seuil. Quand ce seuil est atteint, on dit que l'air est saturé. Au-delà de ce seuil, l'excédent de vapeur d'eau se transforme en eau liquide : c'est le phénomène de condensation. Plus la température est grande, plus ce seuil est élevé. On en déduit qu'un volume d'air qui contient une quantité donnée de vapeur d'eau a tendance à s'éloigner de la saturation quand il s'échauffe. Inversement, si on refroidit ce même volume d'air, il se rapproche de la saturation. La teneur en vapeur d'eau de l'air n'est pas constante d'un point à un autre du globe et ne l'est pas non plus en un point donné au cours du temps. Cette teneur est régie par le mécanisme du cycle de l'eau. On définit une échelle de valeurs pour l'humidité dont les limites correspondent d'une part à l'absence de vapeur d'eau dans l'atmosphère (ce qui n'est rigoureusement jamais réalisé) affectée de la valeur 0% et d'autre part à la saturation, représentée par la valeur 100%.

On raisonne souvent avec l'humidité relative. Celle-ci représente la quantité de vapeur d'eau en pourcentage par rapport à l'état de saturation. Cependant, les météorologistes préfèrent déterminer directement la masse d'eau contenue dans l'air. Ainsi, ils utilisent notamment le "rapport de mélange", qui est la masse en grammes de vapeur d'eau par kilogramme d'air sec qui la contient et "l'humidité spécifique", qui est la quantité d'eau en grammes par kilogramme de l'air humide qui la contient.

L'humidité : comment la mesurer ?

Pour mesurer l'humidité, avec un hygromètre, plusieurs méthodes sont possibles:
- les méthodes directes : elles consistent à placer un corps très avide d'eau dans une certaine quantité d'air et de le peser avant et après absorption de l'eau.
- les méthodes indirectes : elles consistent, pour des raisons de commodité, à déterminer le taux d'humidité à partir de la mesure d'une autre grandeur physique caractéristique qui lui est reliée: température, courant électrique, pression, ou encore volume. Par exemple, on mesure l'élévation de température due à une réaction fortement exothermique d'une substance chimique avec l'eau. C'est le cas de l'acide sulfurique. D'autres hygromètres professionnels utilisent la variation de certains paramètres (constante diélectrique, tension, etc.). Les hygromètres traditionnels utilisent la propriété qu'ont certains corps, comme le cheveu et la baudruche, de se dilater en fonction de l'humidité.

Les psychromètres constituent une autre catégorie d'hygromètres. La détermination de la teneur en vapeur d'eau est effectuée à partir de la mesure de deux températures distinctes. En effet, un psychromètre est constitué de deux thermomètres : l'un donne la température de l'air ambiant, l'autre donne l'abaissement de température dû à l'évaporation d'une couche d'eau qui recouvre le réservoir de ce thermomètre. La différence de température entre les deux thermomètres est reliée aux taux d'humidité de l'air. Ainsi si aucune différence n'est observée entre les deux, cela implique que l'eau qui recouvre le second thermomètre ne s'est pas évaporée donc que l'air est saturé : l'humidité relative est de 100%. La précision des psychromètres est suffisante pour une utilisation ordinaire.

La pression : la pression atmosphérique

Nous vivons en permanence dans un champ de pression . En effet, tout corps plongé dans un fluide (c'est-à-dire un liquide ou un gaz) est soumis à une pression dont l'effet est perpendiculaire à la surface. La pression est une force par unité de surface. En météorologie, la pression est exprimée en hectopascals (hPa) ou en millibars(mb), unités équivalentes au poids d'une masse de 10,2 kg sur une surface d'un mètre carré.
L'atmosphère, composée de gaz, est maintenue autour de la Terre grâce à la gravitation. L'air subit la force d'attraction terrestre. Il a un poids qui se répartit sur la surface de la Terre : c'est ce que l'on appelle la pression atmosphérique. Au niveau de la surface de la Terre, la pression est due à la colonne d'air qui nous surplombe. Les gaz exercent des forces sur les parois des récipients qui les contiennent mais aussi sur les surfaces placées à l'intérieur. Ainsi l'atmosphère exerce une pression sur la Terre et sur tout corps qui s'y trouve.
La pression varie d'un point à un autre à la surface de la Terre mais aussi en fonction du temps en un point donné selon les conditions climatiques.
La valeur de référence de la pression au niveau de la mer est de 1013,25 mb, ce qui représente plus de 10 tonnes d'air au-dessus de chaque mètre carré.

La pression : les variations de la pression

La pression varie avec l'altitude

L'air est un mélange de gaz compressibles : la pression en un lieu donné est d'autant plus grande que la couche d'air qui le surplombe est épaisse. Ainsi, on constate que la pression diminue quand on s'élève. Au niveau de la mer, la pression est donc en général la plus forte. A l'inverse les régions montagneuses constituent les zones où la pression est la plus faible.
La pression diminue avec l'altitude jusqu'à atteindre 500 mb à 5500 m, 100 mb à 10 km, 10 mb à 30 km, 1mb à 50 km, etc. Ainsi la moitié de la masse de l'atmosphère se situe en-dessous de 5500 m, 90% en-dessous de 10 km. La mésosphère et l'ionosphère (situées au-dessus de 50 km) ne représentent qu'un millième de la masse d'air totale.

La pression varie avec la température

L'air froid est plus dense que l'air chaud : il a tendance à descendre. L'air chaud, moins dense car dilaté, monte. Or le rayonnement solaire à la surface de la Terre est caractérisé par son inégalité. Il en résulte que le poids de l'air varie d'un point à l'autre de la Terre, à une même altitude mais aussi en fonction du temps en un point donné puisque le rayonnement solaire est également fonction du temps.
A la surface de la Terre cohabitent donc des zones de hautes pressions et des zones de basses pressions. Les météorologues représentent la répartition horizontale de la pression sur des cartes par des lignes de niveau : les isobares, courbes qui relient les points ayant la même pression. On y observe des maximums : les anticyclones, des minimums : les dépressions, des crêtes : les dorsales et des creux : les thalwegs.
Bien que l'air soit un mélange de gaz compressibles, cette caractéristique est limitée. On en déduit que toute convergence d'un flux d'air implique un soulèvement, ce qui entraîne la formation de nuages et donc de précipitations. Or, dans une première approximation, on considère que l'air se dirige des hautes vers les basses pressions. Ainsi les dépressions sont synonymes de mauvais temps alors que les anticyclones, caractérisés par des mouvements divergents, empêchent le développement vertical des nuages.

La pression : origine microscopique de la pression

La pression est due à l'agitation incessante des atomes ou des molécules qui se déplacent à grande vitesse : lorsqu'ils rencontrent une surface, ils rebondissent dessus : leur vitesse change de direction. La paroi sur laquelle ils rebondissent exerce une force sur ces molécules, puisqu'elle fait changer leur quantité de mouvement. D'après la loi de Newton sur les actions réciproques, les atomes exercent eux aussi une force sur la surface. À l'équilibre, les molécules qui bombardent la surface arrivent également de toutes les directions et, par raison de symétrie, la force résultante est normale à la surface.

En l'absence de cloison, on imagine une surface à l'intérieur du fluide : les molécules situées d'un côté de cette surface bombardent celles qui sont de l'autre côté.

Dans les gaz, les interactions entre les molécules sont extrêmement faibles, on peut considérer que les molécules se déplacent librement, sauf au moment des collisions. La pression augmente soit quand la vitesse des particules grandit (élévation de la température), soit quand le nombre de particules par unité de volume augmente (croissance de la masse volumique).

Dans les liquides la situation est un peu différente, car les molécules s'attirent les unes les autres et celles qui sont à l'intérieur " retiennent " celles qui se dirigent vers la paroi ; mais en gros, la pression est toujours due à l'agitation des molécules et au bombardement des parois.

La pression : comment mesurer la pression ?

L'expérience de Torricelli

Le mercure est une substance à la fois chère et dangereuse (il ne faut pas respirer les vapeurs de mercure, et donc ne pas jouer avec du mercure liquide qui s'évapore toujours un peu), nous ne vous suggérons donc pas de faire l'expérience, qui est pourtant facile à réaliser. On prend un tube fermé de plus de quatre-vingt centimètres de haut et on le remplit complètement de mercure. On le renverse sur un récipient contenant aussi du mercure, en veillant à ne pas laisser entrer d'air dans le tube (figure ci-dessous).

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On observe alors que la hauteur de la surface libre du mercure dans le tube se trouve à environ 76 centimètres au dessus de la surface du mercure dans le récipient. On mesure ainsi la pression atmosphérique.
C'est ce qu'a fait Torricelli en 1643. En 1648, Pascal a eu l'idée que la pression dans l'atmosphère pouvait varier avec l'altitude, comme celle des liquides, et il a repris les expériences de Torricelli en bas et en haut de la tour Saint Jacques à Paris (52 mètres de dénivellation): il a observé une variation de 4,5 mm de la dénivellation du mercure. Il a suggéré à son beau-frère qui se trouvait en Auvergne de refaire l'expérience à Clermont Ferrand et en haut du Puy de Dôme (1 000 m de dénivellation), et Monsieur Perrier a mis en évidence une diminution de la pression atmosphérique correspondant à 85 mm de mercure.
L'eau est un corps qui n'est ni cher ni dangereux. Pourtant nous ne vous suggérons pas de faire l'expérience de Torricelli avec de l'eau. Pouvez-vous dire pourquoi ?

Le baromètre à mercure

Le baromètre à mercure fonctionne sur le principe de l'expérience de Torricelli (figure ci-dessous) : la dénivellation du mercure mesure la pression atmosphérique. Notons en passant qu’on appelle manomètres les appareils qui mesurent la pression, sauf ceux qui mesurent pression atmosphérique, qui portent le nom de baromètres.

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La température : notion intuitive de la température

Nous avons tous une idée intuitive de la notion de température. Le sens du toucher nous permet d'apprécier si un corps est chaud ou froid, et même de faire des comparaisons et de savoir si un corps est plus chaud ou plus froid qu'un autre : on dit alors que la température de tel corps est plus élevée ou plus basse que celle de tel autre. Mais cette technique de " mesure " des températures basée sur le sens du toucher est très limitée. En effet, elle n'est pas très fiable: par exemple, lorsqu'on pénètre dans une cave, celle-ci paraît fraîche l'été et chaude l'hiver à cause de l'air extérieur qui est plus chaud en été et plus froid en hiver. C'est pour la même raison que les anciens croyaient que les sources laissaient couler de l'eau glacée en été et de l'eau tiède en hiver. Mais même des comparaisons faites au même instant peuvent conduire à des erreurs, comme le montrent les deux expériences suivantes:
- Dans une même pièce, placez une main sur un meuble en bois, l'autre sur une plaque de marbre. Le marbre paraît plus froid alors que les deux objets sont à la même température. C'est que le marbre évacue plus vite la chaleur de notre corps et nous parait ainsi plus froid.
- Prenez trois casseroles d'eau, la première contenant de l'eau chaude, la deuxième de l'eau aussi froide que vous pouvez en obtenir et la troisième de l'eau à la température de la pièce. Plongez votre main gauche dans l'eau chaude et votre main droite dans l'eau froide pendant au moins une minute. Placez alors vos deux mains dans la troisième casserole. Qu'en déduisez-vous sur la confiance que vous pouvez attribuer à vos sens pour la mesure des températures ?

Mais aussi cette technique est d'un emploi très limité: elle n'est utilisable que dans un petit domaine de température. L'expérience qui consisterait à comparer, à l'aide du toucher, la température d'un fer chauffé au rouge, celle de l'eau bouillante et celle de l'azote liquide (pour ne citer que quelques exemples) est fortement déconseillée.

La température : la température en météorologie

La chaleur est l'énergie qui nous provient du Soleil sous forme de rayonnement. En l'absence de nuages, notre atmosphère est quasiment transparente à ce rayonnement. Les rayons solaires arrivent au niveau du sol qui, selon sa nature, en absorbe une partie plus ou moins importante (elle dépend de l'albédo). Cette absorption porte le sol à une certaine température. La convection intervient alors pour permettre les échanges thermiques et ainsi réchauffer les couches d'air situées au-dessus du sol.
En un lieu donné, au voisinage du sol, la température connaît des variations régulières au cours des saisons mais également au cours de la journée. Ces variations sont liées à l'incidence des rayons du Soleil.
Au cours de la journée, le minimum de température se situe juste après le lever du Soleil et le maximum dans le milieu de l'après-midi. Cependant, les masses nuageuses, en modifiant l'insolation, peuvent avoir une influence.
La température est également fonction de l'altitude. Ainsi, du sol à environ 11 000 m, on observe une baisse de la température de 6,5 °C tous les 1 000 m. Cette zone de l'atmosphère correspond à la troposphère, où se produit la grande majorité des phénomènes météorologiques. Au-dessus de 11 000 m, on trouve la stratosphère où la température reste constante et vaut en moyenne -56 °C. Notons que la décroissance verticale de la température n'est pas régulière. Les isothermes sont les tranches de l'atmosphère où la température est constante. A grande échelle on observe une diminution de la température avec l'altitude. Mais il existe des régions, appelées inversions, où la température augmente avec l'altitude.

En météorologie, la température est un des paramètres les plus pertinents pour caractériser le temps qu'il fait.

La température : échelles usuelles de température

Échelle Fahrenheit

C'est le physicien allemand Gabriel Fahrenheit (1686-1736) qui inventa, en 1715, le premier thermomètre sensible et fidèle. Il utilisa la dilatation d'une colonne de mercure placée dans un fin tube de verre (pour que les différents thermomètres ainsi construits donnent des indications identiques, il faut que la section du tube de verre soit constante tout au long de la colonne, ce qui, au début du XVIIIe siècle, n'était pas si facile à réaliser). Il fut aussi le premier à proposer une échelle de température (encore utilisée de nos jours dans les pays anglo-saxons). Il fixa la valeur zéro pour la position de la colonne de mercure lorsque le thermomètre était plongé dans un mélange de glace et de sel, qui correspond à la température la plus basse qu'il put réaliser dans son laboratoire. On raconte qu'il attribua la valeur 100 pour la position de la colonne de mercure correspondant à la température de sa femme (elle devait être légèrement fiévreuse ce jour-là si l'échelle n'a pas changé depuis ce temps!). Il divisa alors la distance entre les deux points en cent parties égales et appela chacune d'elle un degré, connu maintenant sous le nom de degré Fahrenheit et noté 1 °F. Actuellement, le degré Fahrenheit est fixé en attribuant la valeur 212 °F à la température de l'eau bouillante, et la valeur 32 °F à la température de la glace fondante (toutes deux mesurées à la pression atmosphérique).

Échelle centésimale et échelle Celsius

C'est Anders Celsius (1701-1744) qui eut l'idée de repérer les températures en associant deux valeurs fixées à des propriétés de la matière aisément reproductibles. Il choisit pour température zéro l'indication du thermomètre plongé dans de la glace fondante et pour température 100, celle correspondant à l'eau bouillante. Il divisa ensuite l'intervalle entre ces deux points fixes en cent parties égales, chacune portant le nom de degré. Il définit ainsi l'échelle de température centésimale (on dit aussi parfois centigrade). L'échelle de température couramment utilisée dans nos pays et qui nous sert à repérer les températures usuelles est pratiquement la même que celle définie par Celsius . On l'appelle échelle Celsius, les températures y sont évaluées en degrés Celsius (notés °C). Il faut insister sur le fait que cette échelle de température constitue un repérage des températures, qui permet de les situer les unes par rapport aux autres, mais en aucune façon une mesure: il serait absurde de dire qu'un corps à 0 °C n'a pas de température, tout comme affirmer qu'un corps à 20 °C a une température deux fois plus élevée qu'un corps à 10 °C; ces valeurs numériques sont liées au choix, tout à fait arbitraire, de la température de la glace fondante pour la valeur 0 °C. De la même façon, dire qu'une température est négative dans l'échelle Celsius veut simplement dire qu'elle est inférieure à celle de la glace fondante.

La température : comment mesurer la température ?

Thermomètres à liquide

On mesure alors la température en mesurant la dilatation d'un liquide dans une enveloppe de verre. Un réservoir R dont le volume est de l'ordre du cm3 est surmonté d'un tube fin dont la section est de l'ordre du 1/10 de mm. Toute variation de volume du liquide due à une variation de température se traduit par un déplacement du niveau dans le tube d'autant plus important que le volume du réservoir est grand et que le tube est fin. Le degré correspond généralement à une longueur de quelques mm sur la tige. Remarquons que l'enveloppe de verre subit aussi la dilatation; elle est simplement plus faible que celle du liquide et ce qu'on observe est seulement la dilatation apparente du liquide dans le verre.

Les thermomètres à liquide usuels sont les thermomètres à mercure et les thermomètres à alcool (coloré en rouge pour le rendre plus visible). Le thermomètre à mercure peut être utilisé à partir de - 39 °C (température de solidification du mercure) jusqu'à des températures de 400 °C. Le thermomètre a alcool permet de descendre jusqu'à - 80 °C (mais il ne peut dépasser 75°'C).
Pour des températures plus basses, on peut employer du toluène (jusqu'à - 90 °C environ) et du pentane (jusqu'à -220°C).

Le thermomètre médical est un thermomètre à mercure gradué de 35 à 42 I°C. La tige est graduée en 1/10 de degré et le canal présente un étranglement pour empêcher le mercure de redescendre spontanément, ce qui donne le temps de lire facilement la température maximum atteinte. De petites secousses permettent de ramener le mercure dans le réservoir.

Le thermomètre à maximum et minimum est un thermomètre à alcool dont la tige est deux fois recourbée et dont la partie inférieure contient du mercure. Deux index en fer sont refoulés par ce mercure quand il monte, mais restent en place quand il redescend. Lorsque la température s'élève, l'alcool des réservoirs A et B se dilate, et l'alcool de B pousse le mercure qui fait monter l'index 1. Quand la température s'abaisse, l'alcool de B se contracte et le mercure redescend du côté A, mais l'index 1 reste en place à cause de son frottement dans le canal et indique ainsi la température maximale. Si la température s'abaisse encore, l'alcool de B se contracte et le mercure descend du côté A et monte du côté B, jusqu'à rejoindre l'index 2 et l'entraîner jusqu'à une position qui repérera la température minimale. La température instantanée est donnée par le niveau du mercure de l'un ou de l'autre côté. Lorsqu'on le désire, on peut ramener les deux index au contact du mercure à l'aide d'un aimant.

Thermomètres électriques

Les thermomètres à résistance sont basés sur la variation de la résistance d'un fil métallique avec la température. Le thermomètre à fil de platine est très précis et peut être utilisé de - 258 °C jusqu'à 900 °C.

Les thermistors sont basés sur le même principe mais fabriqués avec des corps semi-conducteurs dont la résistivité varie très vite avec la température (leur résistivité décroît avec T contrairement au cas des métaux). Ils peuvent être rendus extrêmement petits et sont très sensibles (mais ne sont en général pas stables sur de longues périodes).

Les thermocouples sont constitués par un circuit électrique composé de deux métaux différents A et B soudés l'un à l'autre. Une des soudures est portée à une température T. connue (glace fondante par exemple), l'autre à la température T à mesurer. Si T=/TO, il apparaît une différence de potentiel mesurée par un voltmètre V. Des tables de valeurs permettent de relier T à l'indication du voltmètre. Les thermocouples sont très précis et peuvent déceler des variations de température de 10- 6 K. Le faible volume des soudures permet de mesurer des températures en des points très précis. En utilisant différents couples métalliques, on peut mesurer des températures de - 269 °C jusqu'aux environs de 2 300 °C.

Le vent

La direction du vent

Il s'agit de la direction d'où il vient. Par exemple un vent du Nord souffle du Nord vers le Sud. La direction est déterminée grâce à l'allure de la manche à air ou de manière plus précise à l'aide d'une girouette, en général graduée de 20 en 20 °à partir du Nord. Ainsi, un vent à 180 ° est un vent du Sud. Un vent à 40 ° est un vent du Nord-Est. La direction du vent est approximativement parallèle aux lignes isobares (courbes qui relient les points de même pression). Plus le vent est fort plus ce parallélisme est vérifié. A partir d'une carte donnant les isobares on peut donc déterminer la direction du vent en tout point.

La force du vent

La force d'un vent est liée à sa vitesse. Elle est déterminée quantitativement par un anémomètre ou encore par l'allure de la manche à air. En météorologie, la force s'exprime en kilomètres par heure (km/h), c'est-à-dire qu'elle est équivalente à une vitesse. La force du vent est proportionnelle au carré de la vitesse. Par exemple pour une vitesse cinq fois plus grande, la force est multipliée par 25. Donc une augmentation raisonnable de la vitesse peut engendrer de gros dégâts.

Le vent est un déplacement d'air visant à compenser les différences de pression. Les paramètres qui rentrent en jeu sont la différence de pression et la distance entre les zones géographiques correspondant. Plus cette différence de pression est grande plus le vent est fort. Il en est de même lorsque la distance de séparation est faible. Quand on a une grande variation de pression sur une courte distance on parle de fort gradient de pression. Ceci se matérialise sur les cartes météorologiques par un rapprochement des lignes isobares.

Dans l'échelle de Beaufort on peut retenir les caractéristiques suivantes :
- 55 km/h : le vent peut casser les petites branches des arbres.
- 65 km/h : le vent casse les branches moyennes.
- 75 km/h : les arbres les plus légers sont déracinés.
-100 à 140 km/h : le vent peut briser des murs et des maisons légères.
-170 km/h et plus : les constructions les plus solides sont endommagées.

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