Baromètre

Lebaromètreest uninstrument de mesure, utilisé enphysiqueet enmétéorologie, qui sert à mesurer lapression atmosphérique. Il peut, de façon secondaire, servir d'altimètrepour déterminer, de manière approximative, l'altitude.
On distingue principalement :
Vers 1635, les ingénieurs et fontainiers deFlorencesont chargés de construire de gigantesques installations hydrauliques dans les jardins des palais. Ils installent despompesaspirantes mais découvrent avec stupéfaction qu'elles sont incapables d'aspirer l'eau de plus de 6brasses, soit une dizaine de mètres. Galilée est sollicité mais il meurt en 1642 sans avoir eu le temps 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 mais il n'en avait tiré aucune conclusion. L'idée que le liquide n'est pas aspiré par la pompe mais refoulé vers elle par l'effet d'une pression extérieure était en totale contradiction avec les dogmes admis à cette époque, qui voulaient que l'eau s'élève dans les tubesparce que la nature a horreur du vide.
Torricellisuccède à Galilée comme physicien 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'eaud'une dizaine demètresde hauteur, il a l'idée de faire des essais avec dumercure(hydrargyre, vif-argent…) qui est 13,6 fois plusdense. Il en remplit un longtubedeverre, le bouche 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 76cmde hauteur, quel que soit l'enfoncement du tube dans le bassin. Il en déduit que lapressionde l'airsur la surface 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 10m, mais pas davantage. C'est ainsi que Torricelli invente le baromètre en1643. Il remarque également que la hauteur du mercure dans le tube varie avec les changements climatiques et qu'une baisse précède généralement une période de mauvaistemps(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 de mercure. SirRobert Boyleimagine de replier le tube barométrique vers le haut, ce qui donne le « tube siphon » encore utilisé aujourd'hui.
Le physicien et philosophe françaisRené 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.
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 dans la cuvette. À l'aide d'uncathétomètre, on vient mesurer la différence de hauteur entre la pointe supérieure de la vis et la surface libre dans le tube. La longueur de la vis, mesurée une fois pour toutes, est ajoutée à l'indication du cathétomètre et l'on obtient ainsi la hauteur de la colonne de mercure.
La pression atmosphérique contraint le mercure à monter dans le tube sur une colonne d'environ 76cmde 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 unpoids?
Blaise Pascal, homme de science 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 laTour Saint-JacquesàParis(52m). Grâce à son beau-frère qui habite au pied duPuy de Dôme, le19 septembre 1648, il refait l'expérience à diverses altitudes et constate qu'en effet, la hauteur du mercure diminue bien au fur et à mesure que l'on s'élève.
Le mot « baromètre » apparaît quelques années plus tard, créé par le physicien et chimiste irlandaisRobert Boyle(barometer, 1665-1666). Il est formé sur le grecbaros(poids, pesanteur). Mais il faudra attendre le milieu duXIXsiècle 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'airparEdme Mariotte.
Plus tard, on donnera le nom depascal(sans majuscule) à l'unitéinternationale de pression, qui vaut unnewtonpar mètre carré. Le hasard 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 lesdécharges électriquesdans les gaz raréfiés… L'intendant du Faydécouvrit que la cause de cetteluminescenceest lefrottementdu mercure sur le capillaire en verre. Cette explication, qui mit un terme à la notion debaromètre lumineux, valut à du Fay sa nomination comme adjoint à l'Académie des sciences.
Le tube de Torricelli, baptisé par la suite baromètre, est un tube en U fermé à une extrémité. Il est rempli de mercure et inversé avec l'extrémité ouverte immergée dans une citerne de mercure. La surface de la citerne étant exposée à la pression atmosphérique, la hauteur de la colonne de mercure varie avec cette pression. La surface peut donc être lié à une graduation de référence permettant de mesurer la différence de niveau. Les baromètres à mercure peuvent être classés en trois groupes en fonction de leur construction: baromètres citerne, baromètres à siphon et baromètres à pesée.
Le baromètre à mercure présente de nombreux inconvénients :
Bien que l'origine en soit controversée, on attribue au physicien hollandaisChristian Huygensun 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 de l'ordre de 10, ce qui rend la lecture beaucoup plus facile et précise. Cette technique permet en outre d'éviter l'oxydationlente du mercure par l'oxygènede l'air.
Le premier baromètre à cadran a été construit en1663par l'astronome anglaisRobert 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 parLouis Joseph Gay-Lussac, 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 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 françaisJean Nicolas 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.
C’est auXVIIIsièclequ’apparurent les premiers baromètres de marine à mercure. Leur développement fut freiné par les marins eux-mêmes, très attachés aux méthodes ancestrales de prévision dutemps. L’amiralbritanniqueFitzroyeut l’idée, en 1858, d’équiper tous les ports de pêche d’un baromètre.
Il existe deux types de baromètre à eau. Le premier comprend un tube ouvert à une extrémité qu'on immerge dans un bac rempli d'eau. En relevant le tube tout en gardant son extrémité ouverte dans le bac, la surface du bac est à l'air libre et le tube est rempli d'eau. La pression exercée sur la surface d’eau arrive à un équilibre lorsque la pression atmosphérique est égale au poids de l'eau dans le réservoir, laissant un vide au sommet de celui-ci. Lorsque la pression atmosphérique augmente, le niveau du liquide dans le tube monte et inversement, lorsque la pression baisse, le liquide descend. Ce niveau suit donc les variations de lapression atmosphériquede façon identique à un baromètre classique à mercure. Cependant, comme la densité de l'eau est 13,6 fois plus faible que celle du mercure, il nécessite une colonne 13,6 fois plus haute que celle du mercure. Il  demande donc un très long tube car auxconditions normales de température et de pression, la colonne doit avoir au moins 10 mètres selon l'expérience deBlaise Pascal.
Le second type est celui deJohann Wolfgang von Goethe, inventé vers 1792-93 à partir des principes de Torricelli. Dans ce dernier, au lieu de créer un vide, il s'agit seulement de créer une différence de pression entre de l'air emprisonné dans un ballon réservoir qu'on rempli par un tube remontant de sa base et qui est ouvert à son sommet. La pression dans le réservoir est celle du moment du remplissage alors que celle au sommet du tube est celle de l'environnement. Toute variation de la pression atmosphérique s'exerçant sur l'ouverture sera transmise par l'eau à l'air dans le ballon. La pression s'équilibrera par compression, ou décompression, entre les deux et causera une variation inverse du niveau de liquide dans le tube.
Dans les deux cas, les indications des baromètres à eau sont très liées à la température puisque la densité de l'eau varie fortement avec celle-ci ce qui peut montrer un variation de pression fictive lors de ses changements. De plus, l'eau s'évapore ce qui va aussi causer une variation. On ne se sert donc plus de ces appareils qu'à des fins décoratives.
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 d'un volume degazenfermé 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 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 leBritanniqueAlexandre Adieen 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 du baromètre et une hausse le fait descendre. Le thermomètre permet de faire les corrections nécessaires.
Le baromètre anéroïde (ou baromètre holostérique) fut mis au point par le FrançaisLucien Vidiequi en déposa le brevet en 1844 (en collaboration avecAntoine Redier, inventeur duréveille-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 parEugène Bourdonen 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).
Le principe de cet appareil avait été proposé en 1700 par le savant allemandGottfried Wilhelm Leibniz; le grand mérite de Vidie a été de le transformer en un objet 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 système le plus ancien debaromètre enregistreurfut inventé par l’AnglaisMorelanden 1670 mais c'est la capsule de Vidie qui est le « moteur » de la plupart des appareils actuels. Pour obtenir un déplacement 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 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 piézorésistif et le tambour par un écran LCD.
Les barographes étaient autrefois utilisés par lespilotes de planeurpour acquérir des insignes de laFédération aéronautique internationaleou pour battre des records. Par exemple, un gain d'altitude de 1 000 mètres en planeur (pour l'insigne d'argent) était validé à l'aide d'un barographe enregistrant les différentes altitudes au cours du vol. Ces appareils sont encore reconnus par la Fédération aéronautique internationale. Toutefois ils tombent en désuétude et sont maintenant avantageusement remplacés par des lecteursGPSavec barographe incorporé qui génèrent des fichiers .igcqui sont scellés.
En 1989, Casio a mis sur le marché la première montre-bracelet munie d'une fonction baromètre, inaugurant une série de montres multi-fonctions destinées aux randonneurs (avecaltimètre) et aux plongeurs (avecmanomètre).
La pression atmosphérique peut être exprimée en millimètres de mercure (mmHg) ; ou en utilisant l'unité habituelle de pression : le millibar (mb), appelé officiellement « l'hectopascal (hPa) » depuis 1986, de façon à se rappeler plus aisément qu'il vaut100pascals.
Lorsque l'on s'élève, la pression diminue ; 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 trois valeurs : lapression au niveau de la station(appelée « QFE »), mesurée par un baromètre bien étalonné ; lapression réduite au niveau moyen de la merdans l'atmosphère standard (appelée « QNH »), c'est-à-dire celle qui régnerait théoriquement, au même endroit, à l'altitude zéro de référence (leniveau moyen de la mern'est pas facile à définir…) ; et enfin lapression réduite au niveau moyen de la merdans l'atmosphère réelle (appelée « QFF »).
La formule ci-dessous permet de calculer la pression réduite dans l'atmosphère standard. Dans une telle atmosphère imaginaire, il règne toujours une température de15°C(=288,15K) à l'altitude zéro (si la température est sensiblement différente, la réduction comportera une erreur non négligeable. Voir à ce sujet l'article sur lapression atmosphérique) :
pred=QFE+1013,25[1−(288,15−0,0065h288,15)5,255]{\displaystyle p_{red}=QFE+1013,25\left[1-\left({\frac {288,15-0,0065h}{288,15}}\right)^{5,255}\right]}
avec QFE = pression absolue [hPa], pred= pression réduite au niveau moyen de la mer [hPa] et h = altitude au-dessus du niveau moyen de la mer [m].
Il est toujours utile d'avoir des ordres de grandeur. À basse altitude, si l'on monte de 10m, la pression baisse d'environ1,25hPa.
Un baromètre, quel qu'il soit, donne toujours la pression qui correspond à l’altitude où il se trouve ; mais les baromètres holostériques peuvent comporter une vis de réglage permettant d'afficher la pression corrigée au niveau de la mer. La pression atmosphérique donnée par les stations météo est toujours ramenée au « niveau moyen de la mer », afin d’avoir un point de référence ; mais en cas de besoin, par exemple pour réaliser les essais de performances de moteurs thermiques comme lesturbines à combustion, les stations météos peuvent communiquer sur demande la pression vraie du lieu à une date et une heure voulue.
Quant à la pression réduite au niveau moyen de la mer dans l'atmosphère réelle, elle peut se calculer grâce à la formule suivante (car, contrairement à la formule de réduction dans l'atmosphère standard qui est universelle, la formule utilisée pour l'atmosphère réelle varie d'un pays à l'autre) :
QFF = QFE.exp(gz/RT)
QFF = pression réduite au niveau moyen de la mer
QFE = pression de la station en hPa
z2= altitude de la station en mètres
T = (T2+ T1) / 2 en kelvins
T1= 288,15 – 0,0016 Z2température moyenne au niveau de la mer ajustée à l’altitude
T2= température moyenne de la station sur 12 heures en kelvins ou (Tmax+Tmin)/2
g = accélération locale due à la pesanteur = de 9,77 à 9,83m/s
R = 287,052 9J/kgK= constante massique des gaz parfaits pour l’air sec
R = R* / Ma
R* = constante molaire des gaz parfaits =8,314 32J Kmol
Ma = masse molaire de l'air sec = 28,964 4g mol
En gros, à basse altitude, la pression diminue de1hPaquand on monte de 8,3mou augmente de1hPaquand on descend de 8,3m(pour une température de283Kc'est-à-dire10°C).
À un endroit donné, l'indication fournie par un baromètre varie continuellement sous l'effet des changements de pression liés à divers phénomènes météorologiques et à la marée atmosphérique. Ce n'est donc pas la valeur de la pression qui est importante mais sa variation.
La première cause de variation est la marée atmosphérique. L'air est un fluide qui agit exactement comme l'eau des océans. L'atmosphère est soumise à l'attraction des astres et la pression atmosphérique en un point subit donc unemarée, présentant deux maximums et deux minimums par jour. L'amplitude de celle-ci dépend de la latitude, négligeable aux pôles et de plusieurshectopascalsaux tropiques.
Cependant, cette dernière n'est notable que quand la situation météorologique est stagnante, comme sous unanticyclone. Elle est le plus souvent masquée par les variations de pression liées aux perturbations atmosphériques. Ainsi, l'approche d'unedépressionou d'uncreux barométriquese traduit par une tendance de pression à la baisse sur une période de l'ordre de 3 à 12 heures qui peut être de plusieurs dizaines d'hectopascals. La valeur et la rapidité de la baisse de pression sont des indicateurs valables de l'intensité de la perturbation atmosphérique qui s'approche et du mauvais temps probable. De même, la pression augmente derrière ces systèmes à l'approche d'un anticyclone ou d'unecrête barométriquequi dégagera le ciel. À l'approche d'unorage, la pression baisse rapidement sur une faible zone et remonte tout aussi rapidement avec lefront de rafales.
En l'absence deprévisions météorologiques modernes, ou en supplément de celles-ci, un observateur avisé peut donc arriver à faire une prévision à court terme d'une certaine valeur en tenant compte de la climatologie locale, des changements de vents, des nuages et de la tendance de pression.
Bien que plusieurs autres instruments de mesure (thermomètre,hygromètre,anémomètre,girouette, pour ne nommer qu'eux) aient eu un rôle à jouer dans la genèse scientifique 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. Dès son invention, les scientifiques ont soupçonné l'importance de la pression comme paramètre 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 duXXsiècle, la mécanique atmosphérique était encore mal comprise. Lecourant-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 queVilhelm BjerknesetCarl-Gustaf Rossbyont donné à la météorologie à grande échelle le cadre conceptuel qu'on lui connaît aujourd'hui, fondé sur un solide formalisme de physique mathématique. C'est qu'il était difficile, avant la multiplication des liens de communications, de mesurer l'état de l'atmosphère à une échelle comparable à celle des grands systèmes météorologiques.  Les scientifiques duXIXsiècleen étaient donc le plus souvent réduits à tenter de relier empiriquement les fluctuations locales de pression avec le caractère dutempset duvent.
Ainsi, en 1883, Privat-Deschanel et Focillon donnent les indications suivantes :
et, remarquent-ils avec bon sens :
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, incomprise, et finalement incorrecte à la lumière des connaissances actuelles.
De nos jours, le baromètre conserve une importance fondamentale parmi une batterie grandissante d'instruments. Les mesures de pression, de vitesse du vent, de température et d'humidité prises à la surface et en altitude sont communiquées partout dans le monde. 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 aussi à l'étalonnage et à la validation d'instruments de mesure à distance qui opèrent à partir de satellites, d'avions ou de la surface terrestre. Le baromètre joue ainsi un rôle essentiel dans l'explosion en cours du volume des données d'observation de la Terre par mesure à distance.
Unehistoire célèbreraconte différentes manières de mesurer la hauteur d'un bâtiment avec un baromètre : en s'en servant comme masse pour un fil à plomb ou comme unpenduledont on mesurerait la fréquence propre, comme masse pour mesurer le temps de chute, comme marchandise pour soudoyer le gardien du bâtiment,etc.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 leReader's Digesten1958et elle se serait transformée au fil du temps en une anecdote supposée réelle et attribuée àNiels Bohr, devenant ainsi unelégende urbaine. On peut se demander si le recours à cette personne célèbre n'est pas une manière de transformer une anecdote amusante en unpamphletcontre la « rigidité de l'enseignement scolaire » opposée à la « créativité ».