Comment fonctionne un baromètre ?

Est-ce qu'il va pleuvoir aujourd'hui ? Est-ce que ça va rester ensoleillé ? Et comment pouvez-vous le savoir ? Un moyen simple est de mesurer la pression atmosphérique.

Si elle augmente et que la pression est élevée, il y a de fortes chances que ce soit une belle journée ; si la pression diminue, il est plus probable que le temps soit humide, venteux et maussade.

Les instruments qui mesurent la pression atmosphérique s'appellent des baromètres et les gens les utilisent pour les prévisions météorologiques et la recherche scientifique depuis des centaines d'années. Voyons de plus près comment ils fonctionnent !

1) Qu'est-ce que la pression atmosphérique ?

Si vous avez déjà fait de la plongée sous-marine, vous savez exactement ce qu'est la pression. Plongez sous la surface de la mer et vous sentirez bientôt le poids de l'eau vous presser. Plus vous vous enfoncez, plus il y a d'eau au-dessus de vous, plus elle pèse et plus vous ressentez de pression. Mais la pression s'exerce sur votre corps même si vous n'allez jamais dans la mer.

Regardez le ciel et essayez d'imaginer le poids de l'atmosphère : l'énorme quantité de gaz qui entoure notre planète et qui est attirée vers sa surface par la gravité. Tout ce gaz peut ressembler à un vaste nuage vide de rien du tout, mais il a quand même un poids. Et il exerce toujours une pression sur votre corps. C'est la pression de l'air.

Lorsque vous êtes sous la mer, le poids de l'eau qui appuie sur votre corps vous empêche de respirer avec votre bouteille d'oxygène. La pression de l'air n'a jamais cet effet, car notre corps est creux et nos poumons sont remplis d'air, de sorte que l'air exerce une pression égale sur l'intérieur et l'extérieur de notre corps en même temps. C'est pourquoi nous ne ressentons pas la pression de l'air de la même manière que celle de l'eau.

2) Pourquoi la pression atmosphérique varie-t-elle d'un endroit à l'autre ?

La pression atmosphérique varie sur toute la planète. Elle est la plus élevée au niveau de la mer (où il y a la plus grande quantité d'air qui pousse vers le bas) et diminue au fur et à mesure que l'on s'élève. En haut de l'atmosphère, il y a beaucoup moins d'air, donc moins d'oxygène à respirer. C'est pourquoi les alpinistes doivent souvent utiliser des bouteilles d'oxygène.

C'est également la raison pour laquelle les avions doivent avoir des cabines pressurisées (compartiments internes pour les passagers, où l'air est maintenu à une pression supérieure à celle qu'il devrait normalement avoir à cette altitude) afin que les gens puissent respirer confortablement.

Même au même endroit, la pression de l'air change constamment. Cela est dû au fait que la Terre tourne et se déplace constamment autour du Soleil, de sorte que les différentes parties sont réchauffées à des degrés divers.

Lorsque l'air se refroidit et tombe, il augmente la pression plus près du sol. Les régions de haute pression comme celle-ci sont liées au beau temps. L'inverse se produit lorsque l'air se réchauffe et s'élève pour créer des régions de basse pression et un temps humide.

3) Comment se mesure la pression atmosphérique ?

Imaginez que vous êtes un inventeur et que votre travail consiste à créer une machine capable de mesurer la pression atmosphérique. Comment allez-vous vous y prendre ? Pensez à l'air qui appuie sur vous et voyez si vous pouvez imaginer construire quelque chose qui mesure sa pression.

Voyez si vous pouvez faire un croquis sur une feuille de papier. Voici un indice. Imaginez que l'air qui appuie sur vous est contenu dans un tube géant et invisible qui appuie sur la surface de la Terre à côté de vos pieds.

Si vous avez imaginé quelque chose ressemblant à une paire de balances capables de mesurer le poids de l'air contenu dans le tube, félicitations ! C'est à peu près la solution. Un appareil capable de mesurer la pression de l'air (que nous appelons baromètre) fonctionne en mesurant la pression de l'air sur lui.

4) Comment fonctionnent les baromètres

Les baromètres modernes sont entièrement électroniques et affichent la pression sur un écran LCD. Les deux types de baromètres traditionnels sont les baromètres torricelliens et anéroïdes (à cadran), et voici comment ils fonctionnent.

A. Les baromètres torricelliens

Le type de baromètre le plus simple est un grand tube fermé placé à l'envers dans un bain de mercure (un métal liquide dense à température ambiante), de sorte que le liquide remonte partiellement dans le tube, un peu comme dans un thermomètre.

Nous utilisons du mercure dans les baromètres parce que c'est plus pratique que d'utiliser de l'eau. L'eau étant moins dense (moins lourde, en fait) que le mercure, la pression de l'air fera monter un certain volume d'eau bien plus haut dans un tube que le même volume de mercure.

En d'autres termes, si vous utilisez de l'eau, il vous faut un tube très haut et votre baromètre sera si énorme qu'il ne sera pas pratique. Mais si vous utilisez du mercure, vous pouvez vous en sortir avec un équipement beaucoup plus petit.

Un tel appareil est appelé baromètre torricellien, du nom du mathématicien italien Evangelista Torricelli (1608-1647), élève de Galilée, qui a inventé le premier instrument de ce type en 1643. Il a pris un long tube de verre, scellé à une extrémité, l'a rempli de mercure provenant d'un bol, a mis son doigt sur l'extrémité ouverte, l'a renversé et l'a placé debout dans le bol de mercure.

Comme il avait pris soin de ne pas laisser entrer d'air dans le tube, l'espace qui s'est formé au-dessus de la colonne de mercure était un vide. En effet, c'était la première fois que quelqu'un produisait un vide dans un laboratoire (et un vide réalisé de cette manière est appelé vide torricellien en l'honneur de son inventeur).

Au niveau de la mer, l'atmosphère exerce une pression sur une flaque de mercure et la fait monter dans un tube jusqu'à une hauteur d'environ 760 mm (environ 30 pouces). Nous appelons cette pression atmosphérique une atmosphère (1 atm). Faites l'ascension d'une montagne, et emportez votre baromètre torricellien avec vous, et vous constaterez que la pression diminue au fur et à mesure que vous vous élevez.

L'atmosphère n'exerce plus autant de pression sur le mercure, qui ne monte donc plus aussi haut dans le tube. Il montera peut-être jusqu'à 65 cm (25 in). La pression au sommet du Mont Everest est légèrement inférieure à un tiers de la pression atmosphérique normale au niveau de la mer (environ 0,3 atm).

B. Baromètres anéroïdes

Les baromètres anéroïdes sont utiles et précis, mais le mercure est toxique et personne n'a vraiment envie d'avoir un grand lac de mercure chez soi. C'est pourquoi la plupart des gens qui possèdent des baromètres ont des cadrans faciles à lire, appelés baromètres anéroïdes.

Au lieu d'avoir un bassin de mercure sur lequel l'atmosphère exerce une pression, ces baromètres sont dotés d'une boîte métallique étanche à l'air. Lorsque la pression atmosphérique augmente ou diminue, la boîte s'écrase un peu vers l'intérieur ou se déforme vers l'extérieur. Un ressort est astucieusement fixé à la boîte et, lorsque la boîte se déplace vers l'intérieur ou l'extérieur en réponse aux changements de pression atmosphérique, le ressort se détend ou se contracte et déplace l'aiguille du cadran. Le cadran est calibré (marqué de chiffres) pour que vous puissiez lire la pression de l'air instantanément.

Les baromètres anéroïdes mesurent la pression de l'air lorsque vous frappez leur face en verre. Lorsque vous les examinez pour la première fois, l'aiguille indique la pression telle qu'elle était la dernière fois que vous les avez regardés, même si cela remonte à longtemps. Si vous donnez un coup sec au verre, l'aiguille passe à une nouvelle position et indique la pression telle qu'elle est maintenant. La façon dont l'aiguille se déplace est importante. Si elle se déplace dans le sens des aiguilles d'une montre, vers le haut du cadran, la pression augmente et il est probable que le temps devienne plus chaud, plus sec et plus fin ; si l'aiguille tourne dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, la pression diminue et il est probable que le temps devienne plus frais, plus humide et plus pauvre.

C. Barographes

La pression atmosphérique change tout le temps. Si vous tenez des registres météorologiques, vous ne voulez pas avoir à regarder un baromètre et à noter les valeurs toutes les deux minutes. Ne serait-il pas formidable qu'une machine puisse faire ce travail automatiquement à votre place ? C'est ce qu'est un barographe : il s'agit d'un baromètre qui enregistre en permanence les mesures de la pression atmosphérique.

Les barographes de l'ancien temps (comme celui illustré ci-dessous) étaient entièrement mécaniques. Ils utilisaient des baromètres anéroïdes pour mesurer la pression et un simple levier enregistrait la mesure sur une feuille de papier.

Un mécanisme d'horlogerie faisait tourner lentement le papier d'enregistrement sur un tambour, de sorte que le barographe pouvait conserver un enregistrement pendant des heures ou des jours. Aujourd'hui, il est plus probable que la pression soit mesurée numériquement et enregistrée par des équipements informatiques.

D. Baromètres électroniques

Nous vivons à l'ère du numérique et les baromètres mécaniques, aussi charmants soient-ils en tant que décorations murales, sont plutôt peu pratiques et démodés. Alors comment mesurer la pression atmosphérique dans le monde moderne ? En général, à l'aide de baromètres à puce qui détectent les différences de pression à l'aide de minuscules capteurs en caoutchouc synthétique.

En gros, lorsque la pression de l'air change, une petite membrane en caoutchouc se plie ou se déplie et sa résistance électrique change en conséquence ; la mesure de la résistance (avec un circuit appelé pont de Wheatstone) donne une mesure indirecte de la pression. Les capteurs qui fonctionnent de cette manière sont dits piézorésistifs (un concept similaire à celui de la piézoélectricité).

Certains smartphones intègrent des baromètres à puce comme celui-ci, qui sont largement analogues aux accéléromètres à puce que vous trouverez également dans votre téléphone. Tous deux sont des exemples de ce que l'on appelle la technologie MEMS (systèmes micro-électromécaniques), c'est-à-dire des puces combinant de minuscules pièces mécaniques mobiles et des capteurs et commandes électroniques.

Vous pouvez acheter des capteurs numériques de pression et de température MEMS à utiliser avec des microcontrôleurs pour amateurs tels que l'Arduino auprès de fabricants tels que Bosch (voir la section "En savoir plus" pour les références).

5) Unités de mesure de la pression de l'air

Il existe de nombreuses unités différentes pour mesurer la pression.

Historiquement, les scientifiques décrivaient la pression atmosphérique ordinaire comme "une atmosphère" et disaient qu'elle était équivalente à "76cm (760mm) de mercure", parfois écrite 76cmHg ou 760mmHg (car Hg est le symbole chimique du mercure). Vous pouvez également rencontrer une ancienne unité appelée Torr : 1 Torr (du nom de Torricelli) est très approximativement égal à 1mmHg (une hauteur de mercure de 1mm) ou 1,33 millibars (une autre unité de plus en plus archaïque) - environ un millième (en fait 1/760) de la pression atmosphérique (0,0013 atmosphères).

En unités SI modernes, une atmosphère est égale à 101,325 Pa (pascals) ou 101,325 kilopascals (milliers de pascals ou kPa). Les pascals et les kilopascals sont aujourd'hui les unités scientifiques préférées pour mesurer la pression. Vous verrez parfois les mesures écrites en hPa (hectopascals), où 1 hectopascal = 100 pascals ou 0,1 kilopascal. Une pression atmosphérique standard de 101 325 Pa est équivalente à 1013,25 hPa. Les bars sont des unités métriques de pression (mais pas des unités SI) définies de telle sorte que 1 bar équivaut à 100 000 Pa. Cela signifie que les mesures en bars et en atmosphères sont très approximativement les mêmes (1 atmosphère équivaut à 1,01 bar).

Les anciens baromètres ont tendance à être marqués en unités plus anciennes, impériales : pouces de mercure, parfois abrégé en inHg. La pression atmosphérique au niveau de la mer est d'environ 30inHg (et vous pouvez probablement voir que tout ce que nous faisons ici est de convertir ~76cm ou 760mm en ~30in), et l'échelle d'un baromètre anéroïde typique va d'environ 26-31inHg.