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La mesure des vents en altitude - le ballon-pilote

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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