LA DYNAMIQUE DES MASSES ATMOSPHERIQUES   

1- DES OUTILS POUR L'ETUDE DU SYSTEME TERRE - ATMOSPHERE  

1.1 - Les ballons : outil d'investigation de l'environnement terrestre

Historique  

L'aérostat est né en France en 1783 où l'on voit successivement :

  • la première ascension d'un ballon gonflé à l'air chaud (une réalisation des frères De Montgolfier) ;

  • la première utilisation de l'hydrogène, comme gaz de remplissage;

  • le premier transport de passagers par une montgolfière (le marquis d'Arlandes et Pilâtre de Roziers).

Dès lors, sous le nom de ballon, montgolfière ou dirigeable, le "plus léger que l'air" ne cessera d'interresser les scientifiques pour l'étude du milieu atmosphérique.

Les altitudes atteintes par les ballons et leurs nacelles, habitées ou non, connaissent une progression régulière : 
4 000m à la fin du XVIIIème siècle, 7 000 m en 1803, 11 000 m en 1901 et 22 000 m en 1935.

Après la Seconde Guerre Mondiale, l'apparition des matières plastiques, en particulier du polyéthylène, permet la réalisation de ballons très légers, capables de se maintenir plusieurs heures, sans passagers, à une altitude d'environ quarante kilomètres.

 

Plusieurs types de ballons

Pour couvrir l'ensemble des besoins des expérimentateurs, il existe toute une panoplie de ballons. Du plus petit (quelques m3) au plus grand (environ un million de m3) chaque ballon possède des caractéristiques particulières.

Photos Type de ballon Volume Altitude Masse embarquée Durée de vol Utilisation
 B.S.O
 Ballon
 Stratosphérique
 Ouvert
De 3 000 m3 à 1 200 000 m3 15 à 40 km 50 à 2500 kg 7 à 24 h Physique et
chimie de la stratosphère,
astronomie
 M.I.R
 Montgolfière
 Infra-
 Rouge
36 000m3 20 à 30 km 50 kg Plusieurs semaines Chimie de la stratosphère, géophysique
 Ballons  Pressurisés
<500m3 <20 km quelques kg De quelques jours à
quelques mois
Etude de
l'atmosphère, du mouvement
des masses d'air
 Ballons  dilatables
<10m3 40 km <3kg 2 à 3 h Sondage météorologique

D'après N.VERDIER, CNES, Toulouse 
J.P. GRANJEAN, CCSTI de Montbelliard 
E.LAVOISIER, MENRT, Metz
 

Le ballon, outil d'étude de l'atmosphère

On peut étudier l'atmosphère terrestre - du moins dans ses couches inférieures, jusqu'à l'altitude de 40 km environ - au moyen des ballons grâce auxquels seront obtenues des mesures in situ. Il s'agit d'une possibilité unique, la basse atmosphère étant, en effet, un domaine absolument interdit aux satellites (à cause du frottement des couches denses de l'air), inaccessible aux avions et que les fusées-sondes traversent trop rapidement. Le caractère non-polluant des vols de ballons constitue d'ailleurs un élément supplémentaire en leur faveur.

La troposhère, épaisse d'environ 17 km dans les régions tropicales, de 12 km dans les régions tempérées et de 9 km dans les régions polaires, est le siège des phénomènes météorologiques importants.
Les ballons libres météorologiques effectuent des sondages verticaux de la troposphère. Pression, température et humidité sont mesurées, au cours de l'ascension. Le résultat des mesures est transmis au sol par radio. La trajectoire du ballon est suivi par radar d'où l'on déduit la vitesse et la direction du vent suivant l'altitude. Après éclatement du ballon, la sonde retombe au sol, suspendue à un parachute.

Les ballons pressurisés de la recherche spatiale flottent à niveau constant et permettent des expériences de longue durée (plusieurs mois) dans la troposphère.

Donnons-en deux exemples :

  • la campagne Eole (1971), pour l'étude de la circulation atmosphérique générale dans l'hémisphère sud, qui a consisté à suivre le déplacement de 479 ballons accomplissant plusieurs fois le tour de la Terre à 12 000 m d'altitude et retransmettant des données sur la pression, la température et les vents.

  • l'expérience Couche Limite Tropicale (1975) : de la fin mai au début d'août, une flotille de 45 ballons pressurisés, lancés depuis les îles Seychelles, dans l'océan Indien, a permis de suivre l'écoulement des basses couches (moins de 1 000 m d'altitude) qui, en se chargeant d'humidité sur l'océan Indien, alimentent la mousson. La localisation des ballons et la collecte de leurs données étaient assurées par le satellite météorologique américain Nimbus-6.

La stratosphère est située entre 17 km et environ 50 km d'altitude. Il s'agit d'un milieu encore mal connu mais dont l'importance, tant du point de vue dynamique que chimique, est apparue ces dernières années avec les premières considérations de protection de l'environnement.
Bien qu'elle puisse être étudiée à distance (depuis le sol ou au moyen d'avions et de satellites), la stratosphère peut être directement sondée par les ballons. En ce domaine, les expériences récentes les plus significatives ont porté sur la détermination des concentrations des constituants minoritaires (oxydes d'azote et halogènes (fluor, chlore etc.) par exemple), sur la répartition de ces constituants et sur la nature des paramètres physiques essentiels (vent, température...) régissant leur répartition et leur circulation.

Dans le milieu stratosphérique, comme dans le milieu troposphérique, le ballon a trouvé une utilisation intéressante en tant qu'élément traceur : ses déplacements permettent de mieux connaître les turbulences du milieu et d'étudier l'écoulement des masses d'air en général. D'autres techniques actuellement en cours d'expérimentation ou de développement (système du double ballon, montgolfière infrarouge à clapet etc...) permettront d'assurer un pilotage vertical du ballon pour l'excursion en altitude (à un rythme défini à l'avance) ce qui offrira de nouvelles possibilités à diverses catégories de chercheurs.