| (4) |
|
|
Retour : 03- Les principaux types de radiosondes
| (4) |
|
|
Voir aussi : Caractéristiques
de l'atmosphère standard : équivalence entre pression
et altitude - Conversion
d'unités de vitesse : noeud en m/s ou en km/h... - Les enveloppes de ballons-sondes
- Le ballon qui n'éclate
pas - Les
réflecteurs radar pour ballons-sondes - Les systèmes de localisation
utilisés par le radiosondage - la
pilote-sonde - La
rawinsonde ou radiovent -
La connaissance de la force et de la direction des
vents en altitude ne concerne pas que les seuls météorologistes.
Dès les débuts de l'aérostation, c'est à
dire à partir de 1783, les hommes ont trouvé des
raisons de chercher à savoir ce qui se passait du côté
des nuages. Avant de décoller, un pilote d'aéronef
voudra savoir dans quelles directions se déplacent les
masses d'air où il va évoluer, pour préparer
son plan de vol ou pour décider de laisser son appareil
au hangar. L'aviation naissante, dans les années 1910,
surtout quand elle est devenue militaire, a été
une grande consommatrice de ce genre d'information, réclamant
non seulement des données générales concernant
des régions entières mais aussi les conditions locales
des vents particuliers à une vallée ou à
un massif montagneux.
Le ballon perdu
Un ballon libre, sphérique, c'est à
dire ne possédant pas de moteur lui permettant de se déplacer
horizontalement ni une forme telle que sa vitesse verticale en
induirait une dans le plan horizontal (comme le fait une aile
de planeur), se déplace avec la masse d'air dans laquelle
il se trouve ; qu'il monte (cas général des ballons-sondes)
ou qu'il descende (cas des ballons qui se dégonflent et
dont la force ascensionnelle est devenue plus faible que leur
propre poids et des ballons-parachutes).
C'est en lâchant, puis en suivant des yeux un ballon de
ce genre que les premiers aéronautes, à la fin du
18e siècle, vérifiaient que les cieux leurs étaient
favorables, on le nommait alors "ballon perdu", car
il n'y avait que peu de chances de le revoir un jour. Ainsi le
1er décembre 1783, Jacques CHARLES, le physicien inventeur
du ballon à gaz, confia t-il à Etienne Montgolfier
son rival le soin de lâcher le petit ballon perdu de 2m
de diamètre en lui disant : "C'est à vous,
monsieur, qu'il appartient de nous ouvrir la route des cieux".
Ce ballon qui montre le chemin à suivre à l'aéronaute
sur le point de prendre l'air était - et est encore - appelé
"ballon-pilote".
Historique
Wilfrid de FONVIELLE,
dans son ouvrage consacré aux travaux de Gustave HERMITE
et Georges BESANCON (voir paragraphe Sources et documents
ci-dessous), écrivait en 1898 :
"...c'est par de petits globes, abandonnés
à eux-mêmes, que débuta l'aérostation,
tant à Annonay qu'à Paris et à Versailles.
Le ballon perdu lancé du Champ de Mars de Paris en 1783
fut observé par les plus célèbres astronomes
du temps qui s'étaient postés sur les principaux
monuments de Paris avec des altazimuts pour procéder par
des visées simultanées à la détermination
géométrique de la trajectoire."
Mais les savants se lassent vite d'étudier
le seul régime des vents en altitude et se tournent vers
les ballons montés emportant les personnes et les instruments
pour mesurer l'atmosphère : pression, température,
magnétisme..., les instruments de mesure enregistreurs
n'étant pas encore au point pour pouvoir être emportés
dans ce qu'on appellera à la fin du 19e siècle,
un ballon-sonde.
C'est ainsi que l'étude scientifique des vents
à l'aide de ballons-pilotes est restée en sommeil
pendant des décennies comme l'observe en 1898 l'auteur
cité :
"... La plupart des ballons perdus
dont on s'est servi jusque dans ces derniers temps étaient
lancés par les aéronautes forains avant les ballons
qu'ils allaient monter; leur but n'était que de se rendre
compte de l'état des couches atmosphériques qu'ils
allaient traverser, et de déterminer, par suite, la force
ascensionnelle dont ils avaient besoin pour ne point accrocher
les toits. Quelques-uns de ces globes étaient remplis d'un
mélange détonnant et faisaient explosion après
un temps plus ou moins long, suivant la longueur de la mèche
d'artifice dont ils étaient pourvus. Eugène Godard
agrémentait ainsi quelques-unes de ses expériences
publiques et expédiait les pilotes explosifs avec beaucoup
de talent. Le bruit que l'on produisait de la sorte était
uniquement destiné à attirer les curieux dans l'enceinte
payante, dont le pourtour était soigneusement entouré
de toiles de haute envergure..."
En 1906 Alfred de Quervain (1979-1827), météorologiste
suisse, entreprend une campagne d'étude des vents en altitude
à l'aide de ballons-pilotes dont la trajectoire était
suivie à l'aide d'un théodolite spécial qu'il
avait lui-même conçu et fait réalisé
par la société d'optique et de mécanique
de précision de Joseph et Albert BOSCH de Strasbourg. Dès
lors, les déplacements du ballon-pilote peuvent être
mesurée et on peut en déduire la direction et la
force du vent en altitude.
Au cours de la Première guerre mondiale ont été
utilisés des ballons-pilotes destinés à l'établissement
des tables de tir. Le philosophe ALAIN, artilleur pendant la Grande
guerre, en parle dans ses "Souvenirs de guerre" :
"...Depuis quelques temps le vent nous
apportait des lignes ennemies, déjà à Flirey,
des ballons rouges et bleus un peu plus gros que ceux dont les
enfants s'amusent. Nul n'avait pu me dire à quoi servaient
ces ballons. A l'intérieur on commençait à
en savoir plus long ; on apprenait à mesurer le vent aux
diverses altitudes en observant un ballon au moyen d'un théodolite
; on calculait les tables qui permettaient une interprétation
rapide et en même temps d'autres tables de correction pour
le tir de l'artillerie..."
Entre les deux guerres, des sondages de vent sont effectués
deux fois par jour dans les stations comme celle de l'aérodrome
de Lyon-Bron, par exemple. Les ballons-pilotes utilisés
sont des 30g suivis au théodolite (Morin et Le Prieur)
de 100m en 100m jusqu'à 2000m puis de 200m en 200m entre
2000 et 5000m. On en tire non seulement des statistiques mais
aussi des informations immédiatement utilisables par les
aviateurs.
La photo ci-contre (origine NOAA) montre deux techniciens dont
l'un s'apprête à lire les angles et les noter à
chaque minute sonnante et le second, occupé à lâcher
le ballon-pilote, va s'appliquer à le suivre au travers
de la lunette du théodolite.
Ballon-pilote
Le ballon pilote (pilot-balloon
ou en abrégé Pibal en anglais) est simplement
constitué d'une enveloppe de latex coloré et gonflé
avec un gaz moins dense que l'air (hydrogène ou hélium).
Qu'il serve à mesurer la hauteur par rapport au sol de
la base de la couverture nuageuse (autrement dit le plafond)
ou à mesurer la vitesse et la direction du vent à
chaque niveau d'altitude, il est nécessaire de connaître
sa vitesse de montée de la façon la plus précise
possible. La photo ci-contre montre un ballon-pilote fabriqué
par Panwan (Inde) de 45g dans son emballage étanche.
La vitesse de montée d'un
ballon en latex est réputée être constante,
l'augmentation de son volume pendant la montée compensant
la résistance de l'air augmentant avec la surface de son
maître-couple. Pour un ballon pilote elle dépend
:
- du poids P de l'enveloppe et du petit morceau de ficelle
qui le noue
- de la force ascensionnelle F développée
par le ballon gonflé.
Avant le lâcher il est facile de mesurer ces deux paramètres
à l'aide d'un peson : la masse avant le gonflage et la
force ascensionnelle après celui-ci.
P et F sont exprimés en grammes
La formule suivante (dite de J. ROUCH) permet d'évaluer
avec une bonne approximation la vitesse moyenne de montée
pour des ballons de 10 à 150g :
F et P sont en grammes et V est exprimée
en m/minute
Dans un tableur comme Excel cette formule se traduit par : =42*F/PUISSANCE(F+P;2/3)
où F et P sont les adresses des cellules contenant ces
paramètres.
Exemple : Un ballon pilote de 45 grammes, comme celui en
photo ci-dessus, développe une force ascensionnelle de
105g, sa vitesse de montée calculée sera de 156m/min
En réalité, cette vitesse moyenne calculée
est quelque peu approximative et, en traversant les différentes
couches de la troposphère, le ballon sera soumis à
des turbulences qui peuvent affecter nettement sa vitesse instantanée.
Nota : la vitesse de montée peut être calculée
également avec la formule de DINES ou celle du Signal Corps
de l'US Army. Les fabricants de ballons pilotes donnent également
des informations permettant de l'estimer.
En 1933, l'Office National de Météorologie français
utilisait deux sortes de ballons-pilotes :
- 18 grammes, rouge. Sa vitesse de montée était
de 100m/min, son diamètre après gonflage est de
35cm et son volume très particulier est de 22,4 litres.
Il sert simplement à déterminer le plafond nuageux
jusqu'à 2000m et n'est normalement pas suivi au théodolite,
un chronomètre suffit et l'opérateur n'a qu'une
multiplication facile à effectuer par calcul mental.
- 150 grammes, de couleur rouge ou bleue pour les sondages par
temps couvert, blanche quand le ciel est bleu. Vitesse de montée
200m/min, diamètre au lâcher de 75cm et volume de
221 litres.
C'est donc avec un chronomètre que l'on mesure une hauteur,
en multipliant la vitesse de montée par le temps écoulé.
Exemple : Si un ballon pilote disparaît dans le stratus
au bout de 100 secondes alors qu'il monte à 180m/mn, c'est
que le plafond se trouve à 300m du sol.
Le choix de la vitesse de montée (aux environs de 180-200m
par minute) est un compromis entre le risque de voir de ballon
emporté par les vents hors de portée visuelle si
elle est trop faible, et une résolution verticale insuffisante.
En faisant une mesure chaque minute pour une vitesse de montée
de 200m/mis, la résolution sera de 200m bien sûr
et le nombre de mesures entre le sol et 5000m sera de 25.
Utilisation du théodolite
Le théodolite est un appareil
optique permettant de déterminer la direction d'un objet
tant dans le plan vertical (angle de site) que dans le plan horizontal
(azimut), par rapport au nord. Par rapport à la lunette
de nivellement des géomètres, l'appareil utilisé
par les météorologistes permet une visée
au-dessus de 45°, jusqu'au zénith.
La figure ci-contre représente un ballon B dont
on détermine les déplacements à partir du
point T en mesurant :
- l'angle de site (ou angle d'élévation) q
- l'azimut a par rapport au nord N
(nord géographique)
Le but est de tracer, minute par minute, la position du point
P, projection de B dans le plan horizontal.
Or, la distance TP ne peut être calculée avec le
seul angle de site, le triangle rectangle TBP ne pouvant être
défini que si on connaît la longueur de son côté
BP qui est en fait la hauteur h du ballon par rapport au
plan horizontal où se situe le théodolite T. Cette
hauteur va être calculée en mesurant le temps avec
la plus grande précision et après avoir calculé
la vitesse moyenne de montée du ballon à l'aide
de la méthode de ROUCH, par exemple. Ainsi le ballon pris
en exemple précédemment parcourera 156m entre deux
mesures espacées de 60 secondes.
Comme toutes les mesures faites par un seul théodolite
sont effectuées relativement à sa propre position,
celle-ci n'entre pas dans les calculs. L'opérateur se contente
simplement d'orienter son appareil vers le nord géographique
(avec un compas et en tenant compte de la déclinaison magnétique)
et à en régler minutieusement l'horizontalité.
L'incertitude sur les valeurs calculées de direction et
de vitesse du vent pour un niveau d'altitude dépend de
nombreux facteurs :
- connaissance de la vitesse moyenne de montée, ce qui
est la plupart du temps le facteur prépondérant.
- variations de cette vitesse de montée, principalement
dans les couches basses turbulentes
- précision du chronométrage
- dérive du ballon en cas de vents forts qui l'éloignent
rapidement de l'opérateur
- précision des mesures d'angles, effectuées généralement
à 0,1 degrés près, dépendant bien
sûr de la qualité du suivi optique.
Dès les années 1930 ont été mis au
point des théodolites enregistreurs évitant la présence
de deux opérateurs (un pour le suivi et l'autre pour la
transcription des mesures)
Avant l'avènement des micro-ordinateurs, le dépouillement
des mesures se faisait avec une sorte de règle à
calculer.
Mesure avec deux théodolites
Pour une meilleure précision, les mesures peuvent être
effectuées par deux théodolites distants de quelques
kilomètres. La synchronisation des mesures est capitale
et les positions géographiques et les altitudes précises
des deux stations entrent dans le calcul. Un avantage de la méthode
est qu'on n'a pas besoin de connaître la vitesse de montée
du ballon-pilote. Une des difficultés pratique est l'acquisition
visuelle du ballon pour la station la plus éloignée
de son point de lâcher lorsque la brume réduit la
visibilité horizontale. Une liaison téléphonique
ou radio est nécessaire entre les différentes stations.
La précision des mesures dépend de la distance entre
le ballon et chacun des théodolites ainsi que de l'angle
formé entre les deux relèvements ; l'erreur augmentant
lorsque la valeur de cet angle s'éloigne de celle de l'angle
droit.
Cette méthode nécessite au minimum quatre opérateurs
(ou moins si des théodolites enregistreurs sur papier sont
utilisés) et les résultats ne sont connus qu'au
terme de calculs assez longs.
Limites et inconvénients du sondage par ballons-pilotes
et théodolite
A sa grande souplesse d'utilisation et à son faible coût
(si l'on excepte les frais des personnels requis), le sondage
par ballon-pilote oppose des inconvénients :
- altitude maximum liée au plafond nuageux, à la
brume, aux précipitations, à la proximité
du soleil...
- difficultés à suivre les ballons par grand vent,
en cas de perte visuelle, un nouveau sondage peut être nécessaire
- sondages nocturne nécessitant l'utilisation d'un lampion
en papier blanc (abritant une bougie dans les temps anciens, ce
qui nécessitait quelque précautions à cause
de l'hydrogène du ballon)
- précision limitée et souvent dégradée
à cause des turbulences, de la connaissance imparfaite
de la vitesse de montée...
Utilisation du radar
En accrochant un réflecteur
radar sous un ballon, sans radiosonde, il est possible de
suivre avec une très bonne précision les déplacements
du ballon pour en reconstituer la trajectoire et en déduire
le diagramme des vents. Cette méthode a été
utilisée de la fin des années 1950, où elle
a remplacée l'usage du radiothéodolite, jusqu'à
l'avènement des systèmes de géolocalisation,
en particulier du GPS.
Windsonde et radiovent
Quand le temps ne permet pas un sondage par ballon-pilote et qu'on
ne dispose pas d'un radar de suivi, encombrant et cher, c'est
une radiosonde particulière qui est utilisée. Par
mesure d'économie cette dernière, qui porte le nom
de radiovent ou winsonde ou rawindsonde ne
comporte pas de capteurs de température et d'humidité
et ne transmet que son altitude au travers de la mesure de pression,
quand elle est équipée d'un capteur de pression,
ce qui n'est pas toujours le cas. Sa trajectoire peut être
suivie par radiothéodolite, radar ou par un système
de géolocalisation, le GPS actuellement.
La tendance en 2015
Avec la miniaturisation et la baisse spectaculaire des coûts
des modules-récepteurs GPS, les fabricants ont mis au point
des radiosondes minuscules pesant parfois moins de 20g et capables
de transmettre leur position dans l'espace avec une très
grande précision. Leur légèreté autorise
à ne pas utiliser de parachute et le ballon qui les emporte
peut être un simple ballon-pilote très bon marché.
Avec la technique SDR, un récepteur 400MHz peut ne coûter
que quelques dizaines d'euros et ressembler à une clé
USB que l'on branche sur un PC portable, voire une tablette. Tout
l'équipement pour effectuer un radiosondage de vent peut
être emporté sous le bras ou dans la grande poche
d'un habit. Cette petite radiosonde pas plus grosse qu'un tube
de médicament prend le nom de pilotsonde
et va sans aucun doute faire du tort aux théodolites de
radiosondage.
Sources et documents
- Les Ballons-sondes de MM. HERMITE et BESANCON - W. de FONVIELLE
- Ed. GAUTHIER-VILLARS, Paris, 1898
- La navigation aérienne - Joseph Louis LECORNU - 1903
- (Gallica-BnF)
- Souvenirs de guerre - ALAIN - Paul HARTMANN éditeur,
1937
- La vitesse ascensionnelle des ballons-pilotes par J. ROUCH -
Le Génie civil tome LXXV numéro du 26/07/1919
- Alfred de QUERVAIN par Raoul Gautier - Le Globe 1927, n°1
- Les sondages aérologiques par ballons-pilote - J. ROUCH
- La Nature, 1919
- Site Internet de Martin Brenner : Pilot
Balloon Resources
- Aerology by W.R. BLAIR in Proceedings of the American
Philosophical Society, Vol. 56, No. 3 (1917)
- Cours de Météorologie, sondages aérologiques
- Office National de Météorologie - 1933 et 1943