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Baromètre
Baromètre de Bourdon
Baromètre de Bourdon

Le baromètre est un instrument de mesure, utilisé en physique et en météorologie, qui sert à mesurer la pression atmosphérique. Il peut, de façon secondaire, servir d'altimètre (Un altimètre est un appareil permettant de mesurer l'altitude.) pour déterminer, de manière approximative, l'altitude (L'altitude est l'élévation verticale d'un lieu ou d'un objet par rapport à un niveau de base. C'est une des composantes géographique et biogéographique qui...).

On distingue principalement :

  • le baromètre (Le baromètre est un instrument de mesure, utilisé en physique et en météorologie, qui sert à mesurer la pression atmosphérique. Il peut, de façon secondaire, servir...) à mercure : la pression atmosphérique (La pression atmosphérique est la pression de l'air en un point quelconque d'une atmosphère.) est équilibrée par une colonne de mercure surmontée d'un espace clos et vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.). Il a été inventé par Evangelista Torricelli (Evangelista Torricelli (né le 15 octobre 1608 à Faenza, en Émilie-Romagne - mort le 25 octobre 1647) est un physicien et mathématicien italien du XVIIe siècle.) en 1643 ;
  • les baromètres à gaz : ils utilisent la variation de volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) d'un certain volume de gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de...) sous l'effet des variations de la pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) atmosphérique ;
  • le baromètre anéroïde : la pression atmosphérique s'exerce sur une enceinte métallique, hermétiquement close et vide d'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air...). Celle-ci se déforme de façon élastique et un système mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...),...) permet d'amplifier les mouvements qui résultent des variations de pression pour les rendre visibles sur un cadran ou les enregistrer sur une bande de papier (Le papier (du latin papyrus) est une matière fabriquée à partir de fibres cellulosiques végétales et animales. Il se présente sous forme de feuilles minces...) millimétré ;
  • les baromètres électroniques : ils traduisent en valeurs numériques les déformations d'une capsule à vide, évitant l'utilisation des pièces mobiles d'un baromètre anéroïde classique.

Histoire

Les origines

À l'époque de Galilée (Galilée ou Galileo Galilei (né à Pise le 15 février 1564 et mort à Arcetri près de Florence, le 8 janvier 1642) est un physicien et astronome italien du XVIIe siècle, célèbre pour avoir jeté les...), vers 1635, les ingénieurs et fontainiers de Florence (Florence (en italien Firenze) est une ville d'Italie, capitale de la région de Toscane et chef-lieu de province (370 051 habitants, les Florentins). Située au pied de l'Apennin septentrional, elle est...) sont chargés de construire de gigantesques installations hydrauliques dans les jardins des palais. Ils installent des pompes aspirantes mais découvrent avec stupéfaction qu'elles sont incapables d'élever l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) de plus de 18 brasses, soit une dizaine de mètres. Galilée est sollicité mais il meurt en 1642 sans avoir eu le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) de résoudre ce problème : pourquoi ne peut-on pas aspirer l'eau au-delà d'une certaine hauteur ? On retrouva plus tard, dans ses notes, qu'il avait songé que l'air devait avoir un poids (Le poids est la force de pesanteur, d'origine gravitationnelle et inertielle, exercée par la Terre sur un corps massique en raison uniquement du...) mais il n'en avait tiré aucune conclusion. L'idée que le liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) n'est pas aspiré par la pompe (Une pompe est un dispositif permettant d'aspirer et de refouler un fluide.) mais refoulé vers elle par l'effet d'une pression extérieure était en totale contradiction (Une contradiction existe lorsque deux affirmations, idées, ou actions s'excluent mutuellement.) avec les dogmes admis à cette époque, qui voulaient que l'eau s'élève dans les tubes parce que la nature a horreur du vide.

L'arrivée du mercure

Torricelli succède à Galilée comme physicien (Un physicien est un scientifique qui étudie le champ de la physique, c'est-à-dire la science analysant les constituants fondamentaux de l'univers et...) à la cour du Duc de Toscane. Reprenant les notes de son prédécesseur, il fait des expériences pour prouver que la pression atmosphérique est responsable de la montée de l'eau dans un espace vide. Pour éviter d'utiliser des colonnes d'eau d'une dizaine de mètres de hauteur (La hauteur a plusieurs significations suivant le domaine abordé.), il a l'idée de faire des essais avec du mercure (hydrargyre, vif-argent…) qui est 13,6 fois plus dense. Il en remplit un long tube de verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile (cassant) et transparent au rayonnement visible. Le plus souvent, le verre est...), le bouche (La bouche (encore dénommée cavité buccale ou cavité orale) est l'ouverture par laquelle la nourriture d'un animal entre dans son corps. Le mot gueule s'utilise aussi, mais avec un sens familier...) avec le doigt et le retourne sur un bassin rempli, lui aussi, de mercure. Il observe que le tube ne se vide que partiellement dans le bassin et qu'il y reste toujours une colonne de mercure d'environ 76 cm de hauteur, quel que soit l'enfoncement du tube dans le bassin. Il en déduit que la pression de l'air sur la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique,...) du bassin contrebalance le poids de la colonne de mercure et que c'est elle qui permet de faire monter l'eau dans les pompes d'une hauteur d'environ 10 m, mais pas davantage. C'est ainsi que Torricelli invente le baromètre en 1643. Il remarque également que la hauteur du mercure dans le tube varie au cours du temps (celui qui s'écoule) et qu'une baisse précède généralement une période de mauvais temps (pluie).

Le réservoir ouvert n'est cependant pas très pratique si l'on veut transporter l'instrument. Diverses solutions sont imaginées, on réalise par exemple des réservoirs en cuir poreux fixés au tube et contenant une petite quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur...) de mercure. Sir Robert Boyle imagine de replier le tube barométrique vers le haut, ce qui donne le " tube siphon " encore utilisé aujourd'hui.

Le physicien français René Descartes (1596-1650) améliore le système de Torricelli en ajoutant une graduation en papier. Il est le premier à émettre l'idée que la pression atmosphérique doit diminuer avec l'altitude.

Torricelli inventant le baromètre à mercure, gravure figurant dans les livres de Camille Flammarion (1923)
Torricelli inventant le baromètre à mercure, gravure figurant dans les livres de Camille Flammarion (1923)
Baromètre à cuvette
Baromètre à cuvette
Baromètre à siphon ordinaire
Baromètre à siphon ordinaire

Le baromètre à cuvette est directement déduit du tube de Torricelli. Sans dispositif approprié, la lecture précise de la hauteur de la colonne de mercure n'est pas très facile. On a donc disposé au-dessus de la cuvette une vis à deux bouts pointus, l'inférieur venant juste tangenter la surface libre du métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi que des liaisons ioniques dans le cas des...) dans la cuvette. À l'aide d'un cathétomètre, on vient mesurer la différence de hauteur entre la pointe supérieure de la vis et la surface libre dans le tube. La longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en...) de la vis, mesurée une fois pour toutes, est ajoutée à l'indication (Une indication (du latin indicare : indiquer) est un conseil ou une recommandation, écrit ou oral.) du cathétomètre et l'on obtient ainsi la hauteur de la colonne de mercure.

Blaise Pascal (Blaise Pascal (19 juin 1623, Clermont (Auvergne) - 19 août 1662, Paris) est un mathématicien et physicien, philosophe, moraliste et théologien français.) et la pression atmosphérique

La pression atmosphérique contraint le mercure à monter dans le tube sur une colonne d'environ 76 cm de hauteur mais elle n'est pas suffisante pour combler le vide qui se forme dans la partie supérieure.

Dans les années 1640, l'une des questions les plus discutées parmi les savants est : l'air a-t-il un poids ?

Blaise Pascal, homme (Un homme est un individu de sexe masculin adulte de l'espèce appelée Homme moderne (Homo sapiens) ou plus simplement « Homme ». Par distinction, l'homme prépubère est appelé un garçon,...) de science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour l'avoir appris, ce que l'on tient pour vrai au sens...) précoce mais aussi excellent expérimentateur, vient d'inventer à 22 ans une machine à calculer. Il refait l'expérience de Torricelli et pense, comme Descartes, que si l'air a un poids, alors le mercure doit monter moins haut dans le tube si l'on fait l'expérience en altitude. C'est bien ce qu'il vérifie, mais avec une précision trop faible, au sommet de la Tour Saint-Jacques (La tour Saint-Jacques est une tour isolée, dressée au milieu du square qui porte son nom dans le 4e arrondissement de Paris.) à Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du bassin parisien, entre...) (52 m). Grâce à son beau-frère qui habite au pied du puy de Dôme (), le 19 septembre 1648, il refait l'expérience à diverses altitudes et constate qu'en effet, la hauteur du mercure diminue bien au fur (Fur est une petite île danoise dans le Limfjord. Fur compte environ 900 hab. . L'île couvre une superficie de 22 km². Elle est située dans la...) et à mesure que l'on s'élève.

Le mot " baromètre " apparaît quelques années plus tard, créé par le physicien et chimiste irlandais Robert Boyle (barometer, 1665-1666). Il est formé sur le grec baros (poids, pesanteur). Mais il faudra attendre le milieu du XIXe siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui signifiait race, génération. Il a ensuite indiqué la durée d'une génération humaine et faisait 33 ans 4 mois (d'où peut être l'âge...) pour que les constructeurs d'instruments, les opticiens, les horlogers, commencent à produire des baromètres, à des fins scientifiques d'abord, puis à des fins domestiques. À partir de 1870 les graduations s'accompagnent d'indications météorologiques (" beau temps ", " variable "…). La dénomination " baromètre " ne s'impose en France qu'après la publication en 1676 de l'Essai sur la nature de l'air par Edme Mariotte (L’abbé Edme Mariotte est un physicien et un botaniste français, né vers 1620 à Dijon et mort le 12 mai 1684 à Paris.).

Plus tard, on donnera le nom de pascal (sans majuscule) à l'unité internationale de pression, qui vaut un newton par mètre carré (Le mètre carré (symbole m²) est l'unité d'aire du système international.).

Le hasard (Dans le langage ordinaire, le mot hasard est utilisé pour exprimer un manque efficient, sinon de causes, au moins d'une reconnaissance de cause à effet d'un...) peut amener à une découverte. En 1675, l'abbé Picard, transportant de nuit un baromètre à mercure, fait une curieuse découverte. À chaque mouvement brusque du métal, une lueur bleuâtre illumine le tube. Ce phénomène est étudié entre autres par un élève de Robert Boyle, Francis Hauksbee. Naturellement, aucune explication satisfaisante n'est trouvée à l'époque mais c'est ainsi que débutent les premières recherches sur les décharges électriques dans les gaz raréfiés… On sait maintenant que le frottement (Les frottements sont des interactions qui s'opposent à la persistance d'un mouvement relatif entre deux systèmes en contact.) du mercure sur le verre est la cause de cette luminescence (La luminescence est une émission de lumière dite "froide", par opposition à l'incandescence qui elle est chaude.).

Le baromètre à mercure

Le tube de Torricelli, baptisé par la suite baromètre, est un tube en U lié à une graduation de référence permettant de mesurer la différence de niveau entre les deux surfaces libres du mercure.

Le baromètre à mercure présente de nombreux inconvénients :

  • le tube de verre est encombrant et fragile ;
  • le mercure est un métal cher et toxique (de nos jours (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par rapport à...) il est interdit, à juste titre, pour de nombreuses applications comme les thermomètres médicaux) ;
  • la très forte tension superficielle (La tension superficielle, ou énergie d'interface, ou énergie de surface, est la tension qui existe à la surface de séparation de deux milieux.) du mercure rend sa surface libre convexe (En géométrie, un objet est convexe si pour toute paire de points { A , B } de cet objet, le segment [AB] qui les joint est entièrement contenu dans l'objet. Par exemple, un cube plein, un...) et fait que dans les tubes étroits, le niveau du mercure s'établit un peu au-dessous de sa valeur théorique ; il faut donc non seulement faire une visée tangentielle mais aussi corriger la valeur obtenue en fonction du diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère.) du tube ;
  • une autre correction doit être pratiquée en fonction de la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud, provenant...), pour compenser la dilatation (La dilatation est l'expansion du volume d'un corps occasionné par son réchauffement, généralement imperceptible. Dans le cas d'un gaz, il y a...) du métal et donc la variation de densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est l'eau pure à 4 °C pour les...) qui l'accompagne, c'est pourquoi tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) bon baromètre est associé à un thermomètre (Un thermomètre est un appareil qui sert à mesurer des températures. C'est le domaine d'étude de la thermométrie.) et aux tables de correction adéquates.

Bien que l'origine en soit controversée, on attribue au physicien hollandais Christian Huygens un important perfectionnement du tube de Torricelli, en 1672. Un tube en U contient du mercure comme précédemment et une zone de vide du côté fermé, mais la branche ouverte contient un liquide non volatil de plus faible densité dont le niveau dépend de celui du mercure. Descartes avait déjà réalisé des appareils de cette sorte. En choisissant convenablement les sections des tubes, on peut ainsi obtenir une amplification (On parle d'amplificateur de force pour tout une palette de systèmes qui amplifient les efforts : mécanique, hydraulique, pneumatique, électrique.) de l'ordre de 10, ce qui rend la lecture beaucoup plus facile et précise. Cette technique permet en outre d'éviter l'oxydation lente (La Lente est une rivière de la Toscane.) du mercure par l'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.) de l'air.

Principe du baromètre de Huygens
Principe du baromètre de Huygens
Principe du baromètre à cadran
Principe du baromètre à cadran
Baromètre de Hooke, vers 1660
Baromètre de Hooke, vers 1660
Baromètres à siphon de Gay-Lussac et Bunten
Baromètres à siphon de Gay-Lussac et Bunten

Le premier baromètre à cadran a été construit en 1663 par l'astronome (Un astronome est un scientifique spécialisé dans l'étude de l'astronomie.) anglais Robert Hooke. Un flotteur reposant sur le mercure suit les variations du niveau et actionne une aiguille qui indique la pression sur un cadran. La lecture est plus facile et plus précise qu'avec le baromètre de Torricelli mais, selon Privat-Deschanel et Focillon, " le baromètre à cadran est toujours un appareil assez grossier, quel que soit le luxe de sa présentation ".

Dans les baromètres à siphon construits sur le modèle imaginé par Louis Joseph Gay-Lussac (Louis Joseph Gay-Lussac (Saint-Léonard-de-Noblat, 6 décembre 1778 – Paris, 9 mai 1850) était un chimiste et physicien français, connu pour ses études sur les propriétés des gaz.), la branche courte a la même section que la branche longue, dont elle est séparée par un tube très fin destiné à empêcher l'air de pénétrer dans la chambre à vide. L'ouverture O laisse passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) l'air mais elle est suffisamment petite pour empêcher le mercure de sortir facilement. Bunten y a ajouté un réservoir de garde CD destiné à piéger les bulles d'air qui pourraient, par accident, franchir le siphon.

Le français Jean Fortin (1750-1831) réalisa un baromètre à mercure transportable qui porte son nom. Afin de diminuer le volume du mercure dans la cuvette inférieure et de faciliter la lecture, Fortin imagina, en collaboration avec le mécanicien Ernst, un système de vis et de membrane de cuir permettant d'amener la surface libre au niveau d'un repère de hauteur fixe par rapport au tube. Un curseur lié à celui-ci permet la mesure directe de la hauteur de la colonne barométrique. On notera la conception du trépied, dont les branches repliées constituent des protections pour le tube de verre.

Baromètre de Fortin, détails
Baromètre de Fortin, détails
Baromètre de Fortin
Baromètre de Fortin

C’est au XVIIIe siècle qu’apparurent les premiers baromètres de marine à mercure. Leur développement fut freiné par les marins eux-mêmes, très attachés aux méthodes ancestrales de prévision du temps.

L’amiral britannique Fitzroy eut l’idée, en 1858, d’équiper tous les ports de pêche d’un baromètre.

Les baromètres à eau

Selon un document (Dans son acception courante un document est généralement défini comme le support physique d'une information.) de 1619, un Hollandais, Gijsbrecht de Donckere, aurait inventé un baromètre à eau. L'air enfermé dans une partie de l'appareil se dilate ou se contracte selon la pression qu'il subit, produisant une variation de niveau relativement importante dans le tube fin relié à l'air libre. Johann Wolfgang von Goethe, vers 1792-93, aurait réinventé un appareil de ce type, à partir des principes de Torricelli. Lorsque la pression atmosphérique augmente, le niveau du liquide dans le tube descend. Inversement, lorsque la pression baisse, il y a moins d'appui sur l'eau et le liquide monte.

Les indications des baromètres à eau sont évidemment très liées à la température, et on ne se sert plus de ces appareils qu'à des fins décoratives.

Baromètres à eau de Goethe
Image:Barometer Goethe 01.jpg Image:Barometer Goethe 02.jpg Image:Barometer Goethe 04.jpg Image:Barometer Goethe 03.jpg

Les baromètres à gaz

Le baromètre Eco-Celli est un instrument dont la précision peut être comparée avec celle d'un baromètre de Torricelli. Son fonctionnement est totalement différent puisqu'il ne contient pas de mercure. Comme les baromètres à eau, cet instrument mesure la pression atmosphérique grâce à la compressibilité (La compressibilité est une caractéristique d'un corps, définissant sa variation relative de volume sous l'effet d'une pression appliquée. C'est une valeur très grande pour les gaz,...) d'un volume de gaz enfermé qui se comprime ou se détend en fonction de la pression atmosphérique. Le volume du gaz dépend également de la température ambiante et il faut donc faire une correction. Celle-ci est réalisée très simplement en déplaçant l'échelle d'un curseur jusqu'à ce que l'index métallique soit au même niveau que le liquide bleu (Bleu (de l'ancien haut-allemand « blao » = brillant) est une des trois couleurs primaires. Sa longueur d'onde est comprise approximativement entre 446 et 520 nm. Elle varie en...) du thermomètre. Par rapport à un baromètre à mercure simple, le baromètre Eco-Celli permet une amplification de 4 fois, ce qui rend la lecture plus précise et surtout plus facile.

Le baromètre inventé par le Britannique Alexandre Adie en 1818 est nettement plus petit qu'un baromètre de Torricelli. Il est composé de deux éléments, un tube en forme de U (liquide rouge) et un thermomètre (liquide bleu) qui sont mis en parallèle. Une baisse de pression fait monter le liquide rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.) du baromètre et une hausse le fait descendre. Le thermomètre permet de faire les corrections nécessaires.

Les baromètres anéroïdes

Le baromètre anéroïde fut mis au point (Graphie) par le Français Lucien Vidie qui en déposa le brevet en 1844 (en collaboration avec Antoine Redier, inventeur du réveille-matin). Les parois d'une capsule vide d'air, dite " capsule de Vidie " sont maintenues écartées par un ressort. La pression atmosphérique appuie plus ou moins sur la boîte (capsule) anéroïde et fait ainsi tourner l'aiguille sur le cadran, grâce à un mécanisme de précision.

L'idée a été reprise par Eugène Bourdon en 1849 qui utilisa la déformation que subit un tube aplati vide d'air sous l'effet des variations de la pression extérieure. " Ce joli baromètre de cabinet ne pourrait pas remplacer le baromètre à mercure dans les observations de précision : mais, associé à ce baromètre, il peut rendre de grands services dans les excursions scientifiques " (Privat-Deschanel et Focillon).

Baromètre de Bourdon
Baromètre de Bourdon
Baromètre anéroïde, début XXe s.
Baromètre anéroïde, début XXe s.
Baromètre anéroïde, début XXe s., on voit la capsule de Vidie et les leviers amplificateurs
Baromètre anéroïde, début XXe s., on voit la capsule de Vidie et les leviers amplificateurs

Le principe de cet appareil avait été proposé en 1700 par le savant allemand Gottfried Wilhelm Leibniz ; le grand mérite de Vidie a été de le transformer en un objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une étiquette verbale. Il est défini par les relations...) pratique et peu onéreux. Le baromètre anéroïde est moins précis que le baromètre à mercure mais il permet en contrepartie de fabriquer des instruments compacts, beaucoup plus robustes et facilement transportables, surtout en mer (Le terme de mer recouvre plusieurs réalités.).

Barographes

Le système le plus ancien de baromètre enregistreur fut inventé par l’Anglais Moreland en 1670 mais c'est la capsule de Vidie qui est le " moteur " de la plupart des appareils actuels. Pour obtenir un déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles orientés. En psychanalyse, le déplacement est mécanisme de défense déplaçant la valeur, et finalement le sens...) et des efforts plus importants on utilise un empilement de capsules, généralement cinq. Les baromètres enregistreurs sont encore appelés barographes. Beaucoup sont présentés comme des objets " de luxe " dans une boîte vitrée aux montants d'acajou (L'acajou est un nom qui désigne un ensemble d'arbres tropicaux de la famille des Méliacées, dont la caractéristique principale est d'avoir un bois de couleur rose pâle ou rouge. Les fruits de l'acajou sont des akènes. Il y a...) ou d'autre bois précieux mais il existe aussi des modèles beaucoup plus rustiques. Dans les barographes plus récents, la capsule est remplacée par un capteur (Un capteur est un dispositif transformant l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable exemple : une tension électrique, une...) piézorésistif et le tambour par un écran (Un moniteur est un périphérique de sortie usuel d'un ordinateur. C'est l'écran où s'affichent les informations saisies ou demandées par l'utilisateur et générées ou...) LCD.

Barographe sans son capot de protection
Barographe sans son capot de protection
Barographe fabriqué en URSS
Barographe fabriqué en URSS
Empilement de capsules
Empilement de capsules
Barographe électronique Lirafort
Barographe électronique Lirafort

Évolutions récentes

En 1989, Casio (Casio Computer Company, Limited (カシオ計算機株式会社, Kashio Keisanki Kabushiki-gaisha?) est une entreprise...) a mis sur le marché la première montre-bracelet munie d'une fonction baromètre, inaugurant une série de montres multi-fonctions destinées aux randonneurs (avec altimètre) et aux plongeurs (avec manomètre).

Données scientifiques sur la pression atmosphérique

La pression atmosphérique peut être exprimée en millimètres de mercure (mm Hg) ou en utilisant les unités habituelles de pression. Plutôt que le millibar (mb), il vaut mieux utiliser l'hectopascal (hPa) ; ces deux unités sont strictement équivalentes mais la seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du temps. La seconde d'arc est une mesure d'angle plan. La...) est un multiple de l'unité légale.

La pression diminue lorsque l'on s'élève, pas de façon linéaire, mais de moins en moins vite. Elle dépend aussi du profil de température qui règne au-dessus du lieu où on la mesure. Dans les observations météorologiques, on indique généralement deux valeurs : la pression à la station, mesurée in situ par un baromètre bien étalonné, et la pression réduite au niveau de la mer ou PNM, c'est-à-dire celle qui régnerait théoriquement, au même endroit, à l'altitude zéro (Le chiffre zéro (de l’italien zero, dérivé de l’arabe sifr, d’abord transcrit zefiro en italien) est un symbole...) de référence (le niveau de la mer n'est pas très facile à définir…).

La formule ci-dessous permet d'évaluer la pression réduite. Elle a été établie pour une température atmosphérique de 288 kelvins, soit 15° Celsius. Si la température est sensiblement différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des nombres pour mesurer l'éventuel défaut de dualité d'une application...), la réduction comportera une erreur non négligeable. Voir à ce sujet l'article sur la pression atmosphérique.

p_{red} = p_{abs} - 1013,25 \left[ 1- \left(\frac{288-0,0065 h}{288} \right)^{5,255} \right]

pabs (ABS est un sigle qui désigne :) = pression absolue (L'absolue est un extrait obtenu à partir d’une concrète ou d’un résinoïde par extraction à l’éthanol à température ambiante ou plus...) [hPa]

pred = pression réduite au niveau de la mer [hPa]

h = altitude au-dessus du niveau de la mer [m]

Il est toujours utile d'avoir des ordres de grandeur. À basse altitude, si l'on monte de 10 m, la pression baisse d'environ 1,25 hPa.

Un baromètre, quel qu'il soit, donne toujours la pression qui correspond à l’altitude où il se trouve. La pression atmosphérique donnée (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) par les stations météo est toujours ramenée au niveau de la mer, afin d’avoir un point de référence.

La pression réduite au niveau de la mer, ou PNM, se calcule grâce à la formule suivante :

p_{1} = p_{2}.e ^{\frac {g Z_2}{RT}}

p1 = pression réduite au niveau de la mer

p2 = pression de la station en hPa

z2 = altitude de la station en mètre (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international (SI). Il est défini, depuis 1983, comme...)

T = (T2 + T1) / 2 en kelvin (Le kelvin (symbole K, du nom de Lord Kelvin) est l'unité SI de température thermodynamique. Par convention, les noms d'unité sont des noms communs et s'écrivent en minuscule...)

T1 = 288,15 – 0,0016 Z2 température moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des membres de l'ensemble s'ils étaient tous...) au niveau de la mer ajustée à l’altitude

 
 la température de l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) diminue de 6,5°C par km ou 0,0065°C par m 
 

T2 = température moyenne de la station sur 12 h en kelvin ou (Tmax+Tmin)/2

g = 9,80665 accélération (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique, plus précisément en cinématique, l'accélération est une grandeur vectorielle qui indique la modification...) due à la gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.)

R = 287,08 constante de l’air sec

R = R* / Ma

R* = constante des gaz parfaits = 8,314 J K-1 mole-1

Ma = masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la...) moléculaire de l'air sec = 28,9644 g mole-1

e = 2,71828…

En gros, à basse altitude, la pression diminue de 1hPa quand on monte de 8,3 m ou augmente 1 hPa quand on descend de 8,3 m.

Le baromètre est-il un instrument de prévision du temps?

A un endroit donné, l'indication donnée (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction, d'un événement, etc.) par un baromètre varie continuellement, de façon très rapide sous l'action du vent (Le vent est le mouvement d’une atmosphère, masse de gaz située à la surface d'une planète. Les vents les plus violents connus ont lieu sur Neptune et sur Saturne. Il est essentiel à...), surtout s'il souffle en rafales, mais aussi à plus long terme (quelques minutes ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un acte. Cartographie géologique ; la minute de terrain est la carte...), quelques heures (L'heure est une unité de mesure  :) ou de façon quotidienne) sous l'effet d'autres causes liées à divers phénomènes météorologiques ou climatiques.

Il n'est généralement pas possible de faire une très bonne prévision à partir d'une simple lecture de baromètre en un lieu donné. Toutefois, il est bon de savoir que l'approche d'une dépression ou d'un creux barométrique se traduit par une tendance de pression à la baisse sur une période de l'ordre de 3 à 12 heures. La valeur et la rapidité de la baisse de pression sont des indicateurs valables de l'intensité de la perturbation atmosphérique qui s'approche.

En l'absence de prévisions météorologiques modernes, ou en supplément de celles-ci, un observateur avisé peut arriver à faire une prévision à court terme d'une certaine valeur en tenant compte de la climatologie locale, des vents, des nuages et de la tendance de pression.

Le rôle du baromètre dans l'histoire de la météorologie

Bien que plusieurs autres instruments de mesure (thermomètre, hygromètre (Un hygromètre est un appareil qui sert à mesurer l'hygrométrie (ou humidité relative de l'air).), anémomètre, girouette (Une girouette (mot provenant du vieux normand wire-wite) est un dispositif généralement métallique, la plupart du temps installé sur un toit, constitué d'un...), pour ne nommer qu'eux) aient eu un rôle à jouer dans la genèse scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes scientifiques.) de la météorologie, il est clair que le baromètre est d'une importance toute spéciale. Le baromètre mesure une propriété mécanique de l'atmosphère, la pression, qui, contrairement au vent, à la température, ou même à l'humidité, échappe généralement à nos sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution...). Dès son invention, les scientifiques ont soupçonné l'importance de la pression comme paramètre (Un paramètre est au sens large un élément d'information à prendre en compte pour prendre une décision ou pour effectuer un calcul.) météorologique, mais les progrès menant à une compréhension réelle ont été lents. On a parfois donné à la lecture du baromètre une importance mal placée, fondée sur des observations empiriques d'une exactitude qui de nos jours paraît discutable.

En effet, jusqu'au début du XXe siècle, la mécanique atmosphérique était encore mal comprise. Le courant-jet, par exemple, est demeuré essentiellement insoupçonné jusque dans les années 1940. C'est dans cette période de la première moitié du siècle que des chercheurs tels que Vilhelm Bjerknes et Carl-Gustav Arvid Rossby ont donné à la météorologie à grande échelle (La grande échelle, aussi appelée échelle aérienne ou auto échelle, est un véhicule utilisé par les sapeurs-pompiers, et qui emporte une échelle escamotable de grande hauteur. Le terme « grande...) le cadre conceptuel qu'on lui connaît aujourd'hui, fondé sur un solide formalisme de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne...) mathématique. C'est qu'il était difficile, avant la multiplication (La multiplication est l'une des quatre opérations de l'arithmétique élémentaire avec l'addition, la soustraction et la division .) des liens de communications, de mesurer l'état de l'atmosphère à une échelle comparable à celle des grands systèmes météorologiques. Les scientifiques du XIXe siècle en étaient donc le plus souvent réduits à tenter de relier empiriquement les fluctuations locales de pression avec le caractère du temps et du vent.

Ainsi, en 1883, Privat-Deschanel et Focillon donnent les indications suivantes :

  • à Paris, le baromètre est généralement au plus haut quand le vent souffle du N-NE et au plus bas s'il souffle du S, les directions se modifiant quelque peu selon les saisons. Les variations de pression atmosphérique ne sont pas liées directement au froid (Le froid est la sensation contraire du chaud, associé aux températures basses.) et à la pluie (La pluie désigne généralement une précipitation d'eau à l'état liquide tombant de nuages vers le sol. Il s'agit d'un hydrométéore météorologique qui fait partie du cycle de l'eau....) mais comme celui-là est plutôt lié au vent du N et celle-ci au vent du S ou SO, l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et...) du baromètre permet de les prévoir avec une fiabilité (Un système est fiable lorsque la probabilité de remplir sa mission sur une durée donnée correspond à celle spécifiée dans le cahier des charges.) relativement bonne.
  • à Pétersbourg (ex Petrograd, puis Leningrad, puis St-Pétersbourg) il pleut indifféremment par tous les vents, les indications du baromètre sont sans valeur.
  • les grandes tempêtes sont précédées d'abaissements de pression d'autant plus grands que l'on est plus loin de l'équateur. Lors de l'ouragan qui dévasta une partie de l'Europe (L’Europe est une région terrestre qui peut être considérée comme un continent à part entière, mais aussi comme...), en Février 1783, le baromètre avait baissé brusquement de 0,031 m (hauteurs de mercure) en Angleterre (L’Angleterre (England en anglais) est l'une des quatre nations constitutives du Royaume-Uni. Elle est de loin la plus peuplée, avec 50 763 000 habitants (en 2006), qui représentent...), de 0,018 à 0,030 m en France et en Allemagne, de 0,007 m seulement à Rome.
  • dans les régions intertropicales, un écart de 0,001 à 0,002 m suffit pour présager un violent ouragan.
  • et, remarquent-ils avec bon sens : Les cultivateurs qui ont le plus d'intérêt à prévoir les changements de temps, acquièrent souvent une grande intelligence des signes météorologiques, et le baromètre les trompe beaucoup moins souvent que les habitants des villes.

Ces remarques contiennent quelques éléments de vérité, mais ne sont pas appuyées par une compréhension suffisante des mécanismes sous-jacents. Par exemple, il est correct de dire que les grandes tempêtes sont précédées d'une baisse de pression mais la relation avec l'équateur n'est qu'une observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la très grande participation des...), incomprise, et finalement incorrecte à la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet)...) des connaissances actuelles.

De nos jours, le baromètre conserve une importance fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.) parmi une batterie grandissante d'instruments. Les mesures de pression, de vitesse (On distingue :) du vent, de température et d'humidité prises à la surface et en altitude sont communiquées partout dans le monde (Le mot monde peut désigner :). Ces mesures prises in-situ ont bien sûr une grande valeur intrinsèque pour l'observation météo mais cette valeur est multipliée lorsqu'on considère qu'elles servent (Servent est la contraction du mot serveur et client.) aussi à l'étalonnage et à la validation d'instruments de mesure à distance qui opèrent à partir de satellites (Satellite peut faire référence à :), d'avions ou de la surface terrestre. Le baromètre joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les mâchoires. On appelle aussi joue le muscle qui sert principalement à ouvrir et fermer...) ainsi un rôle fondamental dans l'explosion (Une explosion est la transformation rapide d'une matière en une autre matière ayant un volume plus grand, généralement sous forme de gaz. Plus cette...) en cours du volume des données d'observation de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des quatre planètes...) par mesure à distance.

Comment mesurer la hauteur d'un bâtiment avec un baromètre ?

Une histoire célèbre raconte différentes manières de mesurer la hauteur d'un bâtiment avec un baromètre : en s'en servant comme masse pour un fil à plomb (Le plomb est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Pb et de numéro atomique 82. Le mot et le symbole viennent du latin...) ou comme un pendule (Le mot pendule (nom masculin) nous vient d'Huygens et du latin pendere. Il s'agit donc à l'origine d'un système oscillant sous l'effet de la pesanteur. Parmi les célèbres...) dont on mesurerait la fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi lorsqu'on emploie le mot fréquence sans précision, on...) propre, comme masse pour mesurer le temps de chute, comme marchandise (Une marchandise est un produit de l'activité humaine, direct ou indirect, essentiellement déterminé à être un support à la forme d'échange qu'on nomme achat (ou corrélativement, vente).) pour soudoyer le gardien du bâtiment… La " réponse attendue " (mesure de la différence de pression entre le bas et le haut) n'étant citée qu'en dernier.

Cette histoire aurait en fait été publiée dans le Reader's Digest en 1958 et elle se serait transformée au fil du temps en une anecdote supposée réelle et attribuée à Niels Bohr (Niels Henrik David Bohr (7 octobre 1885 à Copenhague, Danemark - 18 novembre 1962 à Copenhague) est un physicien danois. Il est surtout connu pour son apport à l'édification de la mécanique quantique,...), devenant ainsi une légende moderne (lien). On peut se demander si le recours à cette personne célèbre n'est pas une manière de transformer une anecdote amusante en un pamphlet contre la " rigidité de l'enseignement (L'enseignement (du latin "insignis", remarquable, marqué d'un signe, distingué) est une pratique d'éducation visant à développer les connaissances d'un élève par le biais de communication verbale et écrite....) scolaire " opposée à la " créativité ".

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