Pluviomètre - Définition et Explications

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Introduction

Pluviomètre

Le pluviomètre est un instrument météorologique destiné à mesurer la quantité de précipitations (surtout la pluie) tombée pendant un intervalle de temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) donné. On présuppose que l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...) des précipitations est uniformément répartie et qu'elle n'est pas sujette à évaporation (L'évaporation est un passage progressif de l'état liquide à l'état gazeux. Elle est différente...). Le résultat de la mesure s'exprime en millimètres ou bien en litres par mètre carré (Le mètre carré (symbole m²) est l'unité d'aire du système international.). Ainsi, 1 mm d'eau récupérée dans le pluviomètre (Le pluviomètre est un instrument météorologique destiné à mesurer la...) équivaut à 1 litre (Le litre (du grec λίτρα lítra, ancienne mesure de capacité...) d'eau de pluie (La pluie désigne généralement une précipitation d'eau à l'état...) tombée sur 1 m2, selon la masse volumique (La masse volumique est une grandeur physique qui caractérise la masse d'un matériau par...) de l'eau. En agriculture il est préférable de dire que cela correspond à 10 m3 d'eau de pluie tombée sur 1 ha.

Le pluviographe est un pluviomètre comprenant un dispositif d'enregistrement continu de la hauteur (La hauteur a plusieurs significations suivant le domaine abordé.) d'eau des précipitations.

Histoire

Les premières mesures des quantités de pluie connues ont été faites par les Grecs vers 500 av. J-C.. Cent ans plus tard en Inde, les gens utilisaient des bols pour recueillir l’eau de pluie et la mesurer. Dans les deux cas, la mesure de pluie aidait à estimer le rendement futur des cultures.

Dans l’ouvrage Arthashâstra utilisé dans le royaume de Magadha, des normes avaient été établies pour la production céréalière et chaque grenier (Le grenier (latin granarium) est un local hors-sol destiné au stockage du grain. Il peut...) de l’État possédait un tel pluviomètre aux fins de taxation. En Palestine, à partir du IIème siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui...) av J.-C. des écrits religieux mentionnent la mesure des pluies pour des besoins agricoles.

En 1441 en Corée, le premier pluviomètre standard en bronze (Le bronze est le nom générique des alliages de cuivre et d'étain. Le terme airain...), appelé « Cheugugi », a été développé par le scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui...) Jang Yeong-sil pour usage (L’usage est l'action de se servir de quelque chose.) à travers un réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des...) couvrant tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) le pays (Pays vient du latin pagus qui désignait une subdivision territoriale et tribale d'étendue...).

En 1639, Benedetto Castelli, disciple (On appelle disciple (latin discipulus, l'élève) celui qui suit l'enseignement d'un...) de Galilée (Galilée ou Galileo Galilei (né à Pise le 15 février 1564 et mort à Arcetri près de Florence,...), effectua les premières mesures de précipitations en Europe (L’Europe est une région terrestre qui peut être considérée comme un...) pour connaître l’apport en eau d’un épisode pluvieux pour le lac (En limnologie, un lac est une grande étendue d'eau située dans un continent où il...) de Trasimène. Il avait étalonné un récipient en verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile...) cylindrique grâce à une quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire,...) d’eau connue et repéré le niveau correspondant sur le cylindre (Un cylindre est une surface dans l'espace définie par une droite (d), appelée...). Il avait ensuite exposé le récipient à la pluie et marqué toutes les heures, par un repère, le niveau atteint par l’eau.

En 1662, l’anglais Christopher Wren (Sir Christopher Wren (20 octobre 1632, East Knoyle - 25 février 1723,...), mit au point (Graphie) le premier pluviomètre à augets, ou pluviographe, qu’il associa l’année suivante à un météographe, un appareil qui enregistre plusieurs paramètres météorologiques tels que la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) de l’air, la direction du vent (Le vent est le mouvement d’une atmosphère, masse de gaz située à la surface...) et les précipitations. Son pluviomètre était constitué d’un entonnoir récepteur et de trois compartiments qui récupéraient chaque heure (L'heure est une unité de mesure  :) à tour de rôle les précipitations. En 1670, Robert Hooke utilise lui aussi un pluviomètre à augets.

Avec le développement de la météorologie (La météorologie a pour objet l'étude des phénomènes atmosphériques...), la prise de mesures des différents paramètres de l’atmosphère se répand. Les pluviomètres se perfectionnent mais les principes de base demeurent les mêmes. En France, l’association météorologique créée par Urbain Le Verrier diffuse le pluviomètre « Association ». Divers pluviomètres et pluviographes ont suivi ceux à augets basculants. Mentionnons les pluviomètres enregistreurs à flotteurs, utilisés à partir du XIXe siècle, et les pluviomètres à balance.

Types

Pluviomètre à lecture directe

Les pluviomètres étaient à l’origine manuels, c’est-à-dire qu’un technicien en météorologie devait venir relever régulièrement la hauteur de pluie tombée et vider l’appareil. Aujourd’hui, ils sont souvent dotés de senseurs électroniques qui permettent d’enregistrer en continu et à distance les données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent...). Cependant, les pluviomètres manuels sont encore utilisés par des amateurs ou les observateurs volontaires de réseaux climatologiques. Il existe quatre types de pluviomètres/pluviographes : à cylindre gradué (dit à lecture directe), à auget basculeur, à balance (ou de Fisher et Porter) et optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement...).

Pluviomètre à lecture directe

Le pluviomètre standard a été développé au tournant du XXe siècle et consiste en un cylindre gradué dans lequel le collecteur se déverse. Dans la plupart de ces pluviomètres la graduation est à chaque 0,2 mm jusqu’à 25 mm. S’il tombe trop de pluie dans l’appareil principal, le surplus est dirigé vers un autre récipient.

Lors de la prise de mesure, le technicien note la hauteur atteinte sur le cylindre pour connaître la quantité de pluie tombée. S’il y a de l’eau dans le récipient de surplus, il doit la transvider dans un autre cylindre gradué pour l’ajouter à la mesure. Le technicien doit vider le pluviomètre entre chaque lecture.

Étalon

Un tel pluviomètre est dit « normal » ou « étalon » quand il est approuvé comme étalon au niveau national.

Totalisateur

Les pluviomètres utilisés dans les stations peu souvent visitées, comme une station de montagne (Une montagne est une structure topographique significative en relief positif, située à la...), contiennent de l'antigel et un liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est...) comme de l'huile (L'huile est un terme générique désignant des matières grasses qui sont à...) empêchant l'évaporation de l'eau. Ils sont de plus grande capacité car les relevés peuvent être faits hebdomadairement ou mensuellement.

Pluviomètres/Pluviographes

Pluviographe enregistrant les données de précipitations d'un pluviomètre à augets basculeur

Les pluviomètres ci-dessous sont tous munis d'un système d'enregistrement. À l'origine, le pluviographe était un stylet (Le mot stylet peut désigner :) inscrivant en continu les données - hauteur de précipitations et temps écoulé - sur un papier (Le papier (du latin papyrus) est une matière fabriquée à partir de fibres...) gradué se trouvant près de l'appareil. (Voir image ci-contre.) Par la suite, le signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe...) provenant du pluviomètre a été transmis par fil à un enregistreur similaire situé dans le bureau du technicien en météo prenant les relevés. Ceci permettait à ce dernier de faire des observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) plus rapidement et à n'importe quel moment sans avoir à chaque fois à se déplacer à la station météorologique.

Les données sont maintenant envoyées à un enregistreur numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information...) qui peut transmettre ces informations à un réseau de distribution (Le mot réseau (du latin retis) est apparu pour la première fois dans la langue...) d'utilisateurs. Cela permet l'utilisation de stations météorologiques automatiques. Ces données peuvent être traitées pour donner les taux instantanés de précipitations, horaires, quantité totale, etc.

À auget basculeur

Le collecteur dirige la pluie vers une sorte de petite balançoire (La balançoire est un loisir pour les enfants, généralement de plein air, qui consiste à se...) tape-cul formée de deux réceptacles métalliques, ou augets, de petite taille de part et d’autre d’un axe horizontal (Horizontal est une orientation parallèle à l'horizon, et perpendiculaire à la...). La contenance de ces réceptacles est équivalente à 0,1, 0 2 ou 0,5 mm d’eau, selon la précision de l’appareil. Il y a toujours un auget à l’horizontale et vis-à-vis de la sortie du collecteur, l’autre fait un grand angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts...) vers le bas. L’eau s’accumule dans celui à l’horizontale qui bascule (Une bascule ou un basculeur est un circuit intégré logique doté d'une sortie et d'une ou...) quand il a atteint le poids (Le poids est la force de pesanteur, d'origine gravitationnelle et inertielle, exercée par la...) nécessaire, et se décharge de son eau par gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.). La quantité de précipitations est mesurée par le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) de basculements effectués par les augets, détecté par un système mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes...) ou optique.

Mécanisme d’un pluviomètre à augets basculants
Extérieur d’un pluviomètre à augets basculants où l'on voit la petite ouverture de l'entonnoir

Dans le système mécanique, l’auget en réserve est en contact avec une tige (La tige est chez les plantes, l'axe généralement aérien, qui prolonge la racine et...) métallique et ferme donc un circuit électrique (Un circuit électrique est un ensemble simple ou complexe de conducteurs et de composants...). En basculant, c’est l’autre auget qui ferme ce circuit. Le passage d’un contact à l’autre était noté sur le graphique du pluviographe. Dans un système optique, l'auget qui bascule coupe un faisceau lumineux ce qui sera enregistré par une diode optique et fera le décompte. Comme dans le cas des pluviomètres à balance, un système de chauffage (Le chauffage est l'action de transmettre de l'énergie thermique à un objet, un...) peut faire fondre la précipitation (En météorologie, le terme précipitation désigne des cristaux de glace ou des...) et permettre de mesurer l’équivalent en eau de neige (La neige est une forme de précipitation, constituée de glace cristallisée et...) tombée. Ce système est même nécessaire si l’appareil est utilisé en saison (La saison est une période de l'année qui observe une relative constance du climat et de...) froide.

L’avantage de ce pluviomètre est de mesurer le taux de précipitations en plus de la mesure totale, ce qui indique l’intensité de celles-ci. Cependant, quand le taux de précipitations est trop grand, par exemple 400 mm/heure, l’ouverture du collecteur peut ne pas être assez grande et on obtient un effet de cumul dans l’entonnoir, ce qui fausse le taux sans changer l’accumulation totale. Dans la bruine, le taux de précipitations est souvent trop faible pour être rapporté également. Certains algorithmes ont été développés pour tenir compte de ces limitations de l’appareil.

Le pluviomètre à augets n’est pas aussi précis que celui à mesure directe, car si la pluie se termine avant que l’auget horizontal ne soit plein, l’eau dans celui-ci ne sera pas comptée. Pire, une saute de vent peut le faire basculer plus tard et donner une fausse accumulation alors qu’il n’y a pas de pluie.

À balance

Pluviomètre de Fisher et Porter

À la place d’un cylindre gradué, le pluviomètre à balance, ou de Fisher et Porter, reçoit la pluie dans un récipient relié à une balance. Une fine couche d’huile est mise dans le récipient avant usage. Celle-ci flottera sur l’eau de pluie venant du collecteur, empêchant son évaporation. Quand l’appareil est presque plein, une valve permet de le vider automatiquement. Durant les mois (Le mois (Du lat. mensis «mois», et anciennement au plur. «menstrues») est une période de temps...) d'hiver (L'hiver est une des quatre saisons des zones tempérées.), de l’antigel sera également ajouté pour que l'eau ne gèle pas.

La variation de la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) d’eau dans le récipient est transformée en équivalent de millimètres d’épaisseur selon la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...) de l’eau. Les modèles primitifs faisaient cette transformation en déplaçant la pointe d’un stylet sur un papier graphique spécialement gradué à cet effet. Avec l’avènement de l’électronique, les données sont recueillies par un senseur et transformées en valeur numériques directement dans un enregistreur de données.

Ce type de pluviomètre mesure toute la pluie tombée et peut mesurer les précipitations solides, comme la neige et la grêle (La grêle est un type de précipitation qui se forme dans des orages particulièrement...), s’il est muni d’un système de chauffage. Cependant, il est plus dispendieux que le pluviomètre à lecture directe et demande plus d’entretien que celui à augets basculants.

Optique

Le pluviomètre optique est formé d’un collecteur en entonnoir sous lequel se trouve une photodiode (Une photodiode est un composant semi-conducteur ayant la capacité de détecter un rayonnement du...) ou une diode laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique)...). La précipitation est mesurée par détection d’irrégularités optiques. L'entonnoir dirige les gouttes dans le volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension...) d’échantillonnage au sein du faisceau lumineux. En détectant l’intensité des scintillations, on peut alors déterminer le débit (Un débit permet de mesurer le flux d'une quantité relative à une unité de temps au travers...) de la précipitation électroniquement.

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