Des ballons pour explorer l’atmosphère

Les auteurs retra­cent quelques étapes de l’utilisation sci­en­tifique des bal­lons, avant de se focalis­er sur deux cam­pagnes de recherche en pré­pa­ra­tion. Ils expliquent les atouts et la per­ti­nence des bal­lons pres­surisés pour son­der la stratosphère et mieux com­pren­dre les proces­sus physiques affec­tant sa com­po­si­tion. Les bal­lons n’appartiennent pas au passé !

Les bal­lons demeurent un moyen unique d’observer l’atmosphère. Les cam­pagnes d’observation par bal­lon con­stituent donc une com­posante impor­tante des activ­ités du lab­o­ra­toire de météorolo­gie dynamique (LMD) depuis sa créa­tion en 1968.

REPÈRES

Les bal­lons ont con­sti­tué le pre­mier moyen de s’élever dans les airs, avec l’envol à Annon­ay, le 4 juin 1783, de la pre­mière mont­golfière. L’idée d’utiliser un gaz léger pour per­me­t­tre des vols de bal­lon était dis­cutée depuis la décou­verte en 1766 par Hen­ry Cavendish (1731–1810) de « l’air inflam­ma­ble », c’est-à-dire l’hydrogène, mais c’est en France que les pre­miers vols en bal­lon ont réus­si. Le mérite du pre­mier vol revient en effet aux frères Joseph (1740–1810) et Éti­enne de Mont­golfi­er (1745–1799), qui rem­plirent une enveloppe ouverte en papi­er (Joseph dirigeait une usine de papi­er) non
avec de l’hydrogène mais avec de l’air chaud. À la suite du suc­cès des frères Mont­golfi­er, le physi­cien et chimiste Jacques Charles mit au point avec l’aide des frères Anne-Jean et Marie-Noël Robert un bal­lon de qua­tre mètres de diamètre gon­flé d’hydrogène, qui s’envola du Champ-de-Mars moins de trois mois plus tard, le 27 août 1783, et par­cou­rut 16 km jusqu’à Gonesse. Ces pre­miers vols sus­citèrent l’enthousiasme et des vols « habités » réus­sirent dans les mois qui suivirent. 

Les pionniers

Les bal­lons de la fin du XVIII^e siè­cle n’ouvraient pas la voie à un trans­port aérien, pour deux raisons : il n’était pas pos­si­ble de con­trôler la tra­jec­toire des vols et ils demeu­raient très dan­gereux à l’atterrissage. Leur util­i­sa­tion mil­i­taire pour observ­er le champ de bataille fut néan­moins explorée, un corps d’aérostatiers fut créé, le bal­lon d’observation L’Entreprenant aurait con­tribué à la vic­toire française à Fleu­rus le 26 juin 1794. Bona­parte prévoy­ait égale­ment d’en faire usage lors de sa cam­pagne en Égypte, prin­ci­pale­ment pour leur effet psy­chologique, mais le navire trans­portant le généra­teur d’hydrogène coula. Le corps des aéro­sta­tiers fut finale­ment dis­sous en 1805. 

Des pre­miers vols sci­en­tifiques sont effec­tués au début du siè­cle suiv­ant par Éti­enne Gas­pard Robert (1763–1837), qui prit le nom de Robert­son par anglo­manie et dont les activ­ités mêlaient arts, sci­ence expéri­men­tale et diver­tisse­ment – il présen­tait dans son cab­i­net à Paris des expéri­ences de physique amu­sante sous le nom de « fan­tas­magories ». Lors d’un vol en juil­let 1803 à Ham­bourg, il effec­tua de nom­breuses expéri­ences, s’intéressant notam­ment à l’électricité atmo­sphérique, à la tem­péra­ture d’ébullition de l’eau et au champ mag­né­tique ter­restre. Il faut cepen­dant atten­dre l’implication de deux poly­tech­ni­ciens, Jean-Bap­tiste Biot (1774–1862) et Louis Joseph Gay-Lus­sac (1778–1850), pour que des expéri­ences sci­en­tifiques en bal­lon soient effec­tuées avec la rigueur néces­saire. Leurs vols en 1804 per­me­t­tent d’obtenir des mesures jusqu’à 7 016 m et étab­lis­sent notam­ment la décrois­sance régulière de la tem­péra­ture avec l’altitude et l’identité de la com­po­si­tion de l’air dans les pre­miers kilo­mètres de l’atmosphère.

Les vols sci­en­tifiques de bal­lons s’interrompent pen­dant un demi-siè­cle env­i­ron, au cours duquel l’aéronaute Charles Green intro­duit une inno­va­tion majeure pour les célébra­tions du couron­nement du roi George IV, le 19 juil­let 1821 : il rem­place l’hydrogène par du gaz d’éclairage, bien moins coû­teux. Des vols sci­en­tifiques sont à nou­veau entre­pris à par­tir de 1850, en France et au Roy­aume-Uni, avec des vols dépas­sant 8 000 m d’altitude mais soule­vant des dif­fi­cultés nou­velles à cause du manque d’oxygène. Le chimiste français Paul Bert (1833–1886) mon­tre que c’est la baisse de la quan­tité d’oxygène, et non juste de la pres­sion, qui est prob­lé­ma­tique. Des bouteilles d’oxygène sont embar­quées mais ces vols demeurent risqués : deux morts sur trois pas­sagers sont à déplor­er lors du fameux vol du Zénith, le 15 avril 1875, qui atteint 8 600 m. Avec la mise au point en Alle­magne de bouteilles et d’un masque (au lieu d’une embouchure) pour délivr­er l’oxygène, Arthur Berson et Rein­hard Süring atteignent 10 530 m le 31 juil­let 1901. Les ascen­sions en bal­lon ont ain­si dévelop­pé les principes de survie en haute alti­tude, qui servi­ront par la suite à l’aviation mil­i­taire et aux vols spatiaux.

La découverte de la stratosphère

L’utilisation sci­en­tifique des bal­lons prend une autre ampleur à par­tir de l’automatisation des mesures, dévelop­pée par Gus­tave Her­mite (1863–1914) et Georges Besançon (1866–1934), prin­ci­pale­ment sur des bal­lons en papi­er ou en bau­druche. L’utilisation d’instruments enreg­is­trant leurs mesures sur du papi­er enroulé sur un cylin­dre ouvre une nou­velle ère : les bal­lons peu­vent être plus petits, n’ayant plus à soulever un opéra­teur, et ne sont plus con­traints par les lim­ites phys­i­ologiques de celui-ci. Le vol de L’Aérophile du 21 mars 1893 atteint 16 000 m et enreg­istre la plus froide tem­péra­ture mesurée jusqu’alors dans la nature : — 57 °C. Après ce min­i­mum relevé à 11 500 m, la tem­péra­ture aug­mente à nou­veau jusqu’à — 47 °C. Les savants de l’époque écar­tent ces mesures comme erronées, per­suadés que la tem­péra­ture ne fait que décroître avec l’altitude. Lors du vol du 18 févri­er 1897, des prélève­ments d’air à 15 500 m mon­trent que la com­po­si­tion de l’air est à cette alti­tude encore iden­tique à celle de l’air en surface. 

Un développe­ment impor­tant a lieu en Alle­magne, sous l’impulsion de Richard Ass­mann (1845–1918) et avec le sou­tien du Kaiser Guil­laume II. Ass­mann emploie une enveloppe ultra­m­ince en caoutchouc, per­me­t­tant d’utiliser des bal­lons fer­més qui, ini­tiale­ment peu gon­flés, s’étendent en s’élevant jusqu’à un pla­fond fixé par leur explo­sion. L’altitude de 18 450 m est ain­si atteinte le 5 sep­tem­bre 1894. En France, les sondages atmo­sphériques par bal­lon sont repris à par­tir de 1897 par Léon Teis­serenc de Bort, qui établit avec ses pro­pres ressources deux obser­va­toires météorologiques à Trappes et à Itteville. Les vols se mul­ti­plient, une coor­di­na­tion inter­na­tionale avec des vols coor­don­nés et des inter­com­para­isons d’instruments se met en place. Les obser­va­tions révè­lent avec obsti­na­tion une couche où la tem­péra­ture stagne (typ­ique­ment entre 10 et 16 km) avant d’augmenter à des alti­tudes plus élevées. Teis­serenc de Bort et Ass­mann recon­nais­sent qu’elles traduisent la réal­ité et com­mu­niquent leurs décou­vertes dans leurs Académies des sci­ences respec­tives à quelques jours d’intervalle en 1902 : suiv­ant la dénom­i­na­tion pro­posée par Teis­serenc de Bort, la tropopause, séparant la tro­posphère de la stratosphère, était ain­si découverte.

Des pionniers aux chercheurs actuels

Nous ne ten­terons pas de décrire l’utilisation sci­en­tifique des bal­lons au XX^e siè­cle, ce serait trop vaste. Men­tion­nons seule­ment deux étapes, avant de sauter directe­ment à l’actualité des bal­lons sci­en­tifique au LMD : grâce à la trans­mis­sion des mesures par des ondes radio, mise au point par Pierre Idrac (1885–1935) et Robert Bureau (1892–1965), tous deux poly­tech­ni­ciens, les bal­lons météorologiques (radiosondages) lancés depuis des sta­tions météorologiques devi­en­nent pour plusieurs décen­nies l’ossature de l’observation opéra­tionnelle de l’atmosphère. Ils per­me­t­tent par ailleurs des obser­va­tions astronomiques impos­si­bles depuis le sol (prix Nobel de Vic­tor Hess (1883–1964) en 1936 pour la décou­verte des rayons cos­miques). Ils per­me­t­tent à Auguste Pic­card (1884–1962), une des sources d’inspiration d’Hergé pour le pro­fesseur Tour­nesol, de s’élever dans une nacelle fer­mée jusqu’à 16 021 m le 18 août 1932. Nous décrirons à présent deux cam­pagnes actuelles de recherche, portées par des enseignants-chercheurs du LMD, pour illus­tr­er que l’observation atmo­sphérique par bal­lon demeure un domaine act­if et innovant.

Les atouts des ballons

Les bal­lons ont été à l’avant-garde de l’exploration de l’atmosphère, per­me­t­tant bien avant les pre­miers vols en avion de décou­vrir des pro­priétés essen­tielles et la struc­ture de notre atmo­sphère. Ils ont aus­si été précurseurs pour l’exploration spa­tiale, per­me­t­tant notam­ment de s’extraire de la majeure par­tie de l’atmosphère bien avant les satel­lites. Si à l’heure actuelle les avions con­stituent la plate-forme priv­ilégiée pour de nom­breuses cam­pagnes d’observation et si les satel­lites four­nissent une cou­ver­ture sans précé­dent de l’ensemble du globe, les bal­lons con­ser­vent des spé­ci­ficités qui en font des vecteurs uniques et pré­cieux pour l’observation de l’atmosphère.

La campagne Stratéole 2

Un objec­tif majeur du pro­jet fran­co-améri­cain Stratéole 2 est de doc­u­menter les proces­sus dynamiques (ondes, trans­port) et physiques (cycle de vie des nuages, trans­fert radi­atif) à prox­im­ité de la tropopause trop­i­cale. Dans les tropiques, le som­met de la tro­posphère se situe entre 15 et 18 km d’altitude et est ain­si inac­ces­si­ble à la grande majorité des avions de recherche. L’utilisation de bal­lons pour son­der cette par­tie de l’atmosphère est donc per­ti­nente. Mais les bal­lons pres­surisés dévelop­pés et mis en œuvre par le Cen­tre nation­al d’études spa­tiales, loin­tains héri­tiers du bal­lon de Charles, offrent des atouts sup­plé­men­taires. Leur enveloppe plas­tique fer­mée, rem­plie d’hélium, main­tient le gaz por­teur qua­si indéfin­i­ment dans le bal­lon : les bal­lons pres­surisés peu­vent donc effectuer des vols de très longue durée. 

Dans le pro­jet Stratéole 2, les vols sont ain­si prévus pour dur­er au moins trois mois. Pen­dant leurs vols à prox­im­ité de la tropopause trop­i­cale, les bal­lons pres­surisés seront trans­portés par le vent et per­me­t­tront donc de suiv­re le déplace­ment des mass­es d’air dans l’atmosphère. Ils con­stituent ain­si de véri­ta­bles traceurs lagrang­iens du flu­ide atmo­sphérique, comme des bouées déri­vantes à la sur­face de l’océan. Cette par­tic­u­lar­ité est bien évidem­ment unique : aucun autre moyen d’observation de l’atmosphère ne se déplace avec l’écoulement. Les obser­va­tions recueil­lies pen­dant les vols four­nissent ain­si des infor­ma­tions pré­cieuses sur les temps car­ac­téris­tiques des proces­sus étudiés, du point de vue des par­tic­ules de flu­ide. Avec un vent moyen de 10 m/s à l’altitude de vol des bal­lons, ceux-ci par­cour­ront env­i­ron 80 000 km en trois mois, c’est-à-dire deux fois le tour de la Terre à l’équateur ! C’est là un dernier avan­tage de ces bal­lons : les obser­va­tions seront représen­ta­tives de l’ensemble de la cein­ture trop­i­cale de la Terre et les instru­ments embar­qués pour­ront effectuer des mesures jusqu’au cen­tre de l’océan Paci­fique, à des mil­liers de kilo­mètres de toute masse continentale. 

Chaque bal­lon du pro­jet Stratéole 2 emportera env­i­ron 10 kg d’instruments sci­en­tifiques, dont des cap­teurs météorologiques qui fourniront des mesures toutes les 30 s pen­dant les trois mois de vol. D’autres instru­ments mesureront des gaz inter­venant dans le bilan radi­atif ter­restre : vapeur d’eau, ozone (deux instru­ments dévelop­pés et réal­isés au lab­o­ra­toire de météorolo­gie dynamique) et dioxyde de car­bone. Enfin, cer­tains bal­lons emporteront une fibre optique de 2 km de long, sus­pendue à la nacelle et per­me­t­tant d’obtenir des pro­fils de tem­péra­ture toutes les cinq min­utes. L’ensemble de ces mesures sera trans­mis toutes les heures au sol, lorsque la nacelle appellera automa­tique­ment, par le sys­tème de télé­phonie par satel­lite Irid­i­um, le cen­tre de con­trôle des bal­lons, qui est hébergé sur les serveurs infor­ma­tiques de l’École polytechnique. 

Les obser­va­tions météo­rologiques seront alors rapi­de­ment con­trôlées de manière automa­tique pour être trans­férées, en temps qua­si réel, à l’ensemble des mod­èles météorologiques mon­di­aux afin de con­tribuer à amélior­er les prévi­sions météorologiques dans les tropiques. Le jeu de don­nées Stratéole 2 nour­ri­ra enfin les recherch­es du LMD et de ses parte­naires dans cette région clé de l’atmosphère qu’est la tropopause trop­i­cale. La tropopause trop­i­cale est en effet la porte d’entrée de la stratosphère et les proces­sus s’y déroulant con­trô­lent ain­si sa com­po­si­tion à l’échelle glob­ale, telle que par exem­ple celle des gaz inter­venant dans l’équilibre de la couche d’ozone. Les deux cam­pagnes prin­ci­pales du pro­jet com­porteront cha­cune 20 bal­lons, en 2021 et 2024. La cam­pagne pro­ba­toire se déroule avec suc­cès puisque huit bal­lons, lâchés en novem­bre et décem­bre 2019, dérivent dans la basse stratosphère trop­i­cale alors que ces lignes sont rédigées.

“Le sommet de la troposphère est inaccessible à la grande majorité
des avions de recherche.”

Les aéroclippers

« L’expédition sera munie des instru­ments néces­saires pour les déter­mi­na­tions de temps et de lieu, pour les déter­mi­na­tions d’altitude et de vitesse et enfin d’une col­lec­tion com­plète d’instruments météorologiques. » Cette phrase que l’on pour­rait repren­dre pour l’aéroclipper est en fait extraite d’un mémoire soumis à l’Académie en 1895 par S. A. Andrée pour soutenir le pro­jet d’une expédi­tion en bal­lon vers le pôle Nord ; expédi­tion qui se ter­min­era hélas dra­ma­tique­ment. Tout comme l’aéroclipper, le bal­lon util­isé par S. A. Andrée était « équipé comme un bal­lon guiderope, c’est-à-dire muni d’un ou plusieurs cordages traî­nant sur le sol ». Grâce à ce guiderope flot­tant à la sur­face de l’océan, les aéro­clip­pers évolu­ent dans la couche atmo­sphérique de sur­face, typ­ique­ment entre 30 et 50 mètres de hauteur. 

Le développe­ment de l’aéroclipper a été lancé par le Cnes et le LMD au début des années 2000. L’objectif était ini­tiale­ment de mesur­er les flux air-mer dans le voisi­nage des sys­tèmes con­vec­tifs au-dessus des océans trop­i­caux dif­fi­cile­ment acces­si­bles par des moyens con­ven­tion­nels. À notre plus grande sur­prise, lors de la dernière cam­pagne Vas­co de 2007, deux aéro­clip­pers ont con­vergé jusqu’au cen­tre de l’œil du cyclone Dora dans le sud-ouest de l’océan Indi­en. Dans leur mou­ve­ment con­vergeant vers le cen­tre du cyclone, les aéro­clip­pers ont tra­ver­sé la zone du « mur », car­ac­térisée par les vents les plus vio­lents, avant de pénétr­er dans l’œil et d’y rester piégés plusieurs jours jusqu’à la dis­si­pa­tion du cyclone. Nous avons par la suite pro­posé un développe­ment spé­ci­fique d’un aéro­clip­per adap­té aux mesures dans les cyclones. C’est une appli­ca­tion très promet­teuse car l’aéroclipper est pour l’instant le seul vecteur capa­ble de don­ner une mesure in situ du vent de sur­face lors de son pas­sage dans le mur de l’œil, puis de la pres­sion de sur­face dans l’œil en con­tinu et en temps réel jusqu’à la dis­si­pa­tion du cyclone. 

Ce bal­lon four­nit donc une pos­si­bil­ité unique : de suiv­re la posi­tion et les vari­a­tions par­fois rapi­des d’intensité des cyclones ; d’améliorer la prévi­sion des cyclones en assim­i­lant l’évolution de la pres­sion cen­trale ; d’évaluer et de per­fec­tion­ner les approches satel­li­taires de déter­mi­na­tion de l’intensité des cyclones ; et de cor­riger les biais éventuels des bases de don­nées his­toriques et ain­si de mieux détecter une éventuelle évo­lu­tion des car­ac­téris­tiques cycloniques des dernières décen­nies. Les mesures inédites des aéro­clip­pers vont per­me­t­tre d’améliorer notre con­nais­sance des cyclones. Cela est néces­saire pour mieux prévoir l’évolution de leurs car­ac­téris­tiques dans le con­texte du réchauf­fe­ment cli­ma­tique glob­al, en par­ti­c­uli­er en ce qui con­cerne leur migra­tion vers les pôles et leur inter­ac­tion avec les tem­pêtes des moyennes latitudes. 

Dans le cadre du pro­jet Mica (Mesure de l’intensité des cyclones par des aéro­clip­pers) financé par l’ANR Astrid et par le Cnes, nous sommes main­tenant en train de dévelop­per une nou­velle généra­tion d’aéroclipper en util­isant un bal­lon reposant sur une struc­ture de cerf-volant. Ce mon­tage donne des car­ac­téris­tiques aéro­dy­namiques très favor­ables pour la con­ver­gence vers les cyclones et pour la sauve­g­arde du sys­tème par vent fort. Les pre­miers essais de ce nou­v­el aéro­clip­per seront réal­isés depuis l’île de Guam en octo­bre 2020. 

A lire : Le LMD ou le deep learn­ing du cli­mat dans La Jaune et la Rouge n°740, décem­bre 2018

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