Ballon météo.

Un ballon-sonde est un ballon à gaz utilisé dans les domaines de la météorologie et de l'astronautique. Il s'agit d'un ballon libre non habité, utilisé pour faire des mesures locales dans l'atmosphère grâce à un certain nombre d'instruments mis à bord dans une nacelle appelée radiosonde, ainsi que d'un réflecteur radar ou d'un système de radiolocalisation pour le suivre et donc déterminer la vitesse des vents^[1],[2]. Le ballon-sonde a été inventé par Gustave Hermite en 1892^[3].

Son principal intérêt est de pouvoir atteindre des altitudes d'au moins 35 km, le record étant de 53 km^[4], difficile à obtenir avec des moyens plus conventionnels tels que les avions, et à un coût bien inférieur à une fusée-sonde ou un satellite.

Histoire

Le développement des connaissances en météorologie nécessite de connaître les variables de vent, température, pression et humidité tant au sol qu’en altitude. À la fin du XIX^e siècle, les chercheurs et météorologues ne disposent que de données très éparses en surface. Gustave Hermite, un inventeur français, a l’idée de relâcher un ballon auquel il attacherait des instruments. Cependant, la radio n’étant pas encore inventée, il doit récupérer ces instruments en recherchant le point de chute après l'explosion du ballon. Le 17 septembre 1892, Hermite lâche son premier ballon-sonde fait en papier enduit de pétrole. Il mesurait quatre mètres de diamètre et transportait un baromètre à mercure de 1,2 kg^[3].

Son idée se répand d’abord lentement mais des chercheurs, comme Léon Teisserenc de Bort et Richard Aßmann, découvriront grâce à ce système la tropopause, la stratosphère et les autres couches de l’atmosphère. Après quelques essais à partir de 1927, Pierre Idrac et Robert Bureau associent aux capteurs un petit émetteur radio à lampe qui retransmet au sol en temps réel les valeurs mesurées^[2]. Le premier vol d’un ballon-sonde retransmettant par radio la mesure de la température est effectué le 17 janvier 1929 à Trappes^[2],[5]. La récupération des données n’est plus tributaire d’une aléatoire récupération de l’épave du ballon, c’est la naissance du radiosondage moderne.

En 1940, les radiosondes ont complètement remplacé les météographes d’avion pour des sondages quotidiens. À partir de là, les météorologues utiliseront les informations recueillies pour développer un modèle conceptuel de la circulation atmosphérique et les intégreront dans la prévision météorologique.

Types

Ballon classique gonflé à l'hydrogène

Ballon tétraédrique

Il existe plusieurs types de ballons-sondes :

• Les ballons-sondes standard sont gonflés en général à l'hélium et emportent des charges importantes en haute altitude. On utilise l’hydrogène dans les postes éloignés, comme dans l'Arctique canadien, car il est facile et peu coûteux à produire par hydrolyse, ce qui évite le transport coûteux d'hélium, mais sa manipulation est plus risquée. Le ballon est gonflé de façon à avoir une vitesse ascensionnelle d'environ 5 m/s. Il est fermé et en composés élastiques (latex, néoprène ou de polyéthylène^[6]) ce qui implique qu'il éclate à des altitudes généralement comprises entre 10 et 35 km. À cause de la pression très faible qui règne à ces altitudes, l'enveloppe se distend jusqu'à la rupture, son diamètre pouvant augmenter de 400 % ;
• Les ballons ouverts (ou à volume constant^[7]) : constitués d'une enveloppe légère. Ils sont ouverts par le bas et permettent ainsi à l'hélium de sortir au fur et à mesure de la montée, ce qui évite l'explosion du ballon avec la chute de la pression environnante et permet de les concevoir dans des matériaux moins résistants et peu coûteux à produire. Ils peuvent atteindre jusqu'à 45 km d'altitude et y rester jusqu'à 4 jours. Ce type de ballon-sonde représente la majorité des ballons lancés dans un cadre scientifique ;
• Les ballons pressurisés gonflés à l'hélium (ou à niveau constant^[8]) : Ceux-ci sont constitués d'une enveloppe rigide les empêchant d'éclater. Ils peuvent ainsi rester des semaines dans l'atmosphère — entre 10 et 20 km — et permettent de réaliser des expériences de longue durée, pouvant survoler des terrains différents ;
• Les ballons infrarouges : l'enveloppe est souvent aluminisée et permet l'entrée des rayons infrarouges du Soleil, ce qui permet de chauffer l'air contenu dans le ballon de manière continue et ce même à haute altitude. Le jour, le ballon monte à environ 28 km et descend la nuit vers 20 km. Le grand intérêt de ce type de ballon est leur très longue durée de vie ; des vols de plusieurs mois ont ainsi déjà été réalisés et permettent de faire plusieurs fois le tour du monde ;
• Les ballons captifs^[9] : ballons retenus au sol emportant des instruments pour déterminer les valeurs d'un ou de plusieurs éléments météorologiques en altitude. Il est particulièrement utilisé pour les études de micro- et de mésométéorologie ;
• Les ballons cerfs-volants^[10]  : ballons captifs de forme spéciale utilisé pour maintenir des instruments météorologiques à une hauteur approximativement constante dans l'atmosphère;
• Les ballons tétraédriques^[11] : ballons à volume constant de forme tétraédrique mieux adapté pour maintenir à haute altitude des appareils car leurs coutures sont plus solides que celles des ballons ronds. Ils sont utilisés pour suivre les mouvements des masses d'air à niveau constant^[12] ;
• Les ballons dirigeables^[13] : ballons dirigeables équipés d'instruments pour la mesure d'éléments météorologiques en altitude ;
• Les ballons-fusées^[14] : système de mesure à haute altitude utilisant une fusée de sondage emportée par un grand ballon et mise à feu près de l'altitude maximale que peut atteindre le ballon.

Éléments constitutifs

Ballon plafonnant de l'expérience EOLE (« Ballon qui, après une phase ascensionnelle, évolue à des altitudes correspondant à une valeur prédéterminée de la pression atmosphérique », d'après la définition du B.O. n^o 4 du 26 janvier 2006).

Un ballon-sonde est constitué d'une chaîne de vol, composée par :

• Le ballon lui-même, tirant le reste de la chaîne ;
• Un parachute dans la plupart des cas, afin de permettre une descente en douceur ;
• Un transpondeur permettant aux contrôleurs aériens de connaître sa position — ou un réflecteur radar pour les ballons les plus simples ;
• Une ou plusieurs nacelles, pouvant souvent se détacher à des phases différentes du vol, si nécessaire chacune avec son parachute et/ou son propre transpondeur. C'est la nacelle (le panier en osier est moins utilisé que la simple boîte) qui contient les expériences.

Utilisations

Il existe trois catégories d'utilisation des ballons-sondes :

• les ballons-sondes scientifiques et météorologiques classiques ;
• les ballons pour les écoles, comme le programme Planète-Sciences en France ;
• les ballons amateurs avec les associations de radioamateurs, comme Ballons Haute Altitude France (BHAF) qui aide les projets amateurs français non publicitaires.

Notes et références

Voir aussi