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L'HUMIDITE DE L'AIR ; MESURES HYGROMETRIQUES AU SOL N

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L'HUMIDITE DE L'AIR ; MESURES HYGROMETRIQUES AU SOL N
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e
L a Météorologie 8 série - n° 2 - juin 1993
L'HUMIDITE DE L'AIR ;
MESURES HYGROMETRIQUES
AU SOL
Christian Perrin de Brichambaut
Société Météorologique
75340 Paris Cedex 07
OBSERVATION
GENERALITES
de France, 2 avenue
Rapp
Tout d ' a b o r d , de quoi s'agit-il ?
Q u e représente e x a c t e m e n t , p h y s i q u e m e n t , l ' « h u m i d i t é de l'air»?
En principe, c'est la quantité d ' e a u que contient cet air sous forme de vapeur,
incolore et inodore. Mais on peut e x p r i m e r cette h u m i d i t é sous bien des formes, et
la m e s u r e r avec des m é t h o d e s très diverses selon la g r a n d e u r que l'on veut
déterminer.
Exemple 1
On suppose, dans tous ces exemples, que
l'altitude est faible et que la pression atmosphérique est normale, peu différente de 1010 hPa.
Dans une pièce à 20° C, on mesure une humidité relative de 50%. On en déduit aussitôt que
la tension de vapeur d'eau est de 23,4 x 0,5 =
11.7 hPa et que le rapport de mélange est de
14.8 x 0,5 = 7,4 g d'eau pour 1 kg d'air sec. La
buée se déposera sur une vitre ou une bouteille
à 9° C (ou moins), mais pas à 10° C (ou plus).
Et si l'on veut baisser l'humidité à 25%, il faudra
retirer 3,7 g d'eau par kg d'air sec : pour une
pièce de 30
correspondant à environ 40 kg
d'air sec, il faudra donc condenser 148 g d'eau.
Inversement, il faudra faire évaporer environ
150 g d'eau pour porter l'humidité à 75%, la
température de l'air de la pièce restant inchangée.
L e plus souvent, selon les indications habituelles des h y g r o m è t r e s
du c o m m e r c e , il s'agit de l ' h u m i d i t é relative, U, e x p r i m é e en % : c'est
en effet de cette g r a n d e u r q u e d é p e n d e n t de n o m b r e u s e s c o n s é q u e n c e s
d ' o r d r e biologique, c o m m e le d é v e l o p p e m e n t des moisissures par e x e m ple, mais aussi d ' o r d r e pratique, c o m m e l ' o n d u l a t i o n des c h e v e u x ou la
déformation des objets en bois, ou encore d ' o r d r e m é t é o r o l o g i q u e ,
c o m m e le brouillard et les n u a g e s .
M a i s , pour une m ê m e valeur de l ' h u m i d i t é relative, la quantité de
vapeur d ' e a u q u e l'on trouve dans l'air d é p e n d de la t e m p é r a t u r e de l'air:
il est donc nécessaire de procéder à ces deux m e s u r e s , t e m p é r a t u r e et
h u m i d i t é relative, si l'on veut évaluer correctement le contenu effectif de
l'air h u m i d e en v a p e u r d ' e a u , c'est-à-dire la concentration, en m a s s e ou
en v o l u m e , de la vapeur d ' e a u dans cet air h u m i d e , son r a p p o r t de
m é l a n g e , r, dont la c o n n a i s s a n c e est nécessaire p o u r certaines applications c o m m e le c o n d i t i o n n e m e n t d'air.
C ' e s t en effet de ce contenu en (vapeur d") eau que d é p e n d le
p h é n o m è n e de rosée, c'est-à-dire le dépôt de b u é e et de c o n d e n s a t i o n s sur
un objet froid, sortant du réfrigérateur p a r e x e m p l e ; et c'est d'ailleurs là
une m é t h o d e de m e s u r e assez efficace, consistant à d é t e r m i n e r la t e m pérature de la surface d ' u n miroir, lentement refroidi, au m o m e n t où
apparaît la b u é e : on obtient alors la t e m p é r a t u r e du point de rosée, Td,
d i r e c t e m e n t liée au rapport de m é l a n g e , r, ou à la pression partielle de la vapeur d ' e a u .
Cette dernière grandeur, la pression partielle de la v a p e u r d ' e a u , e, est
é g a l e m e n t une caractéristique de l ' h u m i d i t é de l'air : elle indique que la vapeur d ' e a u
est responsable d ' u n e fraction, généralement faible m a i s non n é g l i g e a b l e , de la
pression a t m o s p h é r i q u e totale P, la part principale étant due à l'air sec. Cette pression
partielle est naturellement liée à la quantité de vapeur d ' e a u c o n t e n u e dans l'air
h u m i d e , d o n c à l ' h u m i d i t é de l'air.
Enfin, le séchage du linge ou de matériaux h u m i d e s (grains, f o u r r a g e , . . . )
d é p e n d aussi cte l ' h u m i d i t é de l'air ou, plus précisément, de la quanti té d ' e a u que l'air
peut accepter avant d ' e n être saturé; de m ê m e , l'impression de froid q u e l'on ressent
à la sortie d ' u n bain, j u s q u ' a u m o m e n t où la peau devient sèche, découle directement
de l'influence de l ' h u m i d i t é et de la t e m p é r a t u r e de l'air sur la vitesse d ' é v a p o r a t i o n
de l ' e a u liquide : intervient alors la notion de déficit de saturation, de différence des
pressions partielles dues à la vapeur d ' e a u entre l'air au contact immédiat de la
surface é v a p o r a n t e et l'air libre, plus ou m o i n s h u m i d e .
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La Météorologie 8 série - n ° 2 - juin 1993
AIR S E C , AIR HUMIDE
ET AIR SATURE
L'air sec
L'air saturé
L ' a i r sec est, p a r définition, de l'air débarrassé de toute trace de vapeur d ' e a u ,
parfaitement desséché. Son h u m i d i t é relative est donc nulle, de m ê m e que son
rapport de m é l a n g e , et tout apport d ' e a u liquide peut s ' é v a p o r e r aussitôt en
l'humidifiant.
L ' a i r saturé en vapeur d ' e a u ne peut plus accueillir la m o i n d r e trace de vapeur
d'eau supplémentaire, qui se condense aussitôt en eau liquide (buée, rosée, gouttelettes
de brouillard ou de n u a g e ) ou solide (givre, gelée blanche, cristaux de glace des
nuages élevés) : son h u m i d i t é relative est alors égale à 100% et la pression partielle
de vapeur d ' e a u à la saturation, eSW, ne d é p e n d que de la température. Par contre, le
rapport de m é l a n g e saturant,rSWd é p e n d aussi de la pression a t m o s p h é r i q u e .
t
(° C)
r sat. au sol
(g H 0 / k g air sec)
pr. vap. eau sat.
e (hPa)
45° C
65,3
95,9
40° C
49,0
73,8
35° C
37,6
56,2
30° C
27,3
42,4
25° C
20,2
31,7
20° C
14,8
23,4
15°C
10,6
17,0
10°C
7,7
12,3
5°C
5,4
8,7
0°C
3,8
6,1
sw
2
Tableau 1 - Rapport de mélange et pression
de vapeur d'eau saturants
pour des températures positives
A de faibles altitudes, p o u r une pression atm o s p h é r i q u e n o r m a l e (par e x e m p l e 1010 h P a ) , les
c o r r e s p o n d a n c e s figurant dans le tableau 1 peuvent être
retenues.
sw
D e u x formules simples p e u v e n t être e m p l o y é e s
p o u r connaître la pression partielle de v a p e u r d ' e a u
saturante au-dessus de l'eau liquide, esw, p o u r des
températures t c o m p r i s e s entre 0° C et 50° C :
esw (hPa) = e x p ((457 + 20 . t)/(252 + t))
formule simple bien adaptée aux besoins courants,
et la formule de T e t e n s :
esw (hPa)= 6,1 . e x p ((17,27 . t)/(237,3 +1)) très
précise et parfaitement ajustée aux tables officielles.
N o t o n s seulement q u e , sauf m e s u r e s effectuées très s o i g n e u s e m e n t , avec des
instruments de précision parfaitement étalonnés et par des techniciens e x p é r i m e n t é s ,
les pressions partielles de vapeur d ' e a u peuvent r a r e m e n t être c o n n u e s avec une
précision relative meilleure q u e 5 % .
Bien entendu, et c o m m e nous le rappellerons ultérieurement, le rapport de
m é l a n g e saturant r est d o n n é par la formule :
w
r
(g/kg)
sw
=622-e /(P-e )
w
w
P étant la pression a t m o s p h é r i q u e totale, considérée égale à sa valeur
m o y e n n e aux faibles altitudes (1010 hPa) dans le tableau 1 et dans la plupart des
e x e m p l e s d o n n é s dans cet article.
t °C
r„ (rJ
(g/kg)
e (e J
(hPa)
0°C
3,8(3,8)
6,1 (6,1)
si
-10° C
1,6(1,8)
2,6(2,9)
-20" C
0,6(0,8)
1,0(1,3)
-30" C
0,25 (0,3)
0,4 (0,5)
0,06 (0,1)
0,1 (0.2)
:
-40 C
Tableau 2 - Rapport de mélange et pression
de vapeur d'eau saturants pour des températures négatives
Aux températures de l'air inférieures à 0° C,
l'équilibre de saturation se produit g é n é r a l e m e n t vis-àvis de la glace, de l'eau solide et non plus liquide, et les
valeurs à retenir, r et e , sont d o n n é e s dans le tableau
2 (sauf cas très particulier et transitoire d ' é q u i l i b r e en
p r é s e n c e d ' e a u surfondue : les valeurs c o r r e s p o n d a n t e s , r et e . sont d o n n é e s entre parenthèses).
N o t o n s ici que 1 m ' d ' a i r sec, à la pression
n o r m a l e et à une température de 15° C, pèse environ 1,3
kg alors q u e le m ê m e v o l u m e de v a p e u r d ' e a u , dans les
m ê m e s conditions, ne pèse que 0,8 kg. Ainsi, l'air
h u m i d e est toujours plus léger, m o i n s dense, que l'air
sec à la m ê m e pression et à la m ê m e température.
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La Météorologie 8 série - n° 2 - j u i n 1993
L'air humide
L ' a i r humide se situe naturellement entre ces deux extrêmes et
peut être considéré comme un mélange d'air sec et de vapeur d'eau, ou
d'air sec et d'air saturé, tous deux à la même température.
Exemple 2
Par temps calme, en fin de nuit, la température
de l'air extérieur est de 5° C avec du brouillard,
et une fine rosée se dépose sur les brins
d'herbe. L'humidité relative doit être proche de
100%, soit une tension de vapeur de 8,7 hPa.
Les premiers rayons de soleil feront évaporer le
brouillard et la rosée, puis échaufferont le sol et
l'air, sans changer notablement la tension de
vapeur. Dans cette hypothèse, si la température monte jusqu'à 20° C dans l'après-midi,
l'humidité relative à ce moment sera de 8,7/
23,4 = 3 5 % environ, en supposant que la rosée
évaporée ne soit pas restée confinée au sol.
Exemple 3
Inversement, si l'on mesure l'une de ces autres grandeurs caractéristiques du contenu en eau de l'air humide, il faut également mesurer
sa température si l'on veut connaître son humidité relative.
La formule à retenir pour calculer le rapport de mélange r (en
grammes de vapeur d'eau par kilogramme d'air sec) à partir de la pression
partielle de vapeur d'eau e et de la pression atmosphérique P, toutes deux
exprimées en hPa, est la suivante:
r = 622 • e / (P - e)
Pour une température ambiante de 25° C,
l'humidité relative est de 75%. Un bac contenant de l'eau et placé à l'ombre reste à une
température voisine de 25° C, et un autre bac,
au soleil, voit sa température monter à 30° C.
La pression partielle de vapeur d'eau ambiante
est de 31,7 • 0,75 ~ 24 hPa. La tension de
vapeur saturante pour le premier bac est de
31,7 hPa, entraînant un déficit de saturation de
8 hPa environ, alors que, pour le deuxième, elle
est de 42,4 hPa, correspondant à un déficit de
saturation de 18 hPa environ. L'évaporation
sur le bac au soleil sera ainsi plus de 2 fois plus
rapide que pour le bac à l'ombre, pour les
mêmes conditions de vent.
MESURE ABSOLUE DU
CONTENU EN EAU
Son humidité relative caractérise le rapport entre son contenu en
eau et celui d'un air saturé à la même température. Encore faut-il mesurer
cette température, en plus de l'humidité relative, si l'on veut connaître le
contenu en eau et les autres grandeurs qui y sont liées : rapport de mélange,
pression partielle de vapeur d'eau, déficit de saturation ou température du
point de rosée.
De même l'humidité relative se calcule aisément par la formule
e
U =
pour la saturation par rapport à l'eau liquide.
Enfin la relation donnant la température du point de rosée est e
sw
(Td) = e.
3
On se rappellera que la masse d'un m d'air sec est proportionnelle
à la fois à la pression Pet à l'inverse de la température absolue T (avecT=
t + 273°): à 15° C ( T = 288° K ) et pour la pression normale P = 1013 hPa,
cette masse est de 1,3 kg.
Il paraît ainsi utile de passer en revue les méthodes les plus
couramment utilisées pour la mesure de l'humidité de l'air, indépendamment ou non de sa température.
C 'est là une méthode de mesure directe et absolue, utilisée en laboratoire pour
l'étalonnage de la plupart des appareils de mesure de l'humidité : elle consiste à
prélever un volume connu de l'air à analyser, puis à absorber toute la vapeur d'eau
q u ' i l contient sur des corps très avides d'eau comme l'acide sulfurique concentré et
à peser l'eau ainsi recueillie.
Connaissant la quantité d'eau par unité de volume d'air humide, connaissant
par ailleurs la pression et la température de cet air, on en déduit aisément toutes les
autres grandeurs caractéristiques de son contenu en eau.
Il s'agit cependant d'une mesure pondérale, d'utilisation délicate, nécessitant
l'emploi d'installations et d'instruments de haute précision et réservée pour cette
raison aux étalonnages instrumentaux dans des laboratoires spécialisés.
MESURE DE LA
TEMPERATURE DU
POINT DE ROSEE
Le principe de l'hygromètre à point de rosée d ' A l l u a r d consiste à refroidir
lentement un miroir métallique en contact avec l'air dont on veut évaluer l'humidité,
et à mesurer sa température de surface dès qu'une légère buée apparaît : on obtient
alors la température du point de rosée (ou de gelée), dont on déduit la pression
partielle due à la vapeur d'eau, la valeur du rapport de mélange,...
Si l'on mesure par ailleurs la température de l'air, on peut facilement calculer
son humidité relative : celle-ci est égale au rapport entre les pressions partielles de
vapeur saturante à la température de point de rosée et à celle de l'air.
Selon les domaines de mesure considérés, cette méthode est plus ou moins
précise; elle nécessite certaines précautions, aussi bien quant à la propreté du miroir
métall ique que lors des lectures de température, et peut donner d'excel lents résultats.
Une automatisation est par ailleurs possible, bien que diverses causes d'erreur
puissent fausser les mesures.
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U n e g r a n d e variété d ' h y g r o m è t r e s fonctionnant sur ce
principe sont disponibles sur le m a r c h é . P o u r les plus récents, le
refroidissement du miroir devant lequel circule l'air h u m i d e est
obtenu à l'aide d ' u n dispositif à s e m i - c o n d u c t e u r utilisant l'effet
Peltier. La détection de la condensation est assurée par une cellule
p h o t o - é l e c t r i q u e a g i s s a n t sur un r é g u l a t e u r du c o u r a n t de
réfrigération : on peut ainsi obtenir un dépôt d ' é p a i s s e u r constante
quelle q u e soit la teneur en vapeur d ' e a u de l'air.
Figure 1 - Un hygromètre à point de rosée
du commerce
Les appareils les plus perfectionnés utilisent au m o i n s
deux cellules réagissant respectivement à la lumière réfléchie et
à la lumière diffusée; un m o n t a g e différentiel permet de neutraliser, d a n s une certaine m e s u r e , les effets des salissures de la surface
du miroir et de vieillissement de la source l u m i n e u s e . La t e m p é rature de la surface du miroir, assimilable à la température du
point de rosée, est repérée par une thermo-résistance ou une
thermistance miniature.
A v e c de tels h y g r o m è t r e s , on obtient une précision de 1 ° C, p o u v a n t atteindre
0,25° C, sur les valeurs de la t e m p é r a t u r e du point de rosée. C e p e n d a n t , lorsque cette
température est c o m p r i s e entre 0° C et -15° C, le c o n d e n s â t peut rester sous forme
liquide d ' e a u surfondue : les écarts entre les t e m p é r a t u r e s des points de rosée et de
gelée conduisent alors à des erreurs de 1 ° C et de 2° C p o u r des t e m p é r a t u r e s du point
de gelée de -8° C ou de -15° C. Un refroidissement brutal du miroir est parfois prévu
afin de faire cesser cet état de surfusion.
Une m é t h o d e voisine consiste à prélever et à refroidir, en le détendant
brutalement, l'air dont on veut m e s u r e r l ' h u m i d i t é : dès q u e la variation de pression
est suffisante pour que cette détente adiabatique d é t e r m i n e un abaissement de
température p r o v o q u a n t la condensation et l'apparition de très fines gouttelettes
( c o m m e dans les n u a g e s ) , éclairées latéralement et détectées avec un m i c r o s c o p e ,
la température atteinte est celle du point de rosée. Là encore, des observations très
soigneuses sont indispensables, et les causes d ' e r r e u r ou d ' i m p r é c i s i o n restent
nombreuses.
Figure 2 - Le miroir métallique
de l'hygromètre à point de rosée
Enfin, d ' a u t r e s m é t h o d e s similaires, utilisant toujours la condensation de la
vapeur d ' e a u ou l'évaporation d ' e a u liquide, consistent à m e s u r e r la t e m p é r a t u r e à
laquelle une solution a q u e u s e d ' u n sel h y g r o s c o p i q u e est en équilibre avec l'air
h u m i d e : il suffit alors de chauffer lentement cette solution a q u e u s e , de chlorure de
lithium par e x e m p l e , à des températures supérieures à celle de l'air et de détecter les
premiers signes d ' é v a p o r a t i o n et de dessication de la solution lors du chauffage, ou
de mise en solution du sel lors d ' u n léger refroidissement. Ce c h a n g e m e n t d'état est
détecté à l'aide de m e s u r e s électriques auxiliaires a i s é m e n t automatisables (variation de résistance ou de capacité), et la température c o r r e s p o n d a n t e d é t e r m i n e la
pression partielle de vapeur d ' e a u , bien définie par un étalonnage instrumental
préalable.
La stabilité c h i m i q u e des propriétés du corps h y g r o s c o p i q u e doit c e p e n d a n t
être assurée, ce qui exige certaines protections et des vérifications régulières, et
celui-ci doit être s o i g n e u s e m e n t choisi en fonction du d o m a i n e de m e s u r e prévu.
Insistons enfin sur la d u r é e de vie du sel qui apparaît directement liée à la
pureté de l'air : une pollution importante, par des gaz c o m m e le d i o x y d e de soufre
ou les o x y d e s d ' a z o t e , c o m m e par des particules de sel marin, peut l'abréger
fortement; on peut alors installer une e n v e l o p p e protectrice p e r m é a b l e à la v a p e u r
d ' e a u ( m e m b r a n e cellulosique). Un tel p r o c é d é fut utilisé par la Météorologie
nationale ; j u g é trop délicat au regard des impératifs du réseau de m e s u r e s , il fut
a b a n d o n n é il y a une dizaine d ' a n n é e s .
MESURE
DE LA TEMPERATURE
DU THERMOMETRE
MOUILLE
(PSYCHROMETRIE)
Cette m é t h o d e consiste à m e s u r e r s i m u l t a n é m e n t la température de l'air T
( t h e r m o m è t r e sec) et celle T ' d ' u n autre t h e r m o m è t r e dont le réservoir est mouillé
à l'aide d ' u n e fine m è c h e ou m o u s s e l i n e imbibée d ' e a u ( t h e r m o m è t r e h u m i d e ) :
l'évaporation de l ' e a u du réservoir h u m i d e p r o v o q u e un refroidissement qui est
alors m e s u r é par la différence (T - T") entre les deux températures.
D e ces deux températures, et surtout de cette différence, on peut déduire
toutes les g r a n d e u r s caractéristiques de l'air h u m i d e analysé, en s'aidant de tables
ou de formules dites « p s y c h r o m é t r i q u e s » , tenant c o m p t e à la fois de la vitesse de
ventilation des t h e r m o m è t r e s et de la pression a t m o s p h é r i q u e .
Simple d ' e m p l o i , cette m é t h o d e de m e s u r e exige c e p e n d a n t que la m è c h e
h u m e c t a n t le réservoir du t h e r m o m è t r e mouillé soit régulièrement a l i m e n t é e en eau,
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et que sa t e m p é r a t u r e ne d e s c e n d e pas a u - d e s s o u s de 0° C. Par ailleurs, il convient
d ' o b s e r v e r toutes les précautions utiles pour q u e les deux températures soient
m e s u r é e s avec une g r a n d e précision, surtout dans le cas de fortes humidités relatives;
il faut é g a l e m e n t assurer une ventilation suffisante et bien dirigée sur les réservoirs
des deux t h e r m o m è t r e s pour pouvoir déterminer au m i e u x les tables et les valeurs des
paramètres à utiliser dans les calculs p s y c h r o m é t r i q u e s .
En effet l'exploitation correcte et précise des indications d ' u n p s y c h r o m è t r e
exige impérativement l'utilisation de la table psychrométrique établie par le concepteur
en fonction des c a r a c t é r i s t i q u e s de l ' a p p a r e i l . En particulier, le coefficient
p s y c h r o m é t r i q u e d é p e n d à la fois de la forme et des d i m e n s i o n s du c a p t e u r mouillé,
ainsi que de la vitesse du courant de ventilation où il baigne.
Le plus souvent, les corps t h e r m o m é t r i q u e s sont cylindriques et la ventilation
est transversale : p o u r un d i a m è t r e de 3 m m , la vitesse de ventilation m i n i m a l e pour
obtenir un coefficient p s y c h r o m é t r i q u e constant est de 3 m.s ', ce qui n'est obtenu
que rarement dans les abris de m e s u r e s m é t é o r o l o g i q u e s courants, sauf p a r vent assez
fort.
La formule p s y c h r o m é t r i q u e classique est de la forme :
Figure 3 - Un psychromètre d'abri
météorologique
e = e
svi
(T) - A • P • (T - T ' )
avec :
e (T) : pression de vapeur d ' e a u saturante à T (hPa)
P : pression a t m o s p h é r i q u e totale (hPa)
A : coefficient variable avec la ventilation, depuis 1 . 1 0 pour un vent
très faible, j u s q u ' à 0,64 . 1 0 p o u r un vent supérieur à 3 m . s ' .
u
3
3
Pratiquement, à faible altitude et pour un t h e r m o m è t r e mouillé suffisamment
ventilé, on peut utiliser la formule simplifiée :
e=e
u
(T) - 0,64 • (T - T ' )
La p s y c h r o m é t r i e constitue une m é t h o d e largement r é p a n d u e , aussi bien
p o u r des étalonnages que pour des m e s u r e s courantes d ' h u m i d i t é ; e n c o r e faut-il
respecter les conditions nécessaires pour obtenir une b o n n e précision dans la m e s u r e
des températures. La p s y c h r o m é t r i e n ' e s t m a l h e u r e u s e m e n t que très difficilement
utilisable par temps froid ou très sec, dès q u e la température du t h e r m o m è t r e mouillé
devient inférieure à 0° C.
Figure 4 - Un hygromètre à cheveux
du commerce
MESURE DE
L'HUMIDITE RELATIVE
(HYGROMETRIE)
L'association d ' u n dispositif de réchauffage p e r m e t d ' a c c r o î t r e le d o m a i n e
de m e s u r e en m a i n t e n a n t la température du t h e r m o m è t r e mouillé supérieure à 0° C.
S'il est possible, de plus, de contrôler la p u i s s a n c e de chauffage par une régulation
électronique en vue d ' a s s u r e r une valeur de T ' constante, le simple repérage de la
température sèche de l'air réchauffé est suffisant p o u r d é t e r m i n e r la tension de
vapeur ainsi que les valeurs de l ' h u m i d i t é relative et de la température du point de
rosée. Cette m é t h o d e séduisante n ' a c e p e n d a n t encore j a m a i s d o n n é lieu à une
réalisation pratique utilisable pour des m e s u r e s courantes.
Certaines matières o r g a n i q u e s ont la propriété de se contracter ou de
s'allonger lorsque l ' h u m i d i t é relative de l'air (par rapport à l'eau liquide) d i m i n u e
ou a u g m e n t e : les c h e v e u x p o s s è d e n t cette propriété, en particulier les c h e v e u x de
f e m m e blonde, mais aussi la b a u d r u c h e ou la «peau de batteur d ' o r » , tirée de
l'intestin du b œ u f ou du m o u t o n .
Il suffit alors de procéder à une m e s u r e de l o n g u e u r ou de d é p l a c e m e n t , après
éventuelle amplification m é c a n i q u e , p o u r obtenir la valeur de l ' h u m i d i t é relative,
sans tenir c o m p t e de légères corrections liées à la température.
Les instruments c o r r e s p o n d a n t s , appelés c o u r a m m e n t h y g r o m è t r e s , restent
simples et peu c o û t e u x , relativement précis sous réserve de vérifier le calage du
cadran de lecture, surtout au voisinage de la saturation ( 1 0 0 % ) ; mais on ne peut g u è r e
les utiliser pour des humidités relatives inférieures à 2 0 % , et leur précision d é p e n d
b e a u c o u p des conditions d'utilisation et des d o m a i n e s de t e m p é r a t u r e couverts.
U n a v a n t a g e important de ces h y g r o m è t r e s est de d o n n e r des indications
acceptables m ê m e lorsqu'il gèle : c e p e n d a n t , les valeurs alors m e s u r é e s c o r r e s p o n dent à celles de l ' h u m i d i t é relative au-dessus de l'eau (surfondue), et non au-dessus
de la glace, et elles doivent é v e n t u e l l e m e n t être corrigées si l'on veut étalonner
l ' h y g r o m è t r e en le c o m p a r a n t avec d ' a u t r e s types d ' i n s t r u m e n t s .
24
e
La Météorologie 8 série - n° 2 - juin 1993
N o t o n s enfin que le t e m p s de réponse, ou l'inertie, des h y g r o m è t r e s organiques a u g m e n t e très fortement lorsque la t e m p é r a t u r e décroît, en restant le plus
souvent sensiblement supérieur à celui des t h e r m o m è t r e s : leur utilisation doit donc
se limiter à des conditions stables, caractérisées par de faibles ou lentes variations
de t e m p é r a t u r e et d ' h u m i d i t é , surtout en cas de t e m p s froid. Cette inertie peut être
sensiblement réduite par laminage des c h e v e u x .
MESURES PAR
ADSORPTION ET PAR
ABSORPTION
Certains corps h y g r o s c o p i q u e s sont dotés de propriétés électriques rapidement variables avec la quantité d ' e a u a b s o r b é e dans leur m a s s e ou adsorbée (*) en
surface en fonction de l ' h u m i d i t é relative de l'air et, m a r g i n a l e m e n t , de sa t e m p é rature. Divers types d ' h y g r o m è t r e s ont été réalisés sur ces bases et sont c o u r a m m e n t
utilisés pour des applications spécifiques : la valeur de l ' h u m i d i t é relative est alors
directement déduite de m e s u r e s électriques de résistance ou de capacité, en fonction
de courbes d ' é t a l o n n a g e plus ou m o i n s facilement reproductibles.
L a principale difficulté de ce genre de m e s u r e réside dans la
stabilité à m o y e n ou long terme du corps h y g r o s c o p i q u e utilisé, dont
les caractéristiques sont é v e n t u e l l e m e n t faussées t e m p o r a i r e m e n t s'il
a été trop longtemps exposé à de fortes h u m i d i t é s , et surtout s'il a été
i m p r é g n é d ' e a u liquide.
Les h y g r o m è t r e s de ce type principalement basés sur des
p h é n o m è n e s d ' a d s o r p t i o n apparaissent relativement peu fiables :
I ' i m p é d a n c e de l ' é l é m e n t sensible d é p e n d de la quantité d ' e a u p i é g é e ,
mais aussi de sa teneur en impuretés. Les dépôts de salissures en
surface modifient é g a l e m e n t les propriétés électriques de cet élément
sensible, en pouvant entraîner de fortes dérives d ' é t a l o n n a g e ; et sa
protection par des vernis s e m i - p e r m é a b l e s ou des e n v e l o p p e s de
matériaux frittes reste peu efficace.
Figure 5 - Sonde capacitive VAISALA actuellement utilisée
dans le réseau de Météo-France (référence HMP-35-DE)
Parai 1 leurs, de tels hygromètres présentent une forte dissymétrie
de réaction aux variations d ' h u m i d i t é relative : lorsque celle-ci croît,
l ' a u g m e n t a t i o n de la conductivité de surface p e r m e t une r é p o n s e
assez, rapide alors que, lorsqu'elle décroît, la s o u s - c o u c h e reste plus
longtemps i m p r é g n é e d ' e a u adsorbée et les indications sont affectées
d ' u n traînage notable.
Les matériaux privilégiant le p h é n o m è n e d ' a b s o r p t i o n , c o m m e bon n o m b r e
de p o l y m è r e s , ont l ' a v a n t a g e d'être m o i n s sensibles aux effets de pollution de
su rlace.
Si l'on procède par m e s u r e de résistance, il convient naturellement d'utiliser
un courant alternatif évitant toute polarisation néfaste. La résistance varie alors en
fonction de l ' h u m i d i t é relative selon une loi d'allure exponentielle, les faibles
humidités entraînant de très fortes valeurs o h m i q u e s souvent m e s u r é e s avec une
précision m é d i o c r e .
Dans les cas d ' u n e m e s u r e de lacapacité d ' u n condensateur dont le diélectrique
est constitué par une m e m b r a n e absorbante, celle-ci croît avec l ' h u m i d i t é mais elle
d é p e n d fortement de la fréquence utilisée pour la m e s u r e ; pour certains matériaux,
la courbe de réponse devient presque linéaire si la fréquence d é p a s s e quelques
centaines de k H z .
Figure 6 - Elément sensible
de la sonde capacitive VAISALA
D e tels capteurs capacitifs sont c o m m e r c i a l e m e n t disponibles ( C O R E C I ,
V A I S A L A , SPSI, R O T R O N I C ) avec des durées de vie utiles dépassant six m o i s , en
fournissant des valeurs de l ' h u m i d i t é relative avec une b o n n e précision, à quelques
% près. Ils sont peu affectés par des séjours, m ê m e prolongés, en a t m o s p h è r e saturée
et leurs constantes de t e m p s restent faibles (de l ' o r d r e de q u e l q u e s secondes p o u r des
t e m p é r a t u r e s supérieures à 0° C). Une b o n n e reproductibilité de leurs caractéristiq u e s faciliterait leur utilisation c o u r a n t e ainsi que les opérations de r e m p l a c e m e n t et
de m a i n t e n a n c e , m a i s des progrès restent encore à accomplir dans la maîtrise des
processus de fabrication industrielle. D e s contrôles d ' é t a l o n n a g e systématiques et
réguliers restent ainsi nécessaires et réduisent l'intérêt de ces h y g r o m è t r e s , surtout
lié à leur faible coût, à leur s i m p l i c i t é d ' u t i l i s a t i o n et à leurs p o s s i b i l i t é s
d ' a u t o m a t i s a t i o n (télémesures).
(*) Adsorption : pénétration superficielle de l'eau dans un solide
Absorption : imprégnation, par l'eau, du solide dans sa masse.
25
e
La Météorologie 8 série - n ° 2 - juin 1993
MESURES PAR
DIFFUSION GAZEUSE
L ' e m p l o i de m e m b r a n e s p o r e u s e s , et surtout de m e m b r a n e s s e m i - p e r m é a bles, p e r m e t une mesure directe de la pression partielle de vapeur d ' e a u .
D a n s le cas d ' u n e m e m b r a n e poreuse, on utilise un récipient c o n t e n a n t de
l'eau pure à une température d é t e r m i n é e , e n g e n d r a n t une pression de vapeur
saturante c o n n u e , q u e l'on met en c o m m u n i c a t i o n avec l'air h u m i d e extérieur par
l'intermédiaire de cette m e m b r a n e . Il se crée alors une pression différenExemple 4
tielle entre le v o l u m e intérieur du récipient et l'air extérieur, due à la lente
diffusion de la vapeur d ' e a u intérieure; sa m e s u r e indique la différence des
Les nuages convectifs sont formés de fines
pressions de vapeur d ' e a u interne et externe, et on en déduit la pression
gouttelettes d'eau liquide, en suspension dans
partielle de vapeur d ' e a u de l'air. Le choix de la m e m b r a n e , de sa nature
l'air humide saturé par r e f r o i d i s s e m e n t
c o m m e de son épaisseur et de sa porosité, reste délicat, et diverses
adiabatique. Pour des nuages moyens coucorrections de température sont inévitables.
rants, aune température de 10° C par exemple,
le contenu en vapeur d'eau de 1 m d'air, peA v e c une m e m b r a n e s e m i - p e r m é a b l e , le principe mis en œ u v r e est
sant environ 1 kg, est de 7,7 g, alors que les
encore plus simple : celle-ci transporte u n i q u e m e n t les m o l é c u l e s de
gouttelettes d'eau correspondent à environ 2 g
vapeur d ' e a u d ' u n e face à l'autre de la m e m b r a n e , en égalisant les
d'eau liquide en moyenne, ne représentant
pressions de vapeur d ' e a u de c h a q u e côté. Ainsi, une telle m e m b r a n e
ainsi qu'une faible proportion (25%) du contenu
fermant un récipient clos et vide d ' a i r p e r m e t d ' o b t e n i r directement, dans
total en eau de la masse nuageuse. Cette eau
ce récipient, la pression de v a p e u r d ' e a u e de l'air h u m i d e extérieur : il est
sous forme liquide correspond à la condensaalors possible de la m e s u r e r avec m a n o m è t r e sensible.
tion qui aurait résulté d'un refroidissement de
Ces deux m é t h o d e s n ' o n t été que peu d é v e l o p p é e s , car elles offrent
5° C environ de la masse nuageuse d'air hul ' i n c o n v é n i e n t d ' u n t e m p s de réponse assez élevé : ceci n ' e s t cependant
mide.
p a s un i n c o n v é n i e n t m a j e u r en m é t é o r o l o g i e p u i s q u e l e s
variations naturelles de la pression de vapeur d ' e a u a t m o s p h é r i q u e restent b e a u c o u p
plus lentes et progressives que les variations d ' h u m i d i t é relative, directement liées
aux rapides fluctuations de t e m p é r a t u r e . Elles nécessitent par ailleurs des m e s u r e s de
pression assez fines, mais aisément a u t o m a t i s a b l e s , et ont surtout l ' a v a n t a g e d ' ê t r e
totalement d é c o u p l é e s des m e s u r e s simultanées de la température de l'air.
3
AUTRES METHODES
DE MESURE
Bien d ' a u t r e s m é t h o d e s sont e n v i s a g e a b l e s ou réalisées, dans le but de
m e s u r e r le contenu en eau de l ' a t m o s p h è r e . Il faut en particulier citer les h y g r o m è t r e s
à infrarouge exploitant l'extinction, par la vapeur d ' e a u , de b a n d e s étroites du
r a y o n n e m e n t infrarouge proche, centrées
par e x e m p l e vers 1 130, 1370, 1900 ou
Exemple 5
2 7 0 0 nni.
La respiration de l'homme consiste à introduire dans les poumons de l'air, plus ou
moins humide, en vue d'oxygéner le sang, puis à rejeter cet air, porté dans les
poumons à la température interne du corps et pratiquement saturé en vapeur
d'eau. La température de l'air rejeté est d'environ 37° C, et son contenu en eau
de l'ordre de 40 g / m d'air sec. La quantité d'eau consommée pour le saturer
correspond donc à la différence de contenu en eau entre l'air inspiré et l'air expiré.
Pour de l'air extérieur à 0° C et saturé (tension de vapeur ~ 6 hPa, contenu en eau
~ 4 g / m ) , la différence est de 36 g / m d'air sec inspiré : le volume d'air quotidien
lié à la respiration étant de l'ordre de 15 m pour un homme peu actif, cette
humidification implique une consommation d'eau d'environ 0,5 litre par jour, sans
compter les perles complémentaires dues à la perspiration de la peau et à une
éventuelle transpiration ainsi qu'à l'élimination urinaire. Conclusion : plus il fait sec
(et froid, l'hiver en particulier), plus il faut boire... Cette quantité n'est sensiblement diminuée, divisée par 2 par exemple, que dans les ambiances chaudes et
humides, comme les climats équatoriaux, mais la transpiration compense alors
cette différence...
3
3
3
3
Ces hygromètres c o m p r e n n e n t un
s y s t è m e de filtres sélectionnant alternativement une de ces bandes d ' a b s o r p t i o n
et une bande voisine non affectée par la
vapeur d ' e a u : la m e s u r e des extinctions
c o m p a r é e s , sur d e s trajets c o m p r i s
e n t r e q u e l q u e s d é c i m è t r e s et plusieurs
h e c t o m è t r e s , permet d'établir leur rapport et de d é t e r m i n e r la valeur de l ' h u m i dité absolue m o y e n n e sur le trajet.
Divers effets parasites doivent
être pris en c o m p t e et maîtrisés ou c o m p e n s é s dès la conception : effets de la
température et problèmes dus au scintillement sur de longs trajets en a t m o sphère t u r b u l e n t e , en particulier. Par
ailleurs, il faut s'affranchir des extinctions a n n e x e s dues à l'absorption par le gaz c a r b o n i q u e , par e x e m p l e , ou à la
diffusion et l'absorption par les aérosols.
Cette famille d ' h y g r o m è t r e s se révèle e x t r ê m e m e n t sensible, en étant dotée
d ' u n e très grande rapidité de réponse et en permettant des m e s u r e s intégrées sur des
parcours optiques importants. M a i s il s'agit d ' a p p a r e i l l a g e s optiques c o m p l e x e s ,
coûteux et de m i s e en œ u v r e délicate, nécessitant une surveillance continue excluant
leur emploi p o u r des m e s u r e s de routine; ils restent surtout utilisés p o u r des travaux
de r e c h e r c h e ou de laboratoire, et dans tous les cas où leurs caractéristiques
spécifiques apparaissent indispensables.
26
La Météorologie 8° série - n° 2 - juin 1993
CONCLUSION
L a m e s u r e du contenu en v a p e u r d ' e a u de l ' a t m o s p h è r e , de son h u m i d i t é , ne
peut être réalisée c o r r e c t e m e n t q u ' a v e c des appareils s o i g n e u s e m e n t étalonnés et
régulièrement vérifiés, choisis en fonction du d o m a i n e de m e s u r e envisagé et de la
g r a n d e u r que l'on veut déterminer.
Exemple 6
P r e n o n s le c a s d'un g a z h u m i d e G 1 , d e t e m p é r a t u r e t1 et d e rapport d e m é l a n g e
r1, injecté d a n s un autre g a z humide G2 (l'air ambiant, par e x e m p l e ) d e
t e m p é r a t u r e t2 et d e rapport d e m é l a n g e r2. Les caractéristiques t h e r m o hygrométriques du m é l a n g e g a z e u x résultant G d é p e n d e n t d e la proportion K=
G 1 / G 2 d e s v o l u m e s d e G1 et G 2 m é l a n g é s : si K = 0, G est identique à G2, et
si K = 1 , G n'est autre q u e G 1 . La t e m p é r a t u r e d e G e s t t = t2 + K • (t1 -12) et s o n
rapport d e m é l a n g e e s t r = r2 + K • (r1 - r2). Pour d i v e r s e s v a l e u r s d e K, on p e u t
c o m p a r e r r au rapport d e m é l a n g e s a t u r a n t r à la t e m p é r a t u r e t : si r> r , on a u r a
saturation et formation d e b u é e , d e brouillard, d e «fumée b l a n c h e » , d è s l'origine
si cette condition e s t remplie pour K voisin d e 1, et persistant d'autant plus
l o n g t e m p s qu'elle le s e r a pour d e faibles valeurs d e K. On peut a i s é m e n t
appliquer u n e m é t h o d e voisine pour l'évaluation d e s t r a î n é e s d e c o n d e n s a t i o n
d e s avions en altitude, ou pour celle d e s p a n a c h e s d e c e n t r a l e s t h e r m i q u e s ou
d e s jets d e «vapeur» d e s bouilloires. Plus c o u r a m m e n t , le n u a g e d e c o n d e n s a tion parfois dû à l'expiration, en hiver (G1 e s t s a t u r é à 37° C), peut ainsi être
prévu, d e m ê m e q u e certains brouillards d e m é l a n g e . . . La m é t h o d e g r a p h i q u e
e s t é g a l e m e n t utilisable, et rend c e s r a i s o n n e m e n t s a i s é m e n t c o m p r é h e n s i b l e s
à l'aide d'un g r a p h i q u e t/r où figurent les points représentatifs d e G1 et G2, joints
par u n e droite g r a d u é e en valeurs d e K, ainsi q u e la c o u r b e d e s rapports d e
m é l a n g e s a t u r a n t s . E s s a y e z et c o m p a r e z . . .
s
s
L ' h y g r o m è t r e à c h e v e u x du
c o m m e r c e peut d o n n e r de bons résultats
sous réserve d ' ê t r e installé en un endroit
où la t e m p é r a t u r e n e v a r i e q u e
p r o g r e s s i v e m e n t , pour des h u m i d i t é s
relatives c o m p r i s e s entre 25 et 100%, et
p o u r autant q u ' i l ait été c o n v e n a b l e m e n t
g r a d u é , surtout vers les fortes h u m i d i t é s .
La difficulté d'effectuer des télémesures
reste son principal inconvénient; p a r
contre de n o m b r e u x m o d è l e s existent,
de prix abordables et permettant m ê m e
d'effectuer des enregistrements. Leur
emploi p o u r contrôler la climatisation
de l o g e m e n t s ou de bureaux paraît j u dicieux.
Les psychromètres peuvent
d o n n e r une plus grande précision et ainsi
être retenus pour tout contrôle
d ' é t a l o n n a g e , sous réserve de disposer
d'une ventilation régulière (modèle
crécelle, m o d è l e d ' A s s m a n ) . L e u r e m ploi reste cependant limité pratiquement
aux températures du t h e r m o m è t r e mouillé supérieures à 0° C; m a i s la
t é l é m e s u r e des deux t e m p é r a t u r e s peut être réalisée sans difficultés e x cessives et avec une précision suffisante, c o m m e en t h e r m o m é t r i e , au
moins pour les plages courantes d ' h u m i d i t é relative. Le m o d e de ventilation et la c o n t e n a n c e du réservoir d ' a l i m e n t a t i o n en eau (distillée, de
préférence) restent des é l é m e n t s de choix importants p o u r tout e n r e g i s trement continu, de m ê m e que leurs facilités d'exploitation, de remplacement de la m o u s s e l i n e . . . Les prix varient n o t a b l e m e n t selon les
fabrications.
Figure 7 - Hygromètre
enregistreur
(ou hygrographe) à cheveux
Les h y g r o m è t r e s les plus univers e l s , d e s t i n é s p a r t i c u l i è r e m e n t à la
télémesure et pouvant être utilisés à toute
t e m p é r a t u r e , restent les h y g r o m è t r e s
électroniques à variation d ' i m p é d a n c e .
E n c o r e faut-il que l ' é t a l o n n a g e initial
soit c o n s e r v é : aucun réglage ne doit
ainsi être modifié quant aux circuits de
m e s u r e , et des contrôles réguliers restent nécessaires. Il s'agit là d'instruments relativement coûteux, du moins
dans leurs réalisations actuelles, mais
dont les performances et la fidélité devraient peu à peu s ' a m é l i o r e r et les prix
baisser.
D ' a u t r e s m é t h o d e s de m e s u r e ,
é v e n t u e l l e m e n t b e a u c o u p plus précises
et fines, restent du ressort de laboratoires spécialisés.
Figure 8 - L e «Wetter-telegraph»
de Lambrecht, cité par G. Eiffel, 1905
Ndlr : Nous ne pouvons résister au plaisir de vous présenter un des ancêtres de
ces hygromètres, le très baroque «Wetter-Telegraph» de Lambrecht (figure X),
cité par Ci. Eiffel, 1905.
Ci. liilTcl. 1905, Etudes pratiques de météorologie et observations comparées
des stations de Beaulieu, Sèvres et Vacquey pour l'année 1903. L. Maretheux,
imprimeur, Paris.
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