De la sensation à la mesure
À la température sont associées les sensations de chaud et de froid, mais pour passer de la sensation à la définition d'une grandeur physique mesurable il a fallu franchir plusieurs étapes.
Anders Celsius, 1742
La première étape a consisté à définir des échelles de température fondées sur deux repères fixes et sur une grandeur physique variant avec la température. Dans l'échelle de Celsius, la température de fusion de la glace fournit le 0 de l'échelle et la température d'ébullition de l'eau le point 100. La subdivision en 100 °C
de l'intervalle entre ces deux repères se fonde sur le phénomène de dilatation, c'est-à-dire sur l'accroissement du volume d'un corps, solide ou liquide, avec la température. Le classique thermomètre à mercure – aujourd'hui interdit en raison de la toxicité du métal – permet ainsi de repérer la température de son réservoir et, de là, la température du milieu ambiant sous réserve qu'il soit en équilibre de température avec le mercure du thermomètre. De nombreux perfectionnements métrologiques sont intervenus pour rapporter l'échelle Celsius à des points fixes plus satisfaisants, mais le principe reste le même.
James Prescott Joule, 1850
Pour faire de la température une grandeur mesurable, c'est-à-dire pour donner un sens non seulement à l'égalité mais au rapport de deux températures, il a fallu rattacher la température à une autre grandeur mesurable : la quantité de chaleur contenue dans un corps. Un pas essentiel dans cette direction a été accompli par Joule lorsqu'il a établi l'équivalence de la chaleur et du travail sur laquelle repose le principe de conservation de l'énergie qui régit les transformations de chaleur en travail et de travail en chaleur. La température apparaît alors comme une grandeur proportionnelle à la quantité de chaleur contenue dans un corps. De là, l'idée qu'il existe un zéro absolu de température pour lequel cette quantité de chaleur est nulle.
La notion de zéro absolu a été établie par la thermodynamique classique sans aucune référence à la structure atomique de la matière, et la valeur du zéro absolu dans l'échelle de Celsius a été déterminée
à -273,15 °C. Comptée à partir du zéro absolu dans l'échelle de Kelvin – qui est simplement décalée
de 273,15° par rapport à l'échelle de Celsius – la température absolue est une grandeur mesurable, proportionnelle, en première approximation, à la quantité de chaleur emmagasinée dans le corps.
Ludwig Boltzmann, 1877
La structure atomique de la matière conduit à une interprétation concrète des constructions abstraites de la thermodynamique classique. La quantité de chaleur s'interprète comme l'énergie mécanique contenue dans les mouvements désordonnés des atomes et le zéro absolu correspond à l'état d'immobilité parfaite.
André Lebeau
Atmosphériques n° 29 p. 21
Définition de la température
Nous avons tous une perception intuitive de la notion de température : " C'est chaud ! " s'exclame-t-on en buvant une boisson bouillante… Et nous savons depuis très longtemps que les propriétés physiques de la matière dépendent de la température : ainsi, l'eau liquide se transforme en glace quand il fait suffisamment froid.
Mais cette perception intuitive, sensorielle, de la température est très peu précise, et souvent trompeuse : ainsi, une température extérieure de -5 °C nous apparaîtra plutôt agréable à la montagne, en plein soleil par un temps radieux ; au contraire, cette même température de -5 °C nous paraîtra glaciale à l'ombre.
On ne peut donc en aucun cas se fier à nos sens, à notre perception, pour définir la notion de température.
Alors, comment définir cette notion ? Que signifie, pour les physiciens, cette phrase toute simple : " C'est chaud " ?
Étonnamment, pour définir de façon satisfaisante la température, il faut s'intéresser de très près à la structure de la matière. Toute matière, qu'elle soit solide, liquide ou gazeuse, est composée d'atomes, ou de molécules qui sont des assemblages d'atomes. Ils sont invisibles à l'œil nu, ou même avec les microscopes classiques.
Les atomes et les molécules qui composent la matière ne sont pas immobiles, mais au contraire animés d'un mouvement incessant ; on appelle ce mouvement " l'agitation thermique ".
Dans un gaz, l'agitation thermique est grande, les molécules se déplacent rapidement, en tous sens, d'une manière tout à fait désordonnée. Les molécules sont très éloignées les unes des autres, et il n'y a pas de liaison entre elles.
Dans un liquide, l'agitation des molécules est moins grande, on commence à voir apparaître des liaisons entre les molécules. Pour se représenter le comportement des molécules, on peut imaginer des billes en train de glisser les unes sur les autres dans un sac.
Dans un solide, les molécules sont reliées les unes aux autres ; elles ne peuvent alors plus vraiment changer de position au cours du temps. On peut se représenter les molécules dans un solide comme des oranges bien empilées dans un cageot. Chaque molécule a une position moyenne fixe, et elle ne peut que vibrer autour de cette position moyenne.
Revenons à la température. Les physiciens ont pu donner une définition satisfaisante de cette grandeur : la température d'un corps, c'est (à une constante multiplicative près) l'énergie cinétique moyenne des molécules ou des atomes qui le composent. Plus la température est élevée, plus les molécules ou les atomes s'agitent vite.
Cette définition permet de comprendre pourquoi il existe une température au-dessous de laquelle il est impossible de descendre. En effet, moins les molécules ont d'énergie cinétique, (c'est-à-dire moins elles s'agitent), plus la température est basse. Lorsque les molécules cessent complètement de s'agiter, lorsqu'elles sont " figées ", c'est la température la plus basse possible, que l'on appelle le zéro absolu.
Le zéro absolu n'a jamais été atteint dans la réalité : même les physiciens dans les laboratoires les plus perfectionnés n'ont jamais réussi à descendre aussi bas !
Définition et unités de mesure de la température
Définition de la température
La température mesurée en météorologie ne correspond pas à la température physique ressentie. Il s'agit par définition de la mesure de la température de l'air sous abri, à une hauteur de 1,5 mètre du sol.
Unité de la température
Au cours du XVIIIe siècle, les études se multiplient au sujet de l'échelle thermométrique à utiliser. Les échelles les plus connues sont regroupées dans le tableau suivant :
Ces échelles sont empiriques et dépendent de la grandeur thermométrique utilisée, c'est-à-dire du paramètre physique du corps (solide, liquide ou gazeux) utilisé, qui varie en fonction de la température. Il apparaît alors la nécessité de trouver une échelle thermométrique indépendante des propriétés de la substance utilisée.
Le physicien anglais William Thomson, plus connu sous le nom de lord Kelvin, introduit en 1848 une échelle absolue de température. Par cette nouvelle échelle, la notion de zéro absolu est établie comme étant la température à laquelle plus aucune chaleur ne peut être tirée du corps étudié. Il s'agit de la température la plus basse qui puisse exister dans l'univers et correspond à l'arrêt de l'agitation moléculaire. Par convention, le zéro absolu est égal à 0 K. L'actuelle unité internationale de température est le kelvin (K). L'échelle absolue ne fait intervenir qu'un seul point de référence : la valeur particulière du point triple de l'eau 273,16 K. Le point triple de l'eau correspond aux conditions dans lesquelles coexistent les trois états (liquide, solide et gazeux). Le kelvin est donc la fraction 1/273,16 de la température thermodynamique du point triple de l'eau.
Afin d'obtenir une échelle centésimale et permettre d'avoir toujours le même intervalle de température pour une même valeur numérique dans les deux unités, l'unité Celsius a été définie comme égale à la température absolue diminuée de 273,15, correspondant à la température de fusion de la glace à pression atmosphérique normale.
L'unité Celsius est utilisée couramment de nos jours. On conserve ainsi 100 unités entre le point de congélation de l'eau et le point d'ébullition de l'eau.
Formules de conversion
TCelsius = (5/9) * (TFahrenheit -32) = TKelvin – 273,15
TFahrenheit = (9/5) * TCelsius +32 = (9/5) * TKelvin - 459,67
TKelvin = TCelsius + 273,15 = (5/9) * (TFahrenheit + 459,67)
Histoire du thermomètre
La mesure de la température s'effectue à l'aide d'un thermomètre ou, plus exactement, d'une sonde thermométrique. Il s'agit d'un instrument permettant de repérer la température du milieu avec lequel il doit être en équilibre thermique. Un thermomètre utilise une grandeur thermométrique dont les variations associées à une échelle de mesure permettent de repérer des températures.
Pour que les mesures soient comparables d'un thermomètre à l'autre, les instruments doivent être calés sur des températures de référence qui ne varient pas au cours du temps : historiquement, différentes températures de référence ont été utilisées : les caves de l'Observatoire de Paris, la température du corps humain, les points de fusion et d'ébullition de l'eau…
Historique du thermomètre
C'est au début du XVIIe siècle que Galilée comprend, au cours d'une expérience sur la chaleur, que l'air se dilate quand il s'échauffe et qu'il se contracte quand il se refroidit. Le thermomètre à air a été repris par Santorre Santorio (1561-1636), dit Sanctorius. Il fut l'inventeur du premier instrument gradué sensible à la température, appelé thermoscope. Cet appareil possède uniquement trois graduations : la température de l'air refroidi par la neige, la température de l'air réchauffé par la flamme d'une bougie et le point médian. L'inconvénient majeur des thermoscopes est qu'ils sont sensibles à la pression atmosphérique.
En 1641, les premiers thermomètres à tube scellé contenant du liquide voient le jour, sous l'impulsion de Ferdinand II, grand duc de Toscane. Les savants et constructeurs ne cessent par la suite de perfectionner le thermomètre à dilatation de liquide, avec notamment le choix du liquide thermométrique le plus adapté. Ainsi, le mercure remplace progressivement l'eau et l'alcool comme liquide thermométrique. À noter que le mercure, un métal sous forme liquide à température ambiante, ne doit plus être utilisé car il est toxique ; il est remplacé de nos jours par différents liquides organiques.
Les premiers thermomètres à minimum et à maximum sont fabriqués dès le milieu du XVIIIe siècle. Le thermomètre à minimum de l'époque est similaire à celui qui est encore utilisé de nos jours dans les postes climatologiques non automatisés. L'instrument actuel du thermomètre à maximum a été inventé en 1852.
À la fin du XVIIIe siècle, sont inventés des thermomètres bimétalliques, utilisant la déformation des métaux par la chaleur, et des thermomètres enregistreurs à tube de Bourdon, aussi appelés thermographes. Un thermographe est un instrument de mesure composé d'un cylindre et d'un stylet qui enregistrent mécaniquement les variations de température sur un diagramme.
Thermomètres à minimum et maximum (en haut) et thermographe dans l'abri Stevenson. © Météo-France
Avec l'avancée de la technologie et de l'acquisition numérique, l'instrument de mesure de la température, utilisé de nos jours dans les stations automatiques de Météo-France, est la sonde thermométrique à résistance de platine.
Sonde thermométrique Pt100. © Météo-France
Le capteur de température
Fonctionnement du capteur de température
Météo-France utilise, dans ses stations automatiques, des thermomètres conçus sur la variation de résistance d'un conducteur électrique en fonction de la température.
Sur cette photo, la coque en Inox (à droite) protège l'enroulement du fil de platine constituant la résistance.
Principe de la mesure
La mesure de la température s'effectue à l'aide d'une sonde thermométrique à résistance de platine, généralement nommée Pt100 (fil de platine dont la résistance vaut 100 
à 0 °C).
Ce type de thermosonde est destiné à la mesure de la température de l'air à différents niveaux : sous abri, à 10 et 50 cm au-dessus du sol, mais également la température de la surface du sol, et du sol à différentes profondeurs. Pour la mesure de la température de l'air, la thermosonde est normalement disposée dans un abri météorologique et doit supporter des températures comprises entre - 40 °C et + 60 °C.
Le principe de la mesure de la température à l'aide d'une sonde Pt100 repose sur un montage en 4 fils. Pourquoi ? Nous allons l'expliquer ci-après.
Il est important de noter que la variation de la température des câbles entraîne dans tout montage une variation de leurs résistances électriques. En effet, la résistance d'un câble est liée, entre autres, à sa longueur, mais aussi à la température du câble :
avec :
R : la résistance en ,
p : la résistivité en .m pour une température donnée
l : la longueur du câble en m et
S : la section du conducteur en m²
Il faut donc un montage qui n'inclut pas dans la mesure les résistances dues à la longueur des câbles.
Le montage particulier en 4 fils permet de rendre négligeable l'influence des résistances de ligne. Deux fils servent à la circulation du courant et les deux autres à la mesure de la tension aux bornes de la sonde. Les quatre fils ayant la même longueur, ils ont tous la même résistance de ligne, notée R sur le schéma.
Figure 1 : Montage en 4 fils. © Météo-France, Arnaud Méquignon
On injecte un courant i = 1 mA dans le circuit.
D'après la loi des nœuds : i = i1 + i2.
Comme on mesure la différence de potentiel entre les bornes MN, la tension UMN est la même dans les deux branches (loi des mailles).
On utilise alors la loi d'Ohm :
Dans la branche comportant le voltmètre, on a : 
Dans la branche comportant la sonde Pt100, on a : 
La résistance du voltmètre étant très élevée (de l'ordre du 
), le courant circulant dans sa branche est très faible.
Il est donc négligeable par rapport à i2. On en déduit la valeur du courant i1.
et donc 
Vous avez noté que dans ce type de montage, on effectue une mesure de tension pour déterminer la valeur de résistance et non une mesure directe de la résistance électrique.
La mesure de la tension permet de déterminer la valeur de la résistance de la Pt100 sans aucune autre influence.
Les sondes de platine utilisées à Météo-France possèdent les caractéristiques suivantes :
Les coefficients sont donnés par une norme internationale (EIT90 : échelle internationale de température de 1990). Cela permet d'utiliser des sondes thermométriques interchangeables.
b et c étant très faibles, on obtient la relation approchée suivante :
avec
Les systèmes d'acquisition calculent alors la température en fonction de la valeur de résistance.
Incertitude, sensibilité du capteur
La gamme de mesure de la température de l'air avec une sonde thermométrique à Météo-France est de - 30 à + 50 °C.
Cette sonde thermométrique possède une sensibilité égale à 0,39 Ω.°C-1. Or plus la sensibilité d'un capteur est grande et plus il va être facile de détecter de faibles variations du mesurande (ici, la température). Compte tenu des caractéristiques de la Pt100, une toute petite erreur de mesure de la tension ou de la stabilité du courant généré entraînera une grosse erreur de détermination de la température. Il est donc nécessaire de réaliser un montage très propre, sans interférence des résistances de câblage (d'où le montage en 4 fils).
L'incertitude de la mesure de la température par la sonde Pt100 est de 0,5 °C. Incertitude maximale garantie par Météo-France.
Contraintes d'installation d'un thermomètre
La température mesurée par un thermomètre ou une sonde thermométrique doit être représentative de celle de l'air : il doit donc exister un équilibre thermique permanent entre le capteur et le milieu ambiant. C'est pour cela que la mesure de la température s'effectue sous abri.
Celui-ci protège les différents capteurs des paramètres extérieurs (typiquement des rayonnements solaires et terrestres ainsi que des précipitations) pouvant influencer la qualité de la mesure de la température.
Les recommandations d'implantation de l'abri doivent donc être respectées pour avoir une valeur représentative de la température de l'air.
La mesure s'effectue à une hauteur d'environ 1,5 mètre. Le capteur est suspendu verticalement dans l'abri météorologique, loin des parois. L'abri doit se trouver sur un terrain dégagé (éloigné des bâtiments et des cours d'eau) avec peu de dénivelé, sans ombre portée, et au-dessus d'un sol naturel représentatif de la région (en métropole souvent de l'herbe).
Les abris actuellement utilisés par Météo-France sont des abris dits à coupelles, dont voici ci-dessous à gauche une représentation.
Maintenance
| Action de maintenance | Périodicité | Matériel nécessaire |
| Vérifier l'état général | Annuelle | aucun |
Plusieurs éléments sont à vérifier couramment : l'état des connexions dans les différents coffrets de câblage, leur propreté et leur étanchéité.
Remarques :
• La manipulation des sondes n'engendre aucun risque de sécurité.
• Les actions de maintenance de l'abri météorologique doivent être réalisées pour un bon fonctionnement du capteur.
Étalonnage
Une des propriétés remarquables du platine est sa stabilité dans le temps, d'où son emploi comme conducteur électrique. Un étalonnage fréquent des sondes thermométriques n'est donc pas nécessaire. Dès que les équipements seront adaptés pour traiter un grand nombre d'étalonnages par an, les Pt100 sous-abri seront étalonnées tous les cinq ans. Actuellement, elles sont étalonnées avant la première installation, puis lors des changements de stations automatiques.
Variations et records de température
« Invariablement le fond de l'air est en contradiction avec la température: si elle est chaude, il est froid, et l'inverse. »
Gustave Flaubert - Dictionnaire des idées reçues (1913).
Variations diurnes de la température
La température de l'air varie principalement avec l'ensoleillement. Par une belle journée d'été, la température culmine vers 15 h solaire (17 h locale en France). Puis elle décroît, d'abord rapidement puis plus lentement. Elle est minimale peu après le lever du soleil. Par temps couvert, le cycle est le même mais l'amplitude (différence entre la température maximale et la température minimale) est moindre.
En France métropolitaine, les vents de sud amenant de l'air chaud et les vents de nord de l'air froid, une variation importante de la direction du vent peut perturber ce cycle jour-nuit. C'est souvent le cas en hiver.
Pour caractériser la température de l'air, les bulletins météorologiques annoncent toujours la température maximale et la température minimale.
Température en altitude
La température de l'air diminue avec l'altitude : en moyenne 6,5 °C tous les 1000 m.
Mais ce taux de décroissance peut être plus ou moins accentué ; il arrive même que l'air se réchauffe avec l'altitude sur une certaine épaisseur : c'est une « inversion de température ». Elle a de nombreuses conséquences sur la forme des nuages, la présence de brouillard, la dissipation des fumées et de la pollution atmosphérique…
Des ballons équipés de sonde permettent de connaître le profil des températures en altitude.
Température dans le sol
Les météorologistes mesurent également les températures dans le sol et à diverses hauteurs au-dessus du sol. Comme le sol capte le rayonnement du soleil le jour et rayonne vers l'espace la nuit, c'est généralement au niveau du sol que l'on trouve les températures les plus chaudes le jour, les plus froides la nuit.
En s'enfonçant dans le sol, la terre est parfaitement isolée de l'atmosphère, la température ne varie plus. Les caves les plus profondes apparaissent fraîches l'été et chaudes l'hiver. Leur température est proche de la température moyenne annuelle du lieu.
Mesure de la température
Pour s'affranchir de l'effet du sol et pouvoir comparer les mesures entre elles, la mesure de la température de l'air s'effectue à 1,5 m de hauteur. Le thermomètre (ou la sonde dans le cas d'un instrument électronique) doit être placé dans un abri qui le protège du rayonnement direct du soleil et du ciel. L'abri doit être bien ajouré pour laisser circuler l'air. Un sol bétonné (qui emmagasine la chaleur pendant la journée) est proscrit.
En l'absence d'abri, il est conseillé de suspendre le thermomètre ou la sonde à l'ombre, soit du côté nord de la maison (afin de s'affranchir des effets du rayonnement solaire direct), à distance du mur et à l'abri des précipitations. La lecture du thermomètre doit se faire l'œil bien en face du liquide (risque d'erreur de parallaxe).
La température ressentie
Chacun sait que la sensation de froid est beaucoup plus grande par vent fort que par temps calme. C'est le refroidissement éolien. Il est dû à deux facteurs. Le vent balaye constamment la petite couche d'air chaud isolante formée au contact de la peau conduisant à une sensation de froid, de plus, il entraîne l'évaporation de l'humidité de la peau accentuant encore cette perte de chaleur.
La température ressentie ou indice de refroidissement éolien est une température fictive. Elle est issue d'une formule mathématique empirique, fonction de la température de l'air et de la vitesse du vent, établie d'après des résultats d'essais cliniques.
Valeurs remarquables
Monde
Température la plus élevée : +57,8 °C à El Azizia (Libye ; altitude : 112 m) le 13 septembre 1922
Température la plus basse : -89,2 °C à Vostok (Antarctique ; altitude : 3 420 m) le 21 juillet 1983
Température moyenne sur terre : 15 °C
France métropolitaine
Température la plus élevée : +46,0 °C à Vérargues (Hérault) le 28 juin 2019
Température la plus basse : -36,7 °C à Mouthe (Doubs – altitude : 936 m) le 13 janvier 1968
Température moyenne annuelle : 12,5 °C
Années les plus chaudes depuis 1950 : 2018 (13,9°C), 2014 (13,8°C), 2019 ( 13,7°C), 2011 (13,6°C), 2015 et 2003 (13,5°C)
Années les plus froides depuis 1950 : 1956 (10,6 °C), 1963 (10,7 °C), 1962 (11,1 °C), 1980 (11,2 °C)
Épisodes de canicules les plus remarquables depuis 1950 : 25 au 30 juin 2019 (canicule historique d'intensité exceptionnelle), 21 au 26 juillet 2019 (intensité exceptionnelle), 24 juillet au 8 août 2018 (intensité exceptionnelle), 2 au 14 août 2003 (intensité exceptionnelle), 23 juin au 7 juillet 1976 (intensité exceptionnelle)
Épisodes de grand froid les plus remarquables depuis 1950 : 1er au 28 février 1956, 11 janvier au 6 février 1963 et 3 au 18 janvier 1985 (intensité exceptionnelle), 8 au 23 janvier 1987, 27 janvier au 7 février 1954, 12 au 19 janvier 1966, 23 décembre 1970 au 6 janvier 1971 et 25 décembre 1996 au 8 janvier 1997 (forte intensité).