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La mesure des vents en altitude - la rawinsonde ou radiovent

Retour : 03- Les principaux types de radiosondes


Voir aussi :  Caractéristiques de l'atmosphère standard : équivalence entre pression et altitude - Les enveloppes de ballons-sondes - Le ballon qui n'éclate pas - le ballon-pilote - la pilotsonde -  Principe du barocontacteur - Rawinsonde Mesural "sonde-vent" -     




But

  L'information primordiale pour les météorologistes, mais surtout pour les utilisateurs de l'espace aérien concerne le vent en altitude ou plus précisément les mouvements des masses d'air aux différents étages de la troposphère. Pour le mesurer depuis le sol, un moyen tout simple existe : le ballon-pilote mais celui-ci présente beaucoup d'inconvénients, par exemple celui de ne pouvoir être utilisé quand la visibilité est trop faible. La solution pourrait être de placer un émetteur (appelé rawinsonde, windsonde ou radiovent) sous un ballon et de le suivre par radiogoniométrie à l'aide de deux ou trois stations au sol. Le principe est simple comme on va le voir, mais encore faut-il que le niveau de technologie le permette.

Principe

  Le ballon B transporte un émetteur qui rayonne dans toutes les directions. Deux opérateurs A et C placés sur le terrain à une certaine distance l'un de l'autre écoutent, chacun sur son récepteur, le signal reçu à l'aide d'une antenne directive. Le signal est le plus fort en direction du ballon, ils peuvent ainsi mesurer à l'aide d'une boussole la direction (l'azimut) du ballon par rapport au nord.
  A un moment convenu, par exemple à 13h00 exactement, ils notent la direction du ballon. Puis une minute plus tard, à 13h01, les deux stations d'écoute réitèrent leurs mesures. Entre tenps le ballon s'est déplacé, poussé par le vent et se trouve à la position B'

En traçant sur une carte une demi-droite partant de la position de chacun des deux opérateurs et orientée par rapport au nord de la carte selon l'azimut relevé, on peut déterminer la position du ballon B à l'instant t et la position B' une minute plus tard. La direction suivie par le ballon est celle du vent, son déplacement accompagne celui de la masse d'air. On peut le déterminer facilement en mesurant la longueur du segment B-B' sur la carte et en convertissant celle-ci à l'aide de l'échelle. La vitesse est ensuite facile à calculer.
Exemple :
La distance B-B' sur la carte au 1/50000 est de 12mm, donc le déplacement d du ballon a été de 600m. Comme il s'est effectué en 1 minute, la vitesse est donc de 600m/min, soit 10m/sec.

Noter que, si le ballon se déplace vers le 315 degrés, le vent vient du 135 degrés ; sur la figure ci-dessous
w = 315-180




Historique

  Tel l'augure de la Rome antique, l'aéronaute du 19e siècle interrogeait le ciel pour savoir si les vents seraient favorables à l'ascension qu'il projetait. Pour cela il lâchait un ballon-pilote dont il observait la trajectoire dans le ciel. Au début du 20e siècle, le savant suisse Alfred de Quervain imagina une application scientifique à ces ballons-pilotes pour l'étude scientifique des courants aériens.
 
 Lors de la première guerre mondiale, la guerre de position fournit aux artilleurs une belle occasion d'étudier l'influence du vent sur la dispersion des projectiles qu'il expédiaient chez l'ennemi. En 1917, le lieutenant d'artillerie Pierre IDRAC et le professeur Edmond ROTHE, officier du génie alors président de la Commission aéronautique des Inventions étudient le moyen de mesurer le vent en altitude en installant un anémomètre sur un ballon captif et imaginent de transmettre un signal électrique au sol à chaque tour du moulinet. Seulement, le ballon utilisé est incapable d'enlever une grande longueur de fil téléphonique et la solution qu'ils trouvent est d'utiliser un émetteur à étincelle modulé (ou plutôt "manipulé") par un contact électrique manoeuvré par le moulinet. Le câble d'acier retenant le ballon était utilisé comme antenne, la partie métallique de la nacelle servant de contrepoids. Ce système expérimental préfigurait la radiosonde qui allait s'envoler une douzaine d'années plus tard. Il est intéressant de noter qu'à la même époque les Allemands Friedrich HERATH et Max Robitzsch menaient le même type d'expérimentation à Lindenberg, aboutissant à la mise au point de la "Drahtsonde", la "sonde à fil" (sous-entendu : utilisant le câble du cert-volant ou du ballon captif). On ne peut soupçonner les uns d'avoir copié sur les autres...

  La localisation d'un émetteur par radiogoniométrie est une pratique très au point en 1920, au sol, mais aussi pour le repérage des ballons dirigeables. Il était donc naturel pour les météorologistes les plus innovateurs de vouloir accrocher un émetteur sous un ballon-pilote pour suivre les déplacements de celui ci à l'aide de stations de radiogoniométrie au sol. Le principe des radiogoniomètres était basé sur une des propriétés des antennes-cadre qui présentent un nul très marqué dans leur diagramme de rayonnement. Il faut noter que ces antennes-cadres sont utilisées principalement sur des fréquences inférieures à quelques MHz.
 Dès le début des années 1920, Friedrich HERATH à Lindenberg tente d'utiliser un émetteur à étincelles mais après de nombreux essais il renonce, le fonctionnement en vol est bien trop aléatoire et de dépasse pas 30 minutes dans le meilleur des cas. En outre la mesure de direction est beaucoup trop imprécise. Paul DUCKERT reprend le flambeau avec un émetteur à tube sur ondes courtes sans plus de succès. Poussé par le directeur de l'Observatorium de Lindenberg, Hugo HERGESELL, il oriente ses recherches en 1927 vers la mise au point d'un "Radiometeorograph" en couplant d'abord la Drahtsonde à son émetteur mais n'aboutira qu'en 1930.
En 1924, aux Etats-Unis, William R. BLAIR procéde à des essais d'un émetteur ondes courtes à tube dont la tension plaque est fournie par un vibreur alimenté par la basse tension de la pile de chauffage du filament. Il ne publiera ses résultats qu'en 1931.
En fait, il semble que la mesure des vents en altitude à l'aide d'un émetteur n'ait été considérée comme rentable qu'à partir du moment où cet émetteur a pu servir également à transmettre des mesures de température et d'humidité et bien sûr de pression, information permettant de calculer l'altitude de la sonde. Dès les années 1932-1935, les radiosondes françaises pouvaient être équipées d'un émetteur fonctionnant entre 27 et 30MHz pour les sondages PTU seuls ou bien entre 1,6 et 2,3MHz pour les mesures à la fois de type PTU et mesure de vents. A cette même époque l'O.N.M. étudie un radiogoniomètre dons l'antenne-cadre tourne en permanence à 10t/min et trace automatiquement les mesures sur une large bande de papier. Les émetteurs utilisés ont une puissance d'environ 2 watts et transmettent sur 2,5MHz.

Parmi les radiosondes développées par les Allemands pendant la guerre figure la RS7, une Windsonde utilisée par la Kriegsmarine pour mesurer les vents en altitude. Elle était suivie en vol à l'aide d'un système appelé MW-2 (pour Marine Windpeilung, détermination du vent par relèvement) utilisant trois stations radiogoniométriques espacées d'une vingtaine de kilomètres. La sonde, qui transmettait un signal modulé dans la bande 95,8 à 97,7 MHz était équipée d'un capteur de pression pour en connaître l'altitude.

Dans les années 1950,la Météorologie nationale française commande à la société METOX qui lui fournit ses radiosondes, une sonde économique destinée à la seule mesure des vents en altitude. Cet appareil est en fait composé de deux éléments indépendants :
- l'émetteur, sur 400MHz, qui peut être suivi avec un radiothéodolite. Il pourra être ajouté à une radiosonde PTU ordinaire fonctionnant sur 27-30MHz
- le barocontacteur muni d'une capsule anéroïde actionnant un interrupteur à des niveaux d'altitude déterminés et dont le rôle est de manipuler l'émetteur.

Après la guerre, le développement du radar à incité à faire les mesures de vents à l'aide de celui-ci en accrochant sous un ballon un réflecteur-radar. Mais les windsondes ont quand même continué à être utilisées de façon marginale, ne serait-ce que parce que le radar représentait un investissement lourd. Sur la photo ci-,

Aux USA, la société Space Data Corps fabrique la MSS windsonde tandis qu'en Suisse Meteolabor developpe sa MRS-SRS400W vers la fin des années 80 puis la MRS-SRS-C34/63 "GPS Wind-Sonde", en photo ci-dessus

Aujourd'hui (en 2015) les radiovents reviennent dans les catalogues des fabricants, comme la petite pilotsonde PS-15 de la société allemande GRAW.


Photos de windsondes

   
La rawinsonde METOX regroupe dans son boîtier le barocontacteur (à gauche) et l'émetteur 400MHz qui lui est relié.   Cette petite windsonde très originale transmet en morse l'altitude à laquelle elle se trouve. Sa fréquence d'émission (aux environs de 30MHz) incite à penser qu'elle était suivie par un radar.


Sources et documents


- La méthode radiogoniométrique de l'O.N.M. pour la mesure de la direction et de la vitesse du vent par temps couvert - CORRIEZ et PERLAT - La Météorologie 1935
- Le Radiosondage de l'atmosphère par Robert BUREAU dans Ciel et Terre d'avril 1937.
- Bilan des travaux de la Météorologie Française Juillet 1945-juillet 1956 - André VIAUT - Météorologie Nationale 1957

Sources et documents

- Radiosondeurs de Payerne
- Richard P. ancien radiosondeur