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L'HUMIDITE


L’air est un mélange de gaz dont les deux principaux sont l’azote et l’oxygène. D’autres gaz naturels appelés constituants mineurs, tels que l’argon, le xénon, le néon et le krypton, s’y trouvent également en proportions bien définies. Il n’en est pas de même ni pour le dioxyde de carbone (CO2), dont le rôle est capital dans le bilan radiatif de la Terre, ni pour l’eau sous forme de vapeur, dont la présence est aussi indispensable que l’oxygène à l’équilibre de la vie dans la biosphère. Si la concentration en dioxyde de carbone s’accroît par la combustion des charbons et hydrocarbures fossiles et les déforestations, la concentration en eau, que cette dernière soit à l’état de vapeur seulement ou à la fois sous formes gazeuse et condensée (nuages, brouillards, précipitations), est uniquement gouvernée par les processus naturels. Il existe pour chaque température une quantité maximale de vapeur d’eau que l’atmosphère peut accepter sans qu’apparaisse, à la saturation, la condensation sous forme liquide ou solide. Entre l’absence absolue de vapeur d’eau, jamais réalisée dans l’atmosphère, et la saturation, on peut imaginer une échelle de valeurs (humidité) : 100 p. 100 correspondent à la saturation et 0 p. 100 à une atmosphère " idéale " totalement privée de vapeur d’eau. Humidité atmosphérique et cycle de l’eau L’eau des nuages et l’eau sous forme de vapeur existant dans l’atmosphère proviennent directement de l’évaporation des surfaces, des océans, des lacs, des rivières, des marais, des glaciers ou des champs de neige. Le cycle schématisé de l’évaporation des océans (vapeur d’eau, nuages, précipitations formant ensuite ruisseaux, fleuves ou rivières) est trop connu pour qu’il soit nécessaire de le préciser. Toutefois, au cours du long trajet continental des masses d’air maritime chargées d’humidité, des mécanismes de relais précipitations-évaporation interviennent grâce à la présence du couvert végétal et en particulier des forêts : chaque arbre des régions tempérées évapore quotidiennement au minimum plusieurs dizaines de litres d’eau en période d’activité végétale. La réinjection dans l’atmosphère de l’eau sous forme de vapeur provenant d’une région forestière peut être parfois plus importante que celle qui proviendrait d’un plan d’eau de même superficie. Grâce à cette répétition du cycle évaporation-condensation-précipitations, la vapeur d’eau est pratiquement présente partout à tout moment, et seules les régions désertiques, où ce mécanisme fait défaut, ont des humidités relatives moyennes inférieures à 50 p. 100. La répartition de la vapeur d’eau, conditionnée à la fois par la circulation générale des masses d’air de diverses origines et par l’interaction locale des phénomènes physiques dans la basse troposphère, est plus homogène en altitude. Pratiquement toute la vapeur d’eau que contient notre atmosphère se trouve dans la troposphère et plus de la moitié de cette eau (nuages et vapeur) entre quatre mille et cinq mille mètres. Au-delà, on peut considérer que la teneur en vapeur d’eau devient extrêmement faible. Les nuages, excellents indicateurs visuels de la saturation, ne s’étendent, sauf de rares exceptions, que dans la troposphère, et le niveau des cirrus marque en altitude l’extrême limite où la condensation intervient.

  Au-delà, et jusqu’aux confins de notre atmosphère neutre – c’est-à-dire jusqu’aux altitudes où les réactions photochimiques causées par le rayonnement solaire énergétique n’interviennent pas de façon notable –, on peut dire que l’humidité relative est inférieure en moyenne à 50 p. 100, sauf à certains niveaux (25 et 80 kilomètres d’altitude) où sont observés très exceptionnellement les " nuages nacrés " et les " nuages nocturnes luminescents ". Aux altitudes où se produisent ces phénomènes rarissimes, les températures sont de l’ordre de _ 40 0C et _ 100 0C ; par conséquent, même si la saturation par rapport à la glace est atteinte, les pressions de vapeur correspondantes rendent le contenu en eau extrêmement faible à ces basses températures. Ajoutons enfin que, comme le dioxyde de carbone, l’eau n’est pas un constituant permanent ; sa présence résulte d’un état d’équilibre entre les mécanismes d’évaporation et de précipitations. On peut ainsi parler du " temps de résidence moyen " d’une molécule d’eau dans l’atmosphère ; il est de l’ordre de quelques semaines, quelquefois de quelques heures dans de l’air instable où des averses se forment de manière continue. Il peut atteindre sans doute plusieurs mois ou même des années si les molécules évaporées à la surface du globe ont été transportées dans la circulation stratosphérique ou ont pu franchir le niveau de la stratopause. Hygrométrie ou mesure de la vapeur d’eau atmosphérique Si les météorologistes utilisent beaucoup la notion d’humidité relative, ils préfèrent néanmoins estimer de façon plus directe le contenu pondéral en vapeur d’eau ; ils utilisent notamment le rapport de mélange , c’est-à-dire, en grammes par kilogramme, le rapport de la masse d’eau à la masse d’air sec qui la contient, et l’humidité spécifique , qui exprime la quantité d’eau en grammes par kilogramme de l’air humide qui la contient. On utilise aussi parfois la notion de concentration en vapeur d’eau, ou humidité absolue, en exprimant le nombre de grammes d’eau sous forme de vapeur par mètre cube d’air du mélange considéré. Pour mesurer dans un échantillon d’air humide le contenu de vapeur d’eau en masse par volume de référence, on peut faire appel à un grand nombre de techniques. L’une de ces techniques consiste à peser effectivement un échantillon, après piégeage ou absorption sur un corps très avide d’eau ; ce corps d’épreuve doit être traversé par un volume ou un poids d’air soigneusement mesuré en cours d’opération. Cette méthode pondérale pure, qui exige une pesée automatique précise pour un appareil en fonctionnement continu, est remplacée par la mesure de l’échauffement d’un corps présentant une forte réaction exothermique vis-à-vis de l’eau (acide sulfurique), ou par l’électrolyse d’un complexe formé par l’eau avec certains corps (anhydride phosphorique). De toute façon, on préfère effectuer une mesure de température, de courant, de pression ou de volume, plutôt que de procéder par pesée directe du corps d’épreuve. Un autre groupe important d’hygromètres utilise la propriété qu’ont certains sels hygroscopiques – ou déliquescents – de se mettre en équilibre d’absorption avec l’humidité de l’air ambiant. On mesure alors, de préférence en courant alternatif, la résistance ohmique d’un capteur revêtu d’une préparation adéquate – en général à base de chlorure de lithium –, ou bien on électrolyse en permanence la préparation pour la maintenir à sa conductivité initiale correspondant à l’état anhydre. Ces appareils, séduisants par leur simplicité technique, ont cependant des constantes de temps élevées aux basses températures et, maintenus trop longtemps à des humidités relatives voisines de la saturation, deviennent inutilisables. L’un des meilleurs hygromètres, mais aussi le plus coûteux, mesure sur un trajet optique de l’ordre du mètre le rapport de l’intensité d’une raie d’absorption intense de la vapeur d’eau dans l’infrarouge moyen à celle d’une bande très voisine non absorbée. Des filtres interférentiels centrés par exemple sur les bandes de 2,66 mm ou 6,26 mm, associés à des méthodes thermiques ou à des détecteurs infrarouges de très haute sensibilité, permettent des réalisations très compactes, et présentent tous les avantages d’une mesure spectrométrique (constante de temps et interaction nulles, facilités d’étalonnage). On réalise aussi des hygromètres fondés sur les variations de la constante diélectrique de l’alumine en fonction de l’humidité relative. Plus robustes que les hygromètres électrolytiques, ils craignent également, mais à un degré moindre, la saturation suivie de condensation, mais leurs possibilités sont beaucoup plus étendues aux basses pressions et aux basses températures. La vapeur d’eau atmosphérique peut être aussi mesurée par chromatographie en phase gazeuse, par spectrométrie de masse – avec système de pesée sous vide du condensât. Cette dernière technique permet de mesurer en même temps la concentration en isotopes naturels de l’oxygène (18O) ou de l’hydrogène (deutérium et tritium). Ces isotopes sont toujours présents à l’état de traces dans l’eau ordinaire. D’autres hygromètres utilisent la dilatation de corps naturels tels que le cheveu ou la baudruche. Cette dilatation, proportionnelle à l’humidité relative ambiante, tout au moins dans un certain domaine, permet, par une mesure mécanique directe, d’estimer cette grandeur. Des substances synthétiques comme la cellophane peuvent être utilisées dans de tels hygromètres, ou encore dans des hygromètres à diffusion comme membranes semi-perméables à la vapeur d’eau. Une autre classe d’appareils est celle des psychromètres  et des hygromètres à point de rosée . Dans ces types d’instruments, on accède à la mesure de la vapeur d’eau par deux mesures distinctes et simultanées des températures. Dans le psychromètre, l’un des thermomètres sert à la mesure de la température de l’air ambiant, l’autre à la mesure de l’abaissement de température provoqué par l’évaporation d’un film d’eau recouvrant le réservoir du second thermomètre. L’approvisionnement en eau de ce film est assuré par une mousseline alimentée par capillarité. La ventilation doit être suffisante pour obtenir un fonctionnement correct. La tension de vapeur de l’air ambiant est alors déterminée par l’écart des deux températures ainsi mesurées et en faisant intervenir une constante, dite " constante psychrométrique ", représentant le rapport de la capacité thermique massique de l’air sec à la chaleur latente de vaporisation de l’eau. Dans l’hygromètre à point de rosée, le " thermomètre mouillé " est remplacé par un thermomètre qui mesure, grâce à un dispositif adéquat de refroidissement, la température de la paroi froide sur laquelle se condense la vapeur d’eau ambiante. En se reportant aux tables donnant la pression de vapeur saturante en fonction de la température, on déduit l’humidité relative correspondant aux deux températures (thermomètre refroidi et thermomètre ordinaire). L’appréciation du début de la condensation marquant ce " point de rosée " est parfois délicate ; des dispositifs photoélectriques permettent une certaine automatisation et, par asservissement du système de réfrigération, une marche continue de cet appareil. Au lieu de produire le refroidissement d’une plaque métallique polie sur laquelle on observe la formation de la buée, on peut, dans une enceinte, provoquer un refroidissement par détente adiabatique et examiner la formation d’un nuage de gouttelettes. Les psychromètres et les hygromètres à point de rosée, malgré certains défauts, sont largement utilisés pour les mesures courantes ; ils fournissent, avec un appareillage relativement simple et peu coûteux, des mesures dont la précision est suffisante pour les besoins ordinaires de la météorologie. Les radiomètres infrarouges embarqués sur les satellites météorologiques permettent, quant à eux, de reconstituer la distribution globale de la vapeur d’eau atmosphérique.

 

 
Les capteurs d’humidité.


hygromètres mécaniques : à cheveu, coton hygromètres à condensation hygromètre électrolytique psychromètre à aspiration quartz vibrant ou capteur piézoélectrique hygromètre à absorption infrarouge

 

  Certaine de ces technologies sont relativement lourde à mettre en œuvre et délicates à utiliser. Les mesures industrielles ont beaucoup gagné avec l’apparition des capteurs capacitifs de faible encombrement, faciles à utiliser, d’un prix abordable et qui peuvent être placés directement dans le milieu. Mais les performances de ces hygromètres font sourire, comparés aux incertitudes moyennes pour des mesures pression : l’incertitude pour les capteurs d’humidité ne font guère mieux que +2%. A l’instar de la température, l’humidité est un paramètre d’environnement qui ne se mesure pas n’importe où. L’emplacement du capteur est primordial pour une mesure représentative. On parle de notion de cartographie des mesures. La température de rosée est la température à laquelle il faut refroidir l’air humide pour atteindre la saturation. En dessous de 0°C, il faut distinguer le point de rosée et le point de givre. Les capteurs capacitifs se sont fortement implantés dans un grand nombre de domaine. Ils sont faciles à installer et à utiliser et offrent une réponse rapide. Sous le terme capacitif se cachent deux type de capteurs qui ne répondent pas du tout aux mêmes applications et ne mesurent pas le même paramètre. En terme de prix, ils ne jouent pas non plus dans la même catégorie. Il faut distinguer les capteurs capacitifs à polymère qui mesurent l’humidité relative et les capteurs capacitifs à oxyde métallique (souvent aluminium) qui mesure la température de rosée. Le capteur capacitif à polymère est un capteur bon marché (à partir de 1500 FF) qui recouvre sans doute plus de 90% des applications dans l’air ambiant. L’élément sensible est un condensateur dont le diélectrique est une couche de polymère qui absorbe l’eau. La capacité du condensateur varie avec la permittivité du polymère laquelle est directement liée à la quantité d’eau absorbée, elle-même en équilibre avec la quantité d’eau présente dans l’air. Cette mesure est fortement liée à la température. Il faut toujours associer une mesure de température à la mesure d’humidité relative. L’incertitude annoncée est généralement +- 2% de la valeur mesurée. Les capteurs capacitifs à oxyde métallique mesurent des traces d’eau et font appel à une technologie plus complexe ce qui a une incidence direct sur les prix à partir de 5000 F jusqu’à 40000 F.

Mesure de l'humidité de l'air

Les hygromètres 



Hygromètres à capteur organique
Un certain nombre de matières organiques comportant de longues chaînes moléculaires ont la propriété d'adsorber (adsorption : pénétration superficielle d'un gaz ou d'un liquide dans un solide ou dans un autre liquide) des molécules d'eau et de s'allonger ou de se rétracter avec l'humidité de l'air. C'est le cas des cheveux humains dont la longueur augmente de 2 à 2,5% lorsque l'humidité relative de l'air passe de 0 à 100%. Quel que soit le type de cheveu, il existe une relation relativement constante avec l'humidité de l'air. Pour limiter les variations possibles d'un cheveu à l'autre (de l'ordre de 15%), ils sont généralement regroupés en faisceaux. Un hygromètre classique fonctionne sur le principe d'une double mèche de cheveux tendue verticalement. L'allongement du capteur est amplifié par un double jeu de leviers. Le signal reçu est enregistré graphiquement sur le papier recouvrant le tambour. L'allongement des cheveux n'est pas linéaire mais peut être ajusté par une courbe logarithmique.

D'autres matières peuvent être utilisées comme le Nylon, le coton ou le péritoine de bœuf ou de porc.

Représentation schématique d'un hygrographe à cheveux Source : Guyot, p 394
Les hygromètres à capteur organique présentent de nombreux inconvénients du point de vue métrologique et leur utilisation tient surtout à leur simplicité et leur faible coût. Leur précision est limitée (± 5%) et l'étalonnage doit être répété fréquemment.



hygromètres capacitifs
Schéma de principe d'un hygromètre capacitif (A) et réalisation pratique du capteur (B) Source : Guyot, 1997
Dans son principe, un hygromètre capacitif est constitué par une lame de polymère hygroscopique sur laquelle sont déposées deux électrodes métalliques poreuses, l'ensemble constituant un condensateur.

Lorsque le polymère adsorbe les molécules d'eau, son volume augmente et la distance entre les électrodes s'accroît, ce qui se traduit par une variation de capacité du condensateur. Le signal mesuré correspond aux variations de fréquence du capteur.

Ces hygromètres ont une réponse linéaire à ± 1% entre 0% et 80% d'humidité relative. Au-delà; la linéarité est moins bonne et l'écart peut atteindre ± 3% au voisinage de la saturation. 



hygromètres à condensation
La mesure de la température de rosée permet de connaître l'humidité absolue de l'air. Pour atteindre ce point de rosée, il suffit de refroidir progressivement une surface plane et lisse jusqu'à ce qu'un film d'eau se condense. La température de surface est alors très proche de celle du point de rosée.

Un hygromètre à condensation comporte un petit miroir refroidi. Il est éclairé par une diode électroluminescente et lorsqu'il n'est pas recouvert de buée, le faisceau de lumière incident est réfléchi vers le boîtier de l'hygromètre. Lorsque de la buée apparaît, le miroir diffuse la lumière qui impressionne alors un détecteur (phototransistor). Ce détecteur est relié au circuit de régulation de la température et commande alors le réchauffement du miroir. La rosée disparaît et entraîne de nouveau la commande de refroidissement et ainsi de suite.

Grâce à un système de régulation approprié, il est possible de maintenir un dépôt constant de condensation sur le miroir et il suffit alors d'enregistrer sa température à l'aide d'un microcapteur thermique, délivrant un signal électrique. Ces hygromètres fonctionnent généralement pour une gamme de température allant de -80°C à +100°C avec une incertitude qui peut être réduite à ± 0,2°C. Les seuls inconvénients de l'instrument sont son prix élevé et sa complexité.

Les psychromètres

Le psychromètre est un instrument formé par l'association de deux thermomètres dont l'un est entouré d'une mousseline mouillée en permanence et l'autre est sec. Si l'air est saturé d'humidité, les deux thermomètres indiquent la même température, mais par temps sec, le thermomètre mouillé indique une température plus faible (l'évaporation de l'eau de la mousseline absorbe de l'énergie et fait baisser la température).

A gauche : schéma d'un psychromètre

 

  A droite : exemple de psychromètre


  Avant lecture, un petit ventilateur intégré est enclenché afin d'aérer les deux thermomètres. Il est alors possible d'élaborer des équations psychrométriques et de déduire le taux d'humidité de l'air par interpolation avec une courbe de saturation.

L'équation du psychromètre s'écrit :
ea = tension de vapeur d'eau de l'air

TH = température du thermomètre humide

Ta = température du thermomètre sec

e(TH) = tension de vapeur saturante à la température du thermomètre humide

g= coefficient psychrométrique ( = 66 Pa/K) Cette équation n'est pas rigoureuse car elle ne tient pas compte de la ventilation qui influe pourtant sur le coefficient psychrométrique. Il existe trois grands types de psychromètres : tous sont gradués et l'information est obtenue par lecture directe.



à ventilation naturelle (sous abri) :
La vitesse de ventilation n'est pas contrôlée. Ce sont les moins précis et les tables psychrométriques établies pour ce type d'appareils se basent le plus souvent sur une vitesse du vent  de 1,5 m/s. 



psychromètres frondes :
La ventilation des réservoirs des thermomètres est assurée par la rotation du psychromètre. Ces appareils servent à des mesures ponctuelles et sont peu précis. 



psychromètres à aspiration 
C'est le seul psychromètre pour lequel on puisse utiliser la valeur théorique g= 66 Pa/K.

Les bulbes de deux thermomètres sont placés dans deux doubles tuyères qui se poursuivent par des tubulures coudées et qui débouchent dans un tube central relié au bloc d'aspiration dans la partie supérieure du psychromètre. Celui-ci comporte une turbine mue par un moteur qui assure une vitesse de ventilation au niveau des bulbes de l'ordre de 3,6 m/s. 
Source : Guyot G, 1997


Copyright © 1999 Jean Melounou

Dernière révision de la page: 20 November 1998