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Ballons sondes &
prévisions météo
Introduction :
Notre visite à la station météo France de Trappes nous a permis de faire connaissance avec le monde des prévisionnistes. Nous avons pu assister entre autres à un lancer de ballon sonde et visiter le parc des instruments de mesures climatologiques.
Problématique :
De quelles façons un ballon sonde peut-il nous aider à prévoir le temps qu’il fera demain ?
Hypothèse : Les ballons sondes représenteraient la seule technique fiable et économique pour effectuer des prévisions météo correctes.
1ère partie: Les nuages
Le travail d’un prévisionniste commence d’abord à savoir observer le ciel. Le stage de deux de nos élèves de 3ème à Météo France nous l’a confirmé. Le groupe s’est intéressé à la formation des nuages
Définition:
Un nuage est une masse visible constituée d'une grande quantité de gouttelettes d’eau (parfois de cristaux de glace associés à des minéraux) en suspension dans l’atmosphère.L’aspect d'un nuage dépend de la lumière qu’il reçoit, de la nature, de la dimension, du nombre et de la répartition des particules qui le constituent et aussi des courants d’air qui le traversent.
Nous avons utilisé deux procédés pour tenter de reproduire des nuages
A > la Glace carbonique
Lorsque l’on place un morceau de glace carbonique dans un récipient vide, nous pouvons constater un léger dégagement de gaz. Ce dégagement est beaucoup plus puissant lorsqu’on le plonge dans l’eau, l’eau semble « bouillir ».
Ces différences seraient dues à une capacité à restituer de la chaleur de façon différente. L’eau en serait plus capable que l’air.
Pourquoi ces différences ?
La capacité thermique d’un corps correspond à l’énergie nécessaire
pour élever, d’un seul degré Celsius (ou kelvin), une masse de
1Kg de ce corps.
Elle rend compte de la capacité de ce corps à stocker de la
chaleur par rapport à sa masse.
Définition de la capacité thermique
Capacité thermique de l’air : 1004 J/(Kg*K)
Capacité thermique de l’eau : 4180 J/(kg*K)
Capacité thermique de l’eau et de l’air
La capacité thermique de l’eau liquide est plus de 4 fois supérieure à celle de l’air ce qui entraine plusieurs conséquences intéressantes :
1- Ce que l’on constate avec nos expériences est parfaitement compréhensible.
La sublimation de la glace carbonique est plus importante dans l’eau que dans l’air.
2- L’air gazeux est un très bon isolant. C’est d’ailleurs pour cette raison qu’il est
utilisé dans les doubles vitrages
3- L’air chaud ne se mélange pas facilement à l’air froid, cela créé des conflits entre masses d’air de températures différentes et entraine la formation des nuages.
Remarque: la capacité thermique d’un corps dépend aussi de son état:
Eau solide (glace): 2060 J/(Kg*k)Eau liquide : 4180 J/(Kg*k)Vapeur d’eau: 1850 J/(Kg*k)
Ces chiffres permettent de comprendre aussi pourquoi la banquise et les glaciers fondent et plus le réchauffement climatique s’accélère.
Remarque2: Le nuage que nous avons obtenu avec la glace carbonique est un vrai nuage.
Normalement le dioxyde de carbone est un gaz incolore et inodore. En fait le gaz qui sort du récipient sous forme de bulle refroidit l’air au dessus du récipient: il fait précipiter l’air ambiant instantanément. L’ai froid étant plus lourd que l’air chaud il descend.
B > Le nuage et la bouteille d’eau
Pour créer et reproduire un nuage, nous pouvons utiliser le matériel suivant : Une bouteille de Soda transparente et
solide d’environ deux litres Une pompe avec manomètre (pour
mesurer la pression) Une allumette De l’eau Chaude. Une bassine ou un lavabo.
Dans un 2ème temps il est possible de remplacer l’eau chaude et l’allumette
par de l’alcool.
Protocole :
1- On introduit de l’eau chaude dans une bouteille que l’on ferme. La bouteille est secouée avant d’être vidée.
2- Une allumette est jetée enflammée dans la bouteille d’eau. Cette allumette s’éteint normalement rapidement et peut même être éteinte juste avant d’être jetée.
3- On bouche la bouteille avec un bouchon à un trou reliée à la pompe avec manomètre.
La pression est portée à 1,1 et jusqu’à 1,5 bar (soit 1100 à 1500 hPa).
Dans la bouteille la pression est plus de deux fois supérieure à la normale.
En enlevant brutalement le bouchon le nuage apparait.
En remettant la pression après avoir boucher à nouveau, le nuage disparait.
Avec de l’alcool en lieu et place de l’eau chaude et de l‘allumette, nous obtenons de meilleurs résultats.
Toute cela s’explique grâce à la loi des gaz parfaits:
PV = nRTP, Pression V, Volume n, nombre
d’Avogadro, R constante d’un gaz et T Température.
Dans une bouteille, le volume est constant, n et R aussi.
Lorsque la pression augmente, alors la température aussi. Et inversement quand la pression diminue.
Le rôle de l’allumette est d’augmenter le nombre de particules qui augmente la capacité de fixer les gouttelettes d’eau. Le nuage est davantage visible.
La chute brutale de la température fait passer la vapeur d’eau (gaz incolore et inodore) directement à l’état liquide. L’augmentation de la pression la re-transforme en gaz.
C’est exactement ce qui se passe lorsque la température se réchauffe : les nuages disparaissent parce qu’ils se transforment en vapeur d’eau, un gaz invisible et inodore.
De la même façon lorsque l’air se refroidit de trop : les nuages disparaissent parce que les gouttelettes d’eau se transforment en glace.
L’alcool remplace avantageusement l’eau chaude car l’alcool possède un point de fusion à 79°C et non à 100 °C comme c’est le cas pour l’eau.
Bien évidemment dans le cas de l’alcool il faut éviter de mettre une allumette!
2ème partie: Les montgolfières
Ce sont les premiers outils utilisés pour connaitre l’atmosphère et tenter de faire voler des personnes.
La première montgolfière officielle a été inaugurée en présence de Louis XVI en 1783.
•Nous nous sommes intéressés aux montgolfières car ce sont les 1ers objets construits par l’homme qui ont permis de commencer à comprendre le fonctionnement de l’atmosphère.•Cela nous a permis de comprendre les étapes qu’il
faut franchir pour arriver aux ballons sondes.
Historique des montgolfièresLe 19 septembre 1783, les frères Montgolfier sont arrivés à 480mètres d’altitude.Jacques Alexandre Charles le 1er décembre 1783 est arrivé à 3500 m. Un baromètre et des instruments météorologiques ont été utilisés.
À la fin des années 1950, utilisation du nylon pour l'enveloppe, et d'un gaz de pétrole liquéfié (le propane) comme carburant. Les montgolfières modernes arrivent en France en 1972.
Historique des ballons sondes
À la fin du XIXe siècle, les chercheurs et météorologues ne disposent que de données très éparses en surface. Le premier vol d’un ballon-sonde retransmettant par radio la mesure de la température est effectué le 17 janvier 1929 à Trappes.
Léon Teisserenc de Bort( 1855-1913)
Constructions de nos ballons
Nous avons donc construit des montgolfières en pensant que c'était facile :
15 cm de rayon puis de 30 cm de rayon échec.
Nous considérons que nos montgolfières sont des sphères.
Nous avons cherché à comprendre pourquoi ces échecs et nous avons formulé des hypothèses.
Pourquoi cela ne fonctionnait pas :
- un tissu non adéquat : pas de réussite avec un autre tissu- montgolfière trop petite : essai 70 cm de rayon- l'air n'était pas suffisamment chaud : en plus du sèche
cheveux utilisé auparavant nous avons aussi utilisé un décapeur thermique et un réchaud à gaz. Dernièrement, nous avons utilisé un barbecue et nous pensons qu'en utilisant tout cela, nous obtiendrons un résultat
Nous avons utilisé des fonctions mathématiques pour essayer de comprendre nos échecs.
Notre ballon est soumis à la poussée d’Archimède:
Tout corps plongé dans un fluide est soumis à une force de bas en haut égale à la masse du volume de fluide déplacé.Si le poids de l’enveloppe est supérieur à la masse du fluide déplacé, alors la montgolfière ne décolle pas au contraire elle chute.
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 200.00
5.00
10.00
15.00
20.00
25.00
30.00
35.00
Evolution de la masse du fluide déplacé (température 25°C) et de la masse de l'enveloppe en fonction du rayon
Masse du fluide déplacé Masse de l'enveloppe du ballon
rayon du ballon en cm
Titr
e de
l'ax
e
5 6 7 8 9 101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445464748495051525354555657585960616263646566676869700.00
200.00
400.00
600.00
800.00
1000.00
1200.00
1400.00
Evolution de la masse du fluide déplacé (température 25°C) et de la masse de l'enveloppe en fonction du rayon
Masse du fluide déplacé Masse de l'enveloppe de la montgolfière
Rayon du ballon en cm
mas
se e
n g
Grâce aux montgolfières, nous avons compris ce que la poussée d’Archimède veut dire et nous savons que l’air circule dans l’atmosphère en fonction de sa température.
Plus l’air est chaud plus il s’élève. Il se trouve que la terre se réchauffe de façon irrégulière.
la circulation atmosphérique
LEGENDES
Zone de chaleur excédentaire
Vent plutôt froid
Vent plutôt chaud
A Anticyclone
D Dépression
Lorsque l’air chaud s’élève il se refroidit et fini par redescendre.
Dans le même temps il est entrainé par la force de rotation de la terre vers l’ouest et ensuite vers le nord par la force de Coriolis qui dévie vers la droite tous les corps qui se déplacent.
La force de Coriolis et la circulation des masses d'air
La force de Coriolis ne s’applique qu’aux objets en déplacements qui se trouvent eux même à la surface de la Terre.
Les vents dominants en Atlantique Nord
Les courants océaniques dominants en Atlantique Nord
Ces phénomènes (poussée d'Archimède, rotation de la terre et force de Coriolis expliquent les anticyclones et les dépressions).Lorsque l’air chaud s’élève, nous parlons de dépression (D), lorsque l’air plus froid redescend il est plus lourd, nous parlons d’anticyclone (A).
En été , nous avons plus d’anticyclone car la chaleur est en excédent et pousse l’anticyclone des Açores vers le nord. En Hiver c’est le contraire, l’anticyclone des Açores recule et laisse la place aux dépressions.
Au Sénégal, le pays se trouve plutôt entre une cellule de Hadley et une cellule de Ferrel, il est plutôt concerné par un anticyclone.
Voilà pourquoi les vents dominants dans notre région sont des vents d’ouest. Cela permet de comprendre aussi pourquoi les tempêtes ou cyclones qui sévissent aux états unis se retrouvent sous forme de vents violents quelques jours plus tard chez nous.
3ème partie: Les prévisions météo
Faire des prévisions c’est d’abord une histoire de mesures.
Le prévisionnistes effectuent des mesures au sol avec des stations météo fixes.
Les mesures ont lieu d’abord par les instruments d’une station à terre. La température se mesure à l’aide de capteurs électroniques mis à l’abri de la chaleur du soleil
L’unité de mesure de la température c’est le degré Celsius ou le Kelvin
1K = 1°C
0 K = -273 °C c’est le zéro absolu
Avec les thermomètres on place souvent un hygromètre et un baromètre.L’hygromètre mesure l’humidité relative de l’air. Elle correspond au rapport entre l’humidité de l’air et l’humidité maximale de l’air à une température donnée.
Elle s’évalue en %
La pression se mesure avec un baromètre, une sonde électronique qui effectue des mesures exprimées en bar ou en pascal.
On utilise aussi un pluviomètre qui mesure la quantité d’eau liquide qui tombe sur le sol.
La pluviométrie s’exprime en mm car une volume qui tombe sur une surface ca correspond à des mm3 / mm2 et donc à des mm au final.
On utilise aussi la luminosité, l’ensoleillement et la vitesse du vent.
On utilise alors des luxmètres et des anémomètres.
Le prévisionnistes utilisent aussi les ballons sondes parce qu’ils savent que l’air circule en altitude.
Le suivi des paramètres enregistrés par un ballon permet d’avoir accès aux deux premières couches de l’atmosphère.
Lorsqu’il s’élève en altitude le ballon gonfle et finit par éclater dans la stratosphère. Il redescend ensuite doucement grâce à son parachute.
Toutes les mesures d’une station n’ont aucun sens si elles ne sont pas comparées avec les mesures d’autres stations météo et des mesures effectuées en altitude.
Météo France dispose de plusieurs stations météo. Deux ballons sondes sont envoyés quotidiennement par chaque station.
Les prévisionnistes utilisent également et même beaucoup les satellites pour les prévisions.
Conclusion:
Les ballons sondes représentent un moyen parmi d’autres pour effectuer des prévisions météo. Ils ne sont jamais utilisés seuls.
Fiable et économique il permet surtout d’avoir des indices sur l’évolution des paramètres de l’atmosphère et particulièrement sur les paramètres en altitude.
