L'humidité

La Terre possède les conditions de température de surface permettant le maintien de l'eau sous ses trois formes solide, liquide et gazeuse. L'eau se répartit dans différents réservoirs à la surface de la planète. Le plus important est constitué par les océans qui représente 97,1 % du volume total. La faible proportion restante se retrouve par ordre  de volumes décroissants  dans :

- les glaces : calottes polaires et glaciers,
- les eaux souterraines (superficielles)
- les eaux de surface, rivières et lacs,
- l'atmosphère,
- les êtres vivants.
L'eau circule en permanence d'un réservoir à l'autre. Pompage et transports sous différentes formes sont assurés par l'énergie solaire. Cela constitue le cycle de l'eau. Voir schéma ci-dessous.

Le temps de séjour de l'eau dans les différents réservoirs est très variable d'un réservoir à l'autre. Il est estimé en moyenne à une dizaine de jours dans l'atmosphère, à 3000 ans dans l'océan, et des milliers ou millions d'années dans les nappes d'eau souterraines.

Le cycle de l'eau

L'eau qui s'évapore des océans, des lacs et des rivières, des sols et de la végétation (évapotranspiration), ou encore qui résulte de la sublimation de la glace, se condense sous forme de nuages. Les précipitations assurent son retour vers la surface où elle pourra de nouveau ruisseler ou s'accumuler dans les plans d'eau liquide ou sous forme solide, ou encore dans  les sols et le sous-sol, ou être consommée par les êtres vivants. Elle entrera ainsi dans un nouveau cycle.

Bien que l'eau dans l'atmosphère ne représente que 0,001% de l'ensemble de l'eau sur la surface terrestre, la partie du cycle de l'eau qui met en jeu l'atmosphère et les processus d'évaporation-condensation joue un rôle fondamental. Les nuages, qui couvrent plus de 60 % de la surface terrestre, réfléchissent le rayonnement solaire, et associés à la vapeur d'eau, ils jouent l'un des principaux rôles de régulateur, notamment à travers l'effet de serre.

Et que se passe-t-il dans le sol ? Voir le cycle de l'eau souterraine

Dans l'atmosphère, l'eau est omniprésente, et même dans l'air des déserts les plus arides, il y a de l'humidité. On y trouve l'eau  :

- gazeuse : c'est la « vapeur d'eau », terme employé en météorologie pour désigner la phase gazeuse de l'eau, absolument indétectable à l'œil nu. On appelle «humidité » la vapeur d'eau contenue dans l'air ;

- liquide : les gouttelettes d'eau des nuages, du brouillard. Des gouttelettes qui grossissent, donnent la pluie et ses variantes (la bruine…). Les nuages, tout comme ce que l'on appelle « vapeur » au-dessus de l'eau qui bout dans une casserole, sont bel et bien faits d'eau liquide - c'est pour cela qu'on peut les voir ;

- solide : la neige et les grêlons, par exemple.

L'importance de la vapeur d'eau dans l'atmosphère

La molécule d'eau, H2O, possède de par sa structure atomique des propriétés  qui sont exceptionnelles comparées à celles d'autres composés hydrogénés de masse molaire proche, comme le méthane par exemple. Cela lui confère un rôle particulièrement important dans lebilan radiatif de la Terre.

En effet, le fonctionnement du cycle hydrologique est assuré par le soleil, qui lui fournit la source d'énergie. Ce cycle fait circuler l'eau entre l'hydrosphère, la cryosphère et l'atmosphère, en associant les changements de phase de l'eau (schéma ci-dessous) à son transport par les circulations atmosphériques (vents) et océaniques (courants marins).

 

Les changements de phase de l'eau

Toutes les transformations décrites dans le schéma ci-dessus se produisent dans la nature. On étudie ici les échanges entre liquide et vapeur : c'est un processus représentatif de l'ensemble de ces mécanismes. Pour simplifier l'exposé, on étudie cet équilibre au-dessus d'une surface plane : ce qui se passe autour d'une gouttelette de nuage dépend beaucoup de la taille de cette gouttelette.
La quantité de vapeur d'eau présente au-dessus d'une surface d'eau liquide est réglée par un équilibre dynamique entre évaporation et condensation de l'eau. Les expériences de laboratoire et leurs résumés présentés ici montrent que cet équilibre dépend de la seule température de l'eau : plus la température est élevée, plus l'évaporation est importante. Et contrairement à une vision courante du processus, les autres composants de l'air atmosphérique, l'air sec, ne jouent qu'un rôle subalterne dans cet équilibre : l'air ne « contient » pas la vapeur d'eau, on ne peut pas parler de sa « capacité maximale » en vapeur d'eau.
De nombreux composants de l'air atmosphérique varient dans le temps et dans l'espace : le dioxyde de carbone, le méthane, l'ozone… Mais aucun composant ne varie aussi vite, et avec des conséquences aussi immédiatement perceptibles et importantes, que la vapeur d'eau : sans vapeur d'eau, pas de nuages, donc pas de pluie ni de neige.
Pour faire de la prévision, les météorologistes s'occupent essentiellement, parmi les composants de l'air atmosphérique dont la concentration varie, de la seule vapeur d'eau. Ils parlent d'air humide, mélange de vapeur et d'air dit sec :
       Air humide = air « sec » + vapeur d'eau
L'air humide, c'est simplement l'air qui nous entoure : à l'état naturel, il n'y a pas, même dans le désert le plus aride, d'air tout à fait sec.
Une analogie pour représenter l'équilibre surface d'eau liquide – vapeur d'eau

Le montage ci-dessus peut être réalisé ou imaginé.

L'eau dans le récipient figure la vapeur d'eau dans l'atmosphère. Le flux d'eau qui sort du robinet figure l'évaporation

- Plus le robinet est ouvert et plus il entre d'eau : l'ouverture du robinet figure la température. La fuite au bas du récipient figure la condensation. 

- L'intensité de la fuite dépend de la hauteur d'eau dans le récipient ; de la même manière, la condensation dépend de la quantité de vapeur d'eau dans l'atmosphère.

Quand le niveau de l'eau devient stable, c'est-à-dire qu'il n'évolue pas dans le temps, la situation est à un équilibre : c'est le niveau S noté ci-contre.

L'équilibre entre eau liquide et vapeur d'eau

Dans cette enceinte étanche initialement vide d'air, nous avons enfermé un peu d'eau liquide. Aussitôt, de l'eau commence à s'évaporer, à une vitesse qui dépend de la seule température de l'eau. Pour mesurer cette évaporation, on pourrait mesurer (à l'aide d'un manomètre) la pression au-dessus du liquide.
Dès que de la vapeur d'eau apparaît au-dessus de l'eau liquide, se produit le phénomène inverse : la condensation. Au début, l'évaporation est plus rapide que la condensation.
Puis ces deux phénomènes s'équilibrent : la pression se stabilise après avoir augmenté. On a alors l'impression que l'évaporation s'arrête parce qu'elle est entièrement compensée par la condensation : l'évaporation nette est effectivement nulle – mais, en permanence, de l'eau se condense et de l'eau s'évapore : situation analogue à l'équilibre dans le récipient vu auparavant. Cet équilibre est baptisé saturation. La pression qu'on lirait sur un manomètre est appelée pression de vapeur saturante de l'eau.
En faisant cette expérience à une température plus élevée – le plus raisonnable est de modifier la température ambiante dans la pièce –, le rythme d'évaporation augmente et la pression atteinte à l'équilibre augmente : la quantité de vapeur d'eau à l'équilibre est une fonction croissante de la température. À titre indicatif, cette valeur de la pression de vapeur saturante est d'environ 6 hPa à 0 °C et 23 hPa à 20 °C.
 

Le même équilibre sans faire le vide

Reprenons la même expérience, mais sans faire le vide au préalable dans notre enceinte étanche. On note la pression initiale au-dessus de l'eau ; puis la pression quand l'équilibre est atteint. La différence de pression entre le début de l'expérience et l'équilibre correspond à la pression mesurée à l'équilibre dans les mêmes conditions de température, mais avec un vide d'air initial.
Ce résultat montre la validité de la loi des gaz parfaits et de son extension aux mélanges de gaz, la loi de Dalton (publiée en 1805) : la pression d'un mélange de gaz contenu dans un volume donné et à une température donnée est égale à la somme des pressions de ces gaz, s'ils occupaient chacun le même volume dans les mêmes conditions de température. Dit autrement : il y a suffisamment d'espace entre les molécules de l'air atmosphérique pour qu'elles n'interfèrent pas entre elles.
Comme nous l'indiquions au début, parler de la capacité de l'air à absorber la vapeur d'eau est inexact : c'est la température qui pilote l'équilibre et donc la valeur de la pression de vapeur saturante ; sans que les autres composants de l'atmosphère n'interviennent.
 

Humidité relative et autres mesures de la vapeur d'eau

L'air qui nous entoure est un mélange d'air sec et de vapeur d'eau : pour décrire un volume d'air, il nous faut donc indiquer la quantité de vapeur qu'il contient. On peut utiliser les grandeurs des physiciens et des chimistes et compter les molécules dans un mètre cube, en unités ou en moles. Les météorologistes préfèrent la masse par unité de volume, ou masse volumique : par exemple, « 10 grammes par mètre cube ».
On peut aussi utiliser les pressions partielles. La pression partielle d'un composant gazeux, c'est la pression qui régnerait s'il n'y avait que lui. Par exemple, « la pression atmosphérique est de 1 010 hPa, dont 5 hPa pour la vapeur d'eau ».
Mais tout cela n'est pas très parlant. L'usage courant a consacré un nombre sans unité : l'humidité relative, exprimée comme un pourcentage : 0 % d'humidité correspondrait à un air absolument sec – chose introuvable dans la nature – ; 100 %, souvent vu comme un maximum, correspond à l'équilibre entre liquide et vapeur que nous venons d'étudier.
L'humidité relative mesure donc le rapport entre la quantité de vapeur d'eau présente dans l'atmosphère et la quantité qu'il y aurait à l'équilibre. La définition internationale fait intervenir la pression partielle de la vapeur d'eau :

100 % d'humidité, est-ce un maximum ?

Sur les instruments de mesure courants, 100 % est effectivement un maximum. La réalité physique est cependant plus complexe. Nous avons vu l'équilibre de la vapeur avec une surface d'eau liquide plane ; mais quand une gouttelette d'eau apparaît dans l'atmosphère, elle est bien trop petite pour être assimilée à une surface plane : le rayon de courbure extrême fait que le taux d'évaporation est bien supérieur à ce qu'il est au-dessus d'une surface plane, ce qui compromet l'existence de cette gouttelette, avant même qu'il soit question de sa croissance.
On calcule que, si l'air atmosphérique était parfaitement propre, il faudrait une humidité de l'ordre de 400 % – soit quatre fois la valeur à laquelle nous sommes habitués ! – pour qu'un nuage se forme. En effet, avant de grossir, une gouttelette d'eau de nuage est très petite, ce qui s'oppose à sa croissance, parce qu'elle s'évapore bien plus vite que ne le fait l'eau d'une surface plate.
Mais l'air « propre » n'existe pas dans la nature. Les impuretés – poussières, microscopiques grains de sel – sont toujours suffisamment nombreuses pour que les gouttelettes qui se forment dessus soient tout de suite assez grosses pour survivre au lieu de s'évaporer, sans que l'humidité ne dépasse de beaucoup les 100 % auxquels nous sommes habitués. Des valeurs de l'ordre de 105 % d'humidité – on parle de sursaturation – sont cependant observables et font partie des processus qui forment les nuages.

Changements d'état et énergie

Augmenter de 1 °C la température d'un kilogramme d'eau liquide demande 4,18.10³ joules : on ne trouve pas de valeur aussi élevée dans les fluides courants, ce qui fait que nous utilisons l'eau dans le transport d'énergie, depuis le chauffage central jusqu'au circuit de refroidissement d'un moteur. Mais les quantités d'énergie mises en jeu quand l'eau change d'état sont bien plus importantes encore.
La glace qui fond et l'eau qui s'évapore tendent à se refroidir. L'énergie qu'il faut apporter pour que la température reste constante pendant le processus est appelée chaleur latente ou enthalpie de changement d'état.
La chaleur latente de fusion de l'eau vaut L_f= 0,334.10⁶ J.kg^-1 à 0°C et
la chaleur latente de vaporisation de l'eau vaut L_v= 2,5.10⁶ J.kg^-1   toujours à la température de référence de 0°C.
Ce phénomène d'absorption de chaleur lors de la vaporisation d'eau liquide explique l'impression de froid ressentie lorsque nous avons la peau ou les cheveux mouillés. C'est ce processus qui est utilisé dans les psychromètres.
À l'inverse, la condensation de la vapeur d'eau dans l'atmosphère, comme dans la formation de nuages, conduit à un apport de chaleur et à  un réchauffement. Il en est de même pour la congélation de l'eau liquide.
Si l'on compare au chauffage de 1 °C envisagé au début, il nous faut 80 fois plus d'énergie pour faire fondre la glace et… 600 fois plus pour évaporer l'eau liquide !
On retrouve les mêmes quantités, mais avec un signe opposé, dans les transformations inverses : ces quantités représentent alors l'énergie que le changement d'état apporte à son environnement.
Les quantités d'énergie mises en jeu dans les changements d'état de l'eau, sans équivalent dans les autres composants de l'atmosphère, font que ces processus sont fondamentaux dans de nombreux phénomènes météorologiques :
- un cyclone, par exemple, ne peut se former que sur un océan suffisamment chaud en surface, seul capable dans certaines conditions de température de fournir l'énergie nécessaire à des phénomènes aussi puissants ;
- après le passage du cyclone, le transfert brutal d'énergie de l'eau à la masse d'air se traduit par un refroidissement brutal de la surface de l'océan ;
- en revanche, lorsqu'un cyclone rencontre une étendue de terre importante, il n'est plus alimenté en énergie et baisse d'intensité.

Le point de rosée

Quand de l'air se refroidit sans que changent ses autres caractéristiques (pression, contenu en eau), on atteint, à un moment ou un autre, une humidité de 100 %. C'est à partir de la température mesurée à cet instant, quand le thermomètre continue à descendre, que de la rosée peut se former : cette température est appelée le point de rosée. Température et point de rosée décrivent l'état de l'air comme le font la température et l'humidité.

L'hygrométrie, c'est-à-dire la mesure de l'humidité, fait l'objet d'études et de recherches depuis plusieurs siècles dont les résultats n'ont abouti que récemment. Il s'agissait tout d'abord pour les scientifiques de comprendre la nature exacte de la vapeur d'eau, concept peu évident. Les différents types d'hygromètres reposent sur des principes qui font appel à des notions définies dans la partie " définition de l'humidité ". La mesure de l'humidité de l'air s'effectue à l'aide d'un hygromètre.

Les ancêtres des hygromètres apparaissent dès le milieu du XV^e siècle. Ils utilisent les propriétés hygroscopiques de certaines substances organiques (la laine ou l'éponge, par exemple) qui, lorsqu'elles absorbent de la vapeur d'eau, changent de masse, de forme, de longueur ou de couleur.

Puis, en 1623, Santorio décrit plusieurs hygromètres utilisant notamment une boule de plomb et une corde : plus l'air est humide, plus la corde se raccourcit, provoquant ainsi la montée de la boule dont le déplacement est suivi par une échelle graduée. En 1665, Robert Hooke décrit un hygromètre à cadran utilisant une barbe d'avoine comme substance organique. L'aiguille du cadran se déplace suivant le mouvement de la barbe d'avoine : enroulement ou déroulement selon l'humidité de l'air.

Il faut attendre plus d'un siècle pour que de nouvelles améliorations apparaissent concernant ce type d'hygromètre. Horace Bénédict de Saussure met au point en 1781 le premier hygromètre à cheveu de l'histoire. L'aiguille, reliée au cheveu, se déplace devant un cadran gradué. C'est ensuite en 1815, que Louis Joseph Gay-Lussac réalise le lien entre les indications de l'hygromètre à cheveu et une échelle d'humidité relative. Il met ainsi en évidence que l'allongement du cheveu n'est pas proportionnel aux valeurs de l'humidité. Les hygromètres à cheveu restent très utilisés jusqu'au XXe siècle car ils sont simples, peu coûteux et relativement précis, bien que nécessitant un étalonnage régulier.

En 1819, John Frederic Daniell invente un nouvel instrument d'hygrométrie composé de deux ampoules de verre reliées par un tube : l'hygromètre à condensation. Par la suite, plusieurs chercheurs l'améliorent et fabriquent un instrument très précis, bien que nécessitant des manipulations très soigneuses à chaque mesure.

En 1825, après avoir repris plusieurs travaux, Ernst Ferdinand August donne le nom de psychromètre à un nouvel instrument d'hygrométrie reposant sur le principe de l'évaporation de l'eau, d'où cette nouvelle appellation. Pendant très longtemps, le psychromètre reste l'instrument de mesure de l'humidité utilisé dans l'abri météorologique.

 

Un psychromètre est constitué de deux thermomètres. Le premier, le « thermomètre sec », mesure la température de l'air. La partie sensible du second, le « thermomètre humide », est maintenue mouillée par une mousseline imbibée d'eau en permanence.

Le psychromètre utilise le principe de changement d'état de l'eau. Au contact de l'air, l'eau de la mousseline s'évapore. L'évaporation (passage de la phase liquide à la phase gazeuse) nécessite une certaine quantité de chaleur (appelée chaleur latente de vaporisation).

Cette chaleur latente est puisée par les particules d'eau dans leur environnement immédiat (la mousseline) qui donc se refroidit. Plus l'air est sec, plus l'évaporation de l'eau est importante et donc plus la température diminue. Le thermomètre humide indique donc une température plus faible que le thermomètre sec. La différence de température entre les deux thermomètres permet de déterminer le taux d'humidité de l'air. On utilise pour cela des abaques ou des tableaux de correspondance entre température et humidité. Cet instrument de mesure est très sensible à la ventilation. Il existe des psychromètres fixes (placés dans l'abri météorologique) et des psychromètres à crécelle (c'est-à-dire à ventilation artificielle).

 
Psychromètre fixe et psychromètre à crécelle © Météo-France

 

Actuellement, suite à l'essor des sondes électroniques, Météo-France utilise des hygromètres à sondes capacitives dont les propriétés diélectriques varient en fonction de l'humidité de l'air.

 

Sonde capacitive d'humidité © Météo-France

Le principe de fonctionnement de cette sonde est expliqué au paragraphe " Le capteur d'humidité ".

Composition de l'air et de l'atmosphère

À la colonne de gauche correspond la température du thermomètre humide, Tw (w pour « wet », « humide ». La ligne supérieure (sur fond jaune) indique la différence des températures données par les thermomètres humide et sec en °C. À l'intersection, on lit l'humidité relative de l'air ambiant exprimée en %.
Exemple : Le thermomètre sec indique 21 °C et le thermomètre humide indique 16 °C. L'écart de température est donc de 5 °C. D'après le tableau ci-dessous, l'humidité relative vaut 57 %.

Constitution de la sonde d'humidité

 

 

La sonde d'humidité utilisée actuellement à Météo-France se compose de divers éléments :

- Le support filtre, dont le rôle est de protéger la cellule de mesure.

- La cellule de mesure, se présentant sous la forme d'un circuit « encapsulé » afin d'assurer sa protection et sa manipulation. Une électrode inférieure, un film polymère hygroscopique (formant le diélectrique) et une électrode supérieure sont déposés sur un support de verre qui assure la rigidité de l'ensemble.

- Le préconditionneur-transmetteur qui constitue le corps du capteur. Il s'agit d'un module cylindrique renfermant une plaquette électronique assurant notamment la mesure de la capacité et la linéarisation du signal.

 

Remarque :

Le capteur est alimenté par la station automatique uniquement lors de la mesure (5 secondes toutes les minutes), la consommation électrique en est ainsi réduite.

 

Fonctionnement du capteur

Météo-France utilise dans ses stations automatiques des hygromètres capacitifs dont l'élément sensible (un condensateur) est une substance hygroscopique dont on mesure les variations de capacité en fonction de l'humidité ambiante.

 

Principe de la mesure

 

Une sonde d'humidité est constituée d'un circuit oscillant (préconditionneur du capteur) relié à un condensateur qui constitue la cellule de mesure.

 

Représentation symbolique d'un condensateur
 

Ce condensateur dont le diélectrique est constitué d'une substance hygroscopique de quelques millimètres constitue l'élément sensible de la cellule de mesure. Cette substance sensible, un film de polymère hygroscopique, absorbe les molécules d'eau de l'air ambiant jusqu'à atteindre l'équilibre avec la vapeur d'eau qu'il contient. On observe ainsi une variation de la constante diélectrique  du polymère, et donc une variation de la capacité du condensateur. La capacité du condensateur varie donc en fonction de l'humidité relative de l'air ambiant.

Le circuit oscillant établit une fréquence précise, fonction de la capacité du condensateur. Cette fréquence est ensuite transformée par la partie pré-conditionneur du capteur en un courant électrique (4 – 20 mA) ou en une tension (0 – 1 V), selon les modèles, équivalant à 0-100% HR selon les modèles.

 

La sonde d'humidité permet donc de mesurer l'humidité relative sous abri. En associant cette mesure à celle de la température de l'air, on peut ensuite déterminer la température du point de rosée (Td).

 

Incertitude du capteur

La sonde capacitive d'humidité utilisée à Météo-France mesure l'humidité relative de 0 à 100 % pour des températures allant de – 40 à + 60 °C.

L'incertitude sur l'étalonnage de la sonde est de ± 2 %, l'incertitude sur la mesure, quant à elle, atteint, ± 6 %, en tenant compte de l'influence de la température (entre – 20 et + 40 °C). Un capteur indiquant 95 % d'humidité dans le brouillard, hors des zones urbaines, est tout à fait satisfaisant à Météo-France.

Installation de l'instrument

La sonde d'humidité est installée dans un abri météorologique, afin de la protéger du rayonnement solaire et des précipitations. Cet abri doit être installé de façon à ce que la mesure soit effectuée à une hauteur de 1,5 mètre et respectant ses contraintes d'environnement.

La mesure doit être associée à celle de la température, au plus près de la sonde thermométrique pour échantillonner le même volume d'air.

Une précaution à prendre est d'éloigner le capteur le plus possible des parois de l'abri. En effet, il s'agit à la fois de s'affranchir des phénomènes extérieurs (notamment le gradient thermique des parois dû au rayonnement) et de maintenir un équilibre thermique au sein de l'abri.

Positionnement des sondes de température (en rouge et en haut) et d'humidité (en vert et en bas) dans l'abri miniature.© Météo-France

 

Maintenance

Aucune maintenance de premier degré n'est spécifiée pour la sonde d'humidité pour la majorité des types d'abris météorologiques.

Toutefois, pour l'abri Stevenson (abri pouvant facilement s'ouvrir), il est recommandé de vérifier l'état du filtre.

 

Action de maintenance	Périodicité	Matériel
Nettoyage du filtre	Mensuelle	Filtre neuf

 

Les performances du capteur peuvent être dégradées par la salissure du filtre, qui ne devient alors plus neutre et peut perturber l'environnement proche de la cellule de mesure. Il faut donc régulièrement vérifier l'état du filtre. Changez le filtre au profit d'un neuf si c'est nécessaire.

Remarques :

• La manipulation des sondes n'engendre aucun risque de sécurité.

• Le capteur doit être étalonné tous les ans.

 

Bibliographie :

JAVELLE Jean-Pierre, ROCHAS Michel, PASTRE Claude et al. La météorologie : du baromètre au satellite. - Mesurer l'atmosphère et prévoir le temps. Paris, Éditions Delachaux et Niestlé, coll. « La bibliothèque du naturaliste », 2000, 171 p.

DIOT Éric. La météo de A à Z. Paris, Éditions Stock, 2006, 124 p.

FRAYARD Marc. Cours de mesure et capteurs de l'École nationale de la météorologie, Météo-France. 2009.

DSO Météo-France. Notice de maintenance de premier degré du capteur d'humidité relative, 2005.