Température

Météo

Les différents services météorologiques effectuent systématiquement des mesures de la température de l’air au voisinage de la surface terrestre et jusqu’à 30 km d’altitude. Ils effectuent aussi régulièrement des mesures de température superficielle du sol et des océans, établissent des profils de température en profondeur, jusqu’à 500 m en milieu marin et 1 m sur les continents.

Mesure de la température de l’air

Caractéristiques des mesures

Quel que soit le capteur mis en oeuvre, la valeur de la température obtenue n’est représentative de celle de l’air que s’il y a équilibre thermique en permanence entre le détecteur et le milieu. En pratique, il est donc nécessaire, de jour, de protéger le capteur du rayonnement solaire et, la nuit, de minimiser les pertes énergétiques dues à son propre rayonnement infrarouge : on doit pour ceci utiliser impérativement un abri météorologique.

La température de l’air ambiant est sujette à des fluctuations autour d’une valeur moyenne (de l’ordre de 1 à 2 C° en quelques secondes) qui n’ont que peu d’intérêt pour le météorologiste. Il est donc nécessaire soit de choisir des capteurs ayant des constantes de temps appropriées (supérieures à 30 s pour une vitesse de ventilation de 5 m/s), soit d’effectuer un filtrage numérique des mesures.

Abris météorologiques

Abris à ventilation naturelle

Ils se présentent sous la forme d’un parallélépipède dont le volume interne peut aller de quelques dm³ à 500 dm³ .

Les différentes parties qui les composent sont conçues pour assurer les fonctions principales suivantes :

— protéger les capteurs des précipitations solides ou liquides ;

— protéger les capteurs du rayonnement solaire ;

— entourer les capteurs d’une paroi dont la température est uniforme et identique à celle de l’air, afin d’annuler le
    bilan radiatif infrarouge des capteurs ;

— faciliter les échanges convectifs qui sont déterminants pour la mise en équilibre des capteurs avec l’atmosphère.

Sur le plan pratique, les parois latérales sont constituées par une série de lamelles empilées les unes sur les autres en ménageant une cheminée centrale (figure 7).

Figure 7 – Paroi latérale d’abri météorologique avec cheminée centrale

L’espacement et l’inclinaison des lamelles ont été calculés pour que les rayonnements extérieurs subissent au moins trois réflexions successives avant d’atteindre l’intérieur. La cheminée évacue vers le haut l’air qui peut s’échauffer au contact des faces externes exposées au soleil et assure le renouvellement de l’air.

Le plancher doublé présente lui aussi des chicanes pour permettre une libre circulation de l’air tout en arrêtant le rayonnement solaire réfléchi par le sol. Le toit largement débordant, formé de plusieurs parois séparées par des lames d’air, préserve le corps de l’abri du rayonnement solaire direct et de la pluie, tout en permettant d’évacuer une éventuelle zone d’air chaud occupant la partie supérieure du volume utile.

Le bois, qui demande un entretien périodique (peinture) et présente une capacité thermique élevée, est remplacé par les matériaux plastiques pour la fabrication des abris.

L’abri est disposé sur des pieds rigides, pour empêcher toute vibration perturbant le fonctionnement de certains appareils de mesure. La hauteur des pieds est telle que les capteurs contenus dans l’abri soient exposés entre 1,25 m et 2 m au-dessus du sol. Dans l’abri, les capteurs doivent être placés à au moins 10 cm de toute paroi. Dans l’hémisphère nord, l’ouverture de l’abri est tourné vers le nord.

Avec la généralisation des télémesures et des stations automatiques, de petits abris ne pouvant recevoir qu’un capteur à thermorésistance et présentant les mêmes fonctionnalités que ci-dessus ont été développés (figure 8).

Figure 8 – Abri miniature

Ils sont surtout employés pour effectuer des mesures à des fins climatologiques et des mesures de gradients thermiques verticaux.

Abris à ventilation forcée

Malgré toutes les précautions prises dans la réalisation des abris à ventilation naturelle, il arrive, au cours des périodes de vent calme et de fort rayonnement solaire, que des erreurs subsistent sur les valeurs de la température. On peut alors avoir recours à des abris ventilés. Ils se présentent sous la forme d’un tube à double paroi muni d’un ventilateur qui assure, par aspiration dans la zone de mesure, une vitesse de circulation de l’air comprise entre 2,5 et 5 m/s.

Par la configuration géométrique, on cherche à éviter le recyclage de l’air échantillonné et aussi la pénétration des gouttelettes d’eau qui mouillent les parois internes et provoquent des refroidissements par effet psychométrique.

Instruments de mesure de la température de l’air sous abri

Thermomètres ordinaires

Ce sont des thermomètres à mercure avec échelle gravée directement sur la tige. La plage de mesure va de – 31 à + 51C° avec division en demi-degré et chiffraison tous les 5 C°.

Ces thermomètres sont normalement utilisés dans la position verticale et sont maintenus par un support approprié de faible capacité thermique. Précision : de ± 0,2 o C à ± 0,5 o C.

Thermomètres à extremums

Les thermomètres à maximum possèdent un étranglement à l’entrée du tube capillaire (figure 9).

Figure 9 – Thermomètre à maximum : détail du réservoir

Lorsque la température décroît, il s’oppose au retour du mercure dans le réservoir. Le niveau d’affleurement de la colonne indique alors la température maximale.

Le thermomètre à maximum est placé sur un support qui le maintient dans une position légèrement inclinée sur l’horizontale (de quelques degrés), le réservoir étant placé vers le bas. Après chaque lecture (normalement à 6 h), l’appareil doit être amorcé.

Les thermomètres à minimum utilisent le toluène ou l’alcool. Leur capillaire contient un petit index très léger en forme d’haltère, immergé dans le liquide. Cet index est entraîné par la tension superficielle du ménisque ; lorsque la température décroît, il s’immobilise au niveau du minimum atteint.

Ces thermomètres sont exposés dans une position inclinée dans des supports identiques à ceux des thermomètres à maximum. Comme ces derniers, ils doivent être réamorcés après chaque lecture (normalement à 18 h) ; en basculant le réservoir vers le haut, on ramène ainsi l’index en contact avec le ménisque.

Ils présentent deux défauts : fractionnement des colonnes et distillation de l’alcool, qui se traduit par l’apparition de gouttes dans la partie supérieure du capillaire. On y remédie par centrifugation.

Thermographes bimétalliques

Ces appareils se composent :

— d’un capteur à bilame plane ;

— d’un système de levier qui amplifie les déplacements de l’extrémité libre de l’organe sensible et actionne un style inscripteur ;

— d’un cylindre tournant entraînant le diagramme sur lequel on enregistre la valeur de la température.

Il existe une grande variété de thermographes mais, pour les mesures météorologiques courantes, on a intérêt à s’orienter vers les appareils dans lesquels la bilame est le plus éloignée possible du corps de l’appareil, pour éviter tout rayonnement de ce dernier. Le fourreau protecteur doit être très ajouré, pour permettre une libre circulation de l’air autour de la partie sensible.

un appareil convenablement réglé — en agissant sur les systèmes dits de zéro et d’amplification — permet une mesure de la température à ± 0,8 C° et – 30 à + 55 C° par plages de mesures de 55 C°. Le diagramme peut être journalier ou hebdomadaire.

Les thermographes doivent être périodiquement vérifiés à l’aide des indications des thermomètres à extremums convenablement étalonnés.

Sondes thermométriques à résistance de platine et transmetteurs associés

Parmi les éléments sensibles courants (couples thermoélectriques, thermistances et thermorésistances), ce sont les thermorésistances en platine qui conviennent le mieux aux mesures météorologiques en surface pour les raisons suivantes :

— elles présentent une très bonne stabilité dans le temps ;

— elles sont fabriquées avec des tolérances suffisamment serrées pour pouvoir garantir leur interchangeabilité ;

elles se présentent sous la forme d’un bâtonnet placé dans une gaine en acier inoxydable avec culot de fixation pour les protéger et offrir une constante de temps du même ordre de grandeur que celle des thermomètres ordinaires.

Les jonctions électriques 4 conducteurs entre les sorties de l’élément sensible et le câble de liaison sont effectuées par soudure et isolées par enrobage dans une résine isolante et non hygroscopique.

Ces sondes thermométriques peuvent être connectées directement à une station automatique ou à un transmetteur qui transforme les variations de résistance du capteur en variations de courant ou de tension.

Mesure des températures au sol et dans le sol

Température minimale au sol

Elle est mesurée à l’aide d’un thermomètre à minimum ou d’une thermosonde placés sur un petit support à 10 cm au-dessus d’un sol gazonné. L’indication recueillie (appelée parfois indice actinothermique ) représente la température la plus basse que peut atteindre le sol au cours de la nuit.

Température dans le sol

Pour les faibles profondeurs (10 à 20 cm), on peut employer des thermomètres à mercure coudés. Le réservoir, de forme sphérique, se trouve à la profondeur souhaitée ; la partie recourbée de la tige portant la graduation est parallèle au sol, à 2 cm au-dessus.

Pour les profondeurs de 50 à 100 cm, on enfonce verticalement dans le sol un tube en matériau plastique (Lucoflex) dont l’extrémité porte une partie métallique. Dans le tube coulisse un support contenant un thermomètre à mercure ordinaire. Le support est relié par une chaînette à un bouchon qui coiffe l’extrémité du tube.

De plus en plus, les mesures de température dans le sol sont effectuées à l’aide de capteurs à thermosondes. Leur mise en place nécessite le creusement d’une fosse pour les enfoncer horizontalement, aux diverses profondeurs choisies, perpendiculairement à la paroi verticale. Ainsi disposés, les éléments sensibles se trouvent dans une zone où le tassement naturel du sol n’est pas affecté.