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Sciences

Les instruments de mesure utilisés en météorologie

Thermomètre

Le thermomètre est un instrument qui sert à mesurer la température.

Trois échelles de température sont utilisées dans notre vie quotidienne et dans le domaine scientifique. Il s’agit de l’échelle des degrés Celsius, l’échelle des Kelvins et l’échelle des degrés Fahrenheit.

Il existe plusieurs sortes de thermomètres, les plus utilisés sont les thermomètres à mercure et les thermomètres à alcool.

Le thermomètre à mercure consiste en une colonne de mercure qui se dilate sous l'effet de la chaleur dans un tube capillaire de verre. Lorsque le mercure est en contact avec une autre substance, il y a un échange de chaleur qui se produit.

Si la substance est plus chaude que le mercure, cette dernière lui transférera de la chaleur. La colonne de mercure prendra alors plus de place et indiquera sur l’échelle un niveau de température plus élevé. À l’inverse, si la substance est plus froide que le mercure, cette dernière privera le mercure d’une quantité de chaleur. La température affichée sur le thermomètre sera alors plus petite.

C’est le même principe qui soutient le thermomètre à alcool. L’alcool n’a toutefois pas le même coefficient de dilatation que le mercure. Une même quantité de chaleur ne fera pas dilater le mercure et l’alcool de la même longueur. C’est pourquoi il faut calibrer les thermomètres en fonction du liquide utilisé pour leur fonctionnement.

Puisque le mercure est un métal lourd, toxique pour les humains et pour l’environnement, le thermomètre à mercure n’est plus utilisé. Toutefois, si on en manipule, il faut être très prudent. Si un thermomètre au mercure se brise pendant son utilisation, il ne faut surtout pas toucher au mercure.

De plus, il n’est pas sécuritaire de jeter ses débris dans les poubelles, l’évier ou les toilettes. On doit se débarrasser d’un thermomètre au mercure lors des collectes de déchets dangereux de notre quartier.

Instruments de mesure de la pression 

Le baromètre

Le baromètre est l’instrument utilisé pour mesurer la pression atmosphérique.
Habituellement, leur échelle de mesure est en kilopascals (kPa) (selon le système international d’unités). On peut aussi mesurer la pression atmosphérique en millibars (mb): 1 kPa = 10 mb. On distingue plusieurs types de baromètres :

  • Le baromètre à mercure est un instrument inventé par le physicien et mathématicien Torricelli en 1643. Le principe de fonctionnement de cet instrument est que la pression atmosphérique exerce une force sur le mercure qu’il contient et ainsi, une quantité de mercure s’élève dans un cylindre.  Comme le mercure est une substance toxique, ce type de baromètre est maintenant moins utilisé.

  • Le baromètre anéroïde est composé d’un cylindre de métal mince qui réagit aux variations de pression en gonflant ou en dégonflant.  Le mouvement du cylindre est relié par des leviers à une aiguille qui indique la pression atmosphérique.  Plus il y a de pression, plus le cylindre est plat.

Le ballon-sonde

Le principe du ballon-sonde repose sur le fait que plus le ballon gagne de l’altitude, plus il grossit. En effet, plus on monte, plus la pression de l’air qui pousse sur les parois extérieures du ballon est faible. Les particules d’air contenues dans le ballon peuvent donc s’éloigner les unes des autres et ainsi faire gonfler le ballon.

Sur l’illustration ci-bas, la pression exercée par les particules d’air dans le ballon est égale à la pression exercée par les particules d’air qui poussent sur les parois extérieures du ballon. Le ballon ne peut donc pas gonfler.


    
Sur l’illustration suivante toutefois, le ballon se met à prendre de l’expansion puisque la pression de l’air dans le ballon est supérieure à celle exercée sur les parois extérieures. Cette situation représente le cas où la pression atmosphérique est plus faible, soit en haute altitude. 

  

Le psychromètre et la table psychrométrique

On utilise le psychromètre pour mesurer le pourcentage d’humidité relative de l’air. Cet instrument est composé de deux thermomètres. Le premier mesure la température ambiante en degrés Celsius (°C), alors que le deuxième mesure la température du coton humide dans lequel il est plongé.
 
Si l’air est sec, c’est-à-dire qu’il ne contient aucune particule d’eau, l’eau du coton humide s'évapore. Il y a alors perte de chaleur, ce qui se traduit par une baisse de la température indiquée sur le thermomètre humide. Si l’air est humide toutefois, c’est-à-dire qu’il est saturé d’eau, le coton n’arrive pas à sécher. Les deux thermomètres indiquent alors la même valeur de température.
 
Le pourcentage d’humidité relative est représenté par l'écart de température entre les deux thermomètres. On détermine ce pourcentage grâce à une table de données : la table psychométrique.
 
Sur cette table, on trouve les données suivantes : la température du thermomètre sec (en °C), la différence de température entre le thermomètre sec et le thermomètre humide (en °C),  et enfin, l’humidité relative de l’air (en %).


Sur un psychromètre, le thermomètre sec indique 19°C, alors que le thermomètre humide mesure une température de 16,5°C. Trouver l’humidité relative de l’air.

Solution : On calcule d’abord l’écart de température entre les deux thermomètres.

Δ T = 19°C - 16,5°C = 2,5 °C.
Sur la table psychrométrique, on repère ensuite les données suivantes :
  -Température du thermomètre sec = 19 °C
  -Écart de température entre les deux thermomètres = 2,5°C



Selon cette table et les résultats fournis, l’humidité relative de l’air est de 78 %.

 

Les instruments de mesure du vent

Deux principaux instruments sont utilisés pour mesurer ou identifier la direction du vent.

La girouette est un instrument qui indique la direction d’où vient le vent.


L’anémomètre est un instrument qui sert à mesurer la vitesse du vent.

 

D’autres outils sont utilisés pour décrire le vent. Il s’agit d’échelles servant à estimer la force et la vitesse du vent. Parmi ces échelles, on compte notamment l’échelle de Beaufort.

 
Échelle de Beaufort

L’échelle de Beaufort comporte 12 niveaux de force. Chacune de ces forces est associée à une vitesse approximative du vent ainsi à des effets observables.

Force Vitesse approximative du vent
(km/h)
Effets observables
0 0 à 2 La fumée provenant d’une cheminée ou d’un feu s’élève en ligne droite verticalement.
1 2 à 5 La fumée provenant d’une cheminée ou d’un feu s’élève selon la même direction que le vent. Toutefois, la girouette ne bouge pas.
2 6 à 11 On perçoit le vent sur son visage.
La girouette tourne pour indiquer d’où vient le vent.
Les feuilles des arbres bougent légèrement.
3 12 à 19 Les feuilles et les petites branches des arbres s’agitent constamment.
Les drapeaux se déploient.
4 20 à 29 La poussière, les feuilles et les petits objets sont soulevés.
5 30 à 39 Les arbustes bougent légèrement.
Des vagues se forment sur les plans d’eaux intérieures.
6 40 à 50 Les grosses branches d’arbres s’agitent.
Les parapluies se tournent à l’envers.
Les fils téléphoniques se balancent.
7 51 à 61 Les arbres se balancent.
Marcher contre le vent est difficile.
8 62 à 74 Marcher contre le vent est une épreuve.
9 75 à 87 Les bardeaux, les antennes des maisons et autres structures sont arrachés.
10 88 à 101 Les arbres sont déracinés.
Les maisons subissent de graves dommages.
11 102 à 116 Une violente tempête s’abat et les ravages sont étendus.
12 Plus de 116 Un ouragan se manifeste et il y a dévastation.

 
Lorsque les vents soufflent à plus de 116 km/h, on parle alors d’ouragans. Il existe une échelle pour différencier les catégories d’ouragans : l’échelle de Saffir-Simpson. Cette dernière compte 5 catégories, la dernière représentant les ouragans de force 5 (vents de plus de 250 km/h).

Les exercices

Les références

Le Centre canadien de prévision d’ouragans