Radiosondage

Le radiosondage est un procédé de mesures météorologiques in situ. Un ensemble de capteurs mesurant les données pertinentes intégrés à l'intérieur d'un boîtier de quelques centaines de grammes -la radiosonde- s'élève dans l'atmosphère grâce à un ballon en latex. L'ascension dure en général entre une et deux heures et permet de tracer un profil vertical des données mesurées - une coupe de l'atmosphère. La plupart du temps, les sondages sont dits type PTU-vent, car on mesure les donnéees P (pression), T (température), U (humidité), ainsi que le paramètre FF (force du vent) et DD (direction du vent). Parfois on adjoint des capteurs spécifiques (mesure de l'ozone stratosphérique, par exemple).

Par extension, le terme de radiosondage désigne également l'ensemble des opérations de lancement puis du suivi d'une radiosonde ainsi que l'enregistrement puis la présentation des résultats qu'elle a fournis.

Les premiers sondages aérologiques dans le but de comprendre la nature et la structure de l'atmosphère furent effectués dans la deuxième moitié du XIX siècle au moyen de cerf-volants équipés d'enregistreurs de température et de pression (généralement des tambours couverts de noir de fumée). Cependant le cerf-volant montra bien vite ses limites, en imposant la présence d'un câble relié au sol pour le piloter, à la fois pesant et malcommode. En outre, il ne permettait pas de mesures à haute altitude et ne pouvait être utilisé par vent trop faible ou trop fort.

Ce sont Gustave Hermite et Georges Besançon qui, les premiers dès 1892, utilisèrent un ballon libre doté d'un enregistreur de température et de pression. Libéré des contraintes pesant sur le cerf-volant, le ballon s'élève librement dans l'atmosphère aussi haut que la résistance de son enveloppe le lui permet. Le ballon retombe alors au sol et on peut récupérer les enregistrements. En 1898, Léon Teisserenc de Bort organise à l'Observatoire de Météorologie Dynamique de Trappes les débuts de l'exploration systématique de la haute atmosphère. Il découvre qu'à partir d'une certaine altitude, variant à la fois selon la saison et la position géographique, la température cesse de baisser quand on s'élève : c'est la découverte de la tropopause et de la stratosphère qu'il annonce en 1902 à l'Académie des Sciences. La même année, Richard Aßmann publie indépendamment la même découverte. D'autres chercheurs ont travaillés sur les hautes altitudes, dont William Henry Dines.

Après quelques essais à partir de 1927, Pierre Idrac (1885-1935) et Robert Bureau (1892-1965) associent aux capteurs un petit émetteur radio à lampe qui retransmet au sol en temps réel les valeurs mesurées. Le premier vol d'un ballon sonde retransmettant par radio la mesure de la température est effectué le 17 janvier 1929 à Trappes. La récupération des données n'est plus tributaire d'une aléatoire récupération de l'épave du ballon, c’est la naissance du radiosondage moderne.

En 1940, les radiosondes ont complètement remplacé les météographes d'avion pour des sondages quotidiens. Des systèmes au sol utilisant des émission sonores ont été développés plus tard. Ce système de sondage radio-acoustique de l'atmosphère, appelé RASS en anglais, permet d'obtenir des informations similaires en continu mais est encore peu répandu et ne sonde pas aussi haut que les radiosondages par ballon.

Les éléments fondamentaux d'une radiosonde moderne sont :

• l'alimentation électrique (qui doit supporter sans faillir une variation de température allant de +20°C, au sol, à -50°C, à l'altitude de la tropopause) ;
• l'émetteur radio (soumis aux mêmes contraintes) ;
• un dispositif de radionavigation-ou à défaut un transpondeur ou un réflecteur radar (indispensable pour mesurer les déplacements du ballon sonde et d'en extraire la force et la direction du vent) ;
• un capteur de pression (absent sur certains modèles de sondes disposant d'autres systèmes de mesure d'altitude) ;
• un capteur de température et un capteur d'humidité.

Le ballon est gonflé de façon à avoir une vitesse ascensionnelle d'environ 5 m/s. On utilise en général de l'hélium plus sécuritaire pour gonfler le ballon. Cependant, l’hydrogène est encore utilisé dans les postes éloignés, comme dans l'Arctique canadien, car il est facile à produire par hydrolyse et ne nécessite pas de transport coûteux.

La sonde effectue des mesures à environ toutes les dix secondes, ce qui se traduit par un échantillonnage du profil de l'atmosphère grosso modo tous les 50 mètres, du sol jusqu’à l'altitude d'éclatement du ballon. Cette dernière est en général comprise entre 20 000 et 30 000 mètres.

Par convention de l’Organisation météorologique mondiale, des radiosondages sont effectués deux fois par jour, à 00 et 12 TU, afin de suivre l'évolution de l’atmosphère régulièrement. Les stations météorologiques d’où on relâche les ballons sont en général fixes mais il existe des stations mobiles que l'on peut déplacer pour des besoins spécifiques. Certaines stations vont effectuer des sondages supplémentaires sur demande comme un relâchement de gaz toxiques, de cendres volcaniques ou lorsque les météorologues veulent savoir la stabilité de l'air dans une région propice aux orages.

Les données ou les valeurs qui leur sont associées peuvent être reportées sur un émagramme, un téphigramme, un Skew-T ou tout autre diagramme thermodynamique. Les météorologues peuvent ainsi se faire une idée de la stabilité de l'air, du type de masse d'air, des couches nuageuses et de l'évolution de ces paramètres autour du point où a été lâché la radiosonde.

Les données d'un ensemble de radiosondes, permet de représenter en trois dimensions l'atmosphère et sont exploitées pour la prévision météorologique. En particulier, les modèles de prévision numérique du temps (NWP: Numerical Weather Prediction en anglais) résolvent l'ensemble des équations différentielles de la physique de l'atmosphère grâce à de très puissants ordinateurs. Les radiosondages permettent de fournir les données initiales aux modèles et sont donc un maillon essentiel de la chaîne de prédiction. Cependant, le coût élevé en hommes et en matériel du vaste réseau mondial de radiosondage a conduit à son réexamen récemment.

Les lancers de ballons ont donc été grandement automatisés depuis les années 1990 et certaines stations ont été fermées au profit d'autres capteurs tels les mesures par les avions de ligne (AMDAR) et par satellites météorologiques. Cependant, les radiosondages ont comme avantage d'être effectuables quel que soit le temps et toujours aux mêmes endroits alors que les autres méthodes ne sont pas aussi robustes: les données d'avions ne couvrent que des zones et des altitudes limitées, les données satellitaires ne sont extrapolables que dans la couche au-dessus des nuages.