Humidité de l’air
Définitions
Pour caractériser l’état hygrométrique de l’atmosphère, les météorologistes utilisent plusieurs paramètres.
Le rapport de mélange r, exprimé en g/kg, est le rapport de la masse de vapeur d’eau à la masse de l’air sec avec laquelle la vapeur d’eau est associée.
La tension de vapeur e′, exprimée en hectopascals, est la pression partielle exercée par la vapeur d’eau dans l’air humide à une pression totale p et avec un rapport de mélange r :
Lorsque l’atmosphère est à saturation par rapport à l’eau liquide, c’est-à-dire que l’air humide peut coexister en équilibre indifférent avec la phase condensée, le rapport de mélange est dit saturant (rw) et la tension de vapeur devient saturante (e′w)
(e′w) est une fonction croissante de la température t qui peut être calculée à partir de la formule de Goff et Gratch utilisée en météorologie.
La formule suivante (Murray, 1967) en est une bonne approximation :
(2)
avec to C°,
e′w hPa.
Elle est souvent utilisée en raison de sa simplicité et du fait qu’elle permet aisément le calcul de la température du point de rosée en fonction de e′w.
Dans le cas où la saturation a lieu par rapport à la glace, r et e′ portent l’indice i : ri et e′i.
La température du point de rosée Td (d pour dew point ), exprimée en degrés, est la température à laquelle il faut refroidir une masse d’air humide avec un rapport de mélange r à la pression p pour qu’elle devienne saturante :
L’humidité relative Uw par rapport à l’eau liquide, à la pression p et à la température t, est représentée par le rapport, exprimé en pour-cent, entre la tension de vapeur et la tension de vapeur saturante :
Dans le cas de la saturation par rapport à la glace, U(%) devient :
Si l’on excepte le rapport de mélange, il existe de multiples instruments permettant de mesurer chacun des paramètres e′, Td et U %.
Mesure de la tension de vapeur
Principe du psychromètre
Cet appareil, dû à Regnault , est composé de deux thermomètres. Le premier indique la température de l’air t , le second, dont la partie sensible est maintenue mouillée à l’aide d’une mèche trempant dans un réservoir d’eau, fournit une valeur t ′ (appelée température du thermomètre mouillé) inférieure à t .
L’écart (t – t′) est d’autant plus grand que le phénomène d’évaporation est plus intense ou que l’air est plus sec. La différence (t – t′) est liée à la tension de vapeur d’eau existant dans l’atmosphère e ′ par la relation simplifiée :
(3)
avec
(e′w)t' tension de vapeur saturante à t′ (C°),
(e′) t tension de vapeur existant dans l’air à t (C°),
p pression atmosphérique,
A coefficient, donné par le constructeur, appelé abusivement constante psychrométrique , variable avec la vitesse de ventilation et les caractéristiques géométriques du capteur.
(e′)t devient calculable à partir de t′ [qui permet de trouver (e′w)t′en utilisant la relation (2)], de (t – t′) et p.
Connaissant (e′)t , il est possible de rechercher Td qui est la température à laquelle e′t devient saturante, puis U .
Au-dessous de 0 C°, on ne peut envisager une utilisation en continu des psychromètres.
Psychromètre à ventilation naturelle
Cet appareil, toujours exposé dans un abri météorologique, se présente sous la forme d’un support contenant les deux thermomètres, le réservoir d’eau et la mousseline. Ce dernier élément, qui assure le renouvellement de l’eau sur la surface évaporante, est constitué par une mèche en coton plongeant dans la réserve d’eau, surmontée d’une enveloppe cylindrique en tissu de coton qui entoure le réservoir du thermomètre mouillé.
Dans les conditions usuelles, si t′ est positive, cet instrument très simple fournit des résultats convenables, à condition de prendre les précautions élémentaires suivantes :
— la longueur de mèche entre la sortie du réservoir d’eau et la base du thermomètre doit être de l’ordre de 2 cm ;
— la mousseline doit recouvrir le réservoir et la tige du thermomètre sur une longueur d’au moins 2 cm ;
— on doit veiller à ce que la mousseline soit toujours très propre ; un remplacement hebdomadaire se révèle nécessaire même dans une atmosphère exempte de corps polluants ; cette fréquence doit être augmentée en milieu urbain ou en bordure de mer ;
— l’utilisation d’eau distillée ou déminéralisée est impérative. La ventilation des thermomètres doit être supérieure à 2 m/s.
Psychromètre à ventilation forcée
Le plus connu est le psychromètre Assmann (figure 10).
Figure 10 – Psychromètre Assmann
La monture est constituée à sa partie inférieure par deux tubes métalliques polis et concentriques protégeant les réservoirs de deux thermomètres contre tout rayonnement thermique, et à sa partie supérieure par un ventilateur entraîné par un moteur mécanique. La vitesse de circulation de l’air au niveau des thermomètres est d’environ 2 m/s. Les résultats obtenus avec cet appareil sont à peu près indépendants de la ventilation extérieure existante, à l’inverse des psychromètres à ventilation naturelle.
Le psychromètre crécelle est formé d’une poignée autour de laquelle l’opérateur peut faire tourner une monture rigide supportant les deux thermomètres. Avec les modèles courants, il faut entraîner l’ensemble à une vitesse de 4 tr/s pour obtenir une ventilation de l’ordre de 2 m/s au niveau des réservoirs.
Mesure de l’humidité relative
Hygromètre à variation d’impédance
Ces capteurs (figure 11) mettent en oeuvre des substances dont le contenu en eau est à tout instant fonction de l’état hygrométrique ambiant.
Figure 11 – Schéma de principe d’un hygromètre capacitif (Vaisala)
Les quantités d’eau retenues par le matériau affectuant ses propriétés électriques (résistance et permittivité), on peut alors connaître l’humidité en mesurant ces caractéristiques électriques. Les mesures capacitives sont préférables aux mesures de résistance électrique, qui sont très souvent perturbées par des variations de la résistivité du matériau indépendantes de sa teneur en eau.
Ces capteurs ont l’avantage d’avoir une réponse rapide (constante de temps de l’ordre de quelques secondes) et d’être facilement interfaçables à des stations automatiques d’acquisition ou à des indicateurs. Il existe de très nombreux capteurs capacitifs sur le marché. Beaucoup de ces capteurs ne tolèrent pas un fonctionnement à saturation (100 % d’humidité), la plupart étant utilisés en contrôle ou en régulation. Pour une utilisation météorologique, les capteurs doivent fonctionner en atmosphère saturée ainsi que dans une gamme étendue de température. La durée de vie de l’élément sensible est de 1 ou 2 ans.
Un étalonnage annuel est généralement nécessaire. Il est alors possible d’obtenir des erreurs de mesures inférieures à 3 % à la température d’étalonnage. L’effet de température est de l’ordre de 1,5 % pour 10 C°.
Hydrographe à cheveux
Les allongements d’une mèche de cheveux en fonction de l’humidité relative de l’air sont amplifiés et transformés en déplacements d’un style inscripteur sur un diagramme. Le système d’amplification est pourvu d’un dispositif linéarisateur, de manière à rendre les déplacements du style proportionnels à l’humidité relative. L’appareil, installé dans un abri, doit être vérifié périodiquement. Le réglage dit de zéro (que l’on fait à 100 %) consiste à faire coïncider la plume et le repère 100 du diagramme en mouillant la mèche avec de l’eau distillée.
Il est recommandé de dépoussiérer et de dégraisser la mèche par un lavage avec de l’éther éthylique puis un rinçage à l’eau distillée. Le réglage d’amplification, réalisé après tout changement d’élément sensible, exige de disposer de trois points de référence, aussi est-il difficile à faire si l’on n’a pas une enceinte climatique appropriée. 4.4 Mesure de la température du point de rosée
Hygromètre à condensation
Le schéma de l’hygromètre à condensation est donné en figure 12.
Figure 12 – Hygromètre à condensation
On refroidit par effet Peltier un petit miroir devant lequel circule un échantillon d’air humide, jusqu’à ce que de fines gouttelettes d’eau apparaissent à sa surface. À cet instant, la phase liquide (et/ou solide) est en équilibre avec la vapeur d’eau que renferme l’air.
La température à laquelle cet équilibre se manifeste est, par définition, la température du point de rosée Td;
elle est mesurée à l’aide d’un capteur de très faibles dimensions placé sous le miroir. L’appareil possède un système de régulation dosant la puissance frigorifique pour qu’une couche de condensat subsiste sur le miroir quelle que soit la teneur en eau de l’échantillon d’air humide défilant sur la tête de mesure. Les performances de ces hygromètres sont conditionnées par la puissance du système de refroidissement (domaine de mesure), par la sensibilité du dispositif de régulation (précision) et l’exactitude du capteur de température.
— Domaine pratique de mesure : 20 à 100 % (au-dessous de zéro, l’appareil fournit une valeur de l’humidité relative par rapport à l’eau liquide).
— Domaine de température d’utilisation : – 20 à + 50 C°.
— La constante de temps à – 20 C° est le triple de celle qui existe à 40 C°.
— Précision : ± 5 % à la température d’étalonnage.
En utilisation permanente, et à l’extérieur, il importe de prévenir les dépôts de polluants sur le miroir par l’installation de filtres sur la canalisation d’amenée d’air sur la tête de mesure. Il est nécessaire aussi de réchauffer cette canalisation pour éviter que des condensations s’y déposent, vidant ainsi en partie l’échantillon à analyser de son contenu en eau. Lorsque la température du point de rosée est inférieure à 0 C° il arrive que le condensat reste momentanément sous la forme d’eau surfondue alors qu’il devrait être à l’état de glace. La valeur de Td obtenue est alors inférieure à la valeur réelle. L’incertitude qui en résulte est de l’ordre de 0,5 C° pour un Td = – 10 C°.
Sonde hygrométrique à sorption thermocontrôlée
Ce capteur est fondé sur les propriétés des solutions salines hygroscopiques. Le courant de chauffage passe d’une électrode à l’autre à travers la solution de chlorure de lithium qui imprègne le manchon de laine de verre recouvrant la thermosonde (figure 13).
Figure 13 – Sonde hygrométrique à sorption thermocontrôlée
Il en résulte un échauffement par effet Joule et une évaporation de l’eau de la solution. On parvient alors à un sel anhydre non conducteur, aucun courant ne peut traverser la cellule, et elle se refroidit : mais en se refroidissant, le sel se réhydrate d’où un nouveau passage de courant.
En fait, ce processus conduit à une température d’équilibre dont la valeur n’est fonction que de la tension de vapeur d’eau (donc de Td) existant à cet instant dans l’atmosphère. Ce capteur ramène donc une mesure d’humidité à une mesure de température.
Cette sonde demande à être protégée contre les effets de la ventilation, car toute modification de l’écoulement de l’air au contact de la partie sensible perturbe l’équilibre thermique du capteur ; on y remédie en le plaçant dans une enveloppe d’hydrocellulose (cellophane) perméable à la vapeur d’eau. La sonde doit être réapprovisionnée périodiquement.
Cette opération est rendue nécessaire par les dépôts de polluants atmosphériques qui viennent neutraliser les sels actifs. Le renouvellement de la solution exige préalablement un bon nettoyage de la partie sensible. En atmosphère à peu près propre, une régénération est nécessaire tous les trois mois environ.
Sur le plan des servitudes, ce capteur demande à ce qu’une énergie lui soit fournie en permanence, même si l’on doit effectuer des mesures ponctuelles et espacées dans le temps.
Contrôle et étalonnage des hygromètres
Différentes méthodes existent en fonction de l’exactitude requise et du type de capteur à étalonner.
Une des méthodes les plus employées est la méthode par comparaison dans une chambre climatique (température et humidité contrôlées) en utilisant comme références un hygromètre à point de rosée de laboratoire et un système de mesure de la température. Elle peut s’appliquer dans son principe à l’ensemble des hygromètres utilisés en météorologie (hygromètre à point de rosée, capteurs capacitifs, hygrographes, etc.).
Les hygromètres capacitifs peuvent être étalonnés à l’aide de solutions salines saturées. Le principe est le suivant :
pour un grand nombre de solutions salines saturées, le rapport entre la pression de vapeur au-dessus de la solution en équilibre thermodynamique et la pression de vapeur saturante au-dessus de l’eau pure reste constant quelle que soit la température.
Ce rapport exprime la valeur de l’humidité relative de l’air au-dessus de la solution saline saturée (pour le chlorure de sodium, U ≈ 75 % d’humidité relative).
Le capteur à étalonner est placé directement dans l’air humide au-dessus de la solution saline saturée servant de référence. Cette méthode simple, peu onéreuse et reproductible, est facilement mise en oeuvre, mais nécessite certaines précautions d’emploi :
— pour la fabrication des solutions :
• utiliser des sels purs, qualité « pour analyse »,
• utiliser de l’eau distillée,
• utiliser des flacons en verre ou en acier inoxydable très propres,
• bien s’assurer que la solution est saturée (quantité de sel suffisante),
• veiller aux points suivants :
certains sels sont corrosifs ; il faut ajouter le sel à l’eau (et non l’inverse) ; lors de l’introduction du sel, il peut y avoir de forts dégagements de chaleur, etc ;
— pour l’étalonnage :
• s’assurer de la stabilité et de l’homogénéité de la température (air au-dessus de la solution saline, eau de la solution saline, capteur à étalonner) : il faut impérativement que l’ensemble soit thermostaté,
• attendre l’équilibre (plusieurs heures) avant de réaliser les mesures.
