CHAPITRE V

SUR LA MESURE DE L’'INCLINAISON DU VENT A L'AIDE DES MOULINETS ANÉMOMÉTRIQUES.

Historique. — Nous sommes maintenant en mesure de nous rendre compte de la valeur des mesures de l’inclinaison du vent et de la composante verticale de cet élément réalisées au moyen des moulinets anémométriques. Comme nous

avons laissé de côté, dans la première Partie, les instruments imaginés en vue d'obtenir ces données, nous rappellerons d’abord brièvement l’historique de la question.

Le premier instrument construit en vue de mesurer l’inclinaison du vent est celui de Dalberg qui remonte à 1980. En 1801, Benzenberg proposa d’utiliser dans ce but une girouette à axe horizontal orientée par l'intermédiaire d’une autre girouette à axe vertical. Mais les premières mesures suivies de linclinaison du vent sont dues à Cacciatore, directeur de l'Observatoire de Palerme (1).

Le dispositif dont il s’est servi tout d’abord comportait deux moulinets actionnant chacun un compteur de tours, et munis de quatre palettes incurvées constituées par des portions de cylindres. L’un de ces moulinets avait son axe placé verticalement, l’autre était disposé de manière que son axe fût horizontal et orienté par une girouette de manière à se trouver dans le plan vertical mené par la direction du vent. Si l’on admet que la vitesse de rotation des moulinets employés est proportionnelle à la composante de la vitesse du vent perpendiculaire à leur axe. le premier donne la composante horizontale, le second la composante verticale sans toutefois indiquer si elle est ascendante ou descendante et l’on peut déterminer l’inchinaison moyenne du vent sur l’horizon -par la formule simple = — tang 1, si l’on représente par # la composante horizontale et par æ la composante verticale. Après avoir fonctionné de 1840 à 1878 environ, ce dispositif fut mis hors d’usage par une violente tempête et les moulinets primitifs furent remplacés par des moulinets Robinson.

À la suite du Congrès météorologique international tenu à Rome en avril 1870, le P. Mare Dechevrens, alors directeur de l'Observatoire de Zi-Ka-Weï, se préoccupa d'établir un instrument capable de donner l’inclinaison du vent sur J’horizon. Il crut tout d’abord avoir trouvé la solution du problème par l'emploi d’une girouette à axe horizontal, aussi bien équilibrée que possible et orientée par une girouette ordinaire de manière que son axe fût toujours perpendiculaire à la direction du vent (2). Malheureusement, on fut rapidement obligé de renoncer à son emploi, l'équilibre étant détruit par les précipitations, pluie, neige, rosée, ete.

Quelques années plus tard, Garrigou-Lagrange décrivait un système de oirouette différent, capable d’indiquer si le vent était ascendant ou descendant (*). S

Ayant bientôt reconnu les inconvénients de ce dispositif, il eut l’idée de

() Annuario della Socieà Meteorologica italiana, t. 1, 1878, p. 201.

(2) P. Marc Decnevrens, Sur l’inclinaison des vents, nouvelle girouette pour observer celte inclinaison (Zi-Ka-Wei, 1881).

(3) Garricou-LagrancGr, Note sur la girouette verticale et sur les courants ascendants de l'air (Ann. Soc. Mé. de France, t. XXXIII, 1885, p. 185).

recourir, pour déceler les courants ascendants et descendants, à l’emploï d’un moulinet à Cailettes planes formant hélice » placé sur un axe vertical. Mais ce n’est que l’année suivante qu’il put réaliser le dispositif lui permettant d’enregistrer les mouvements de rotation tantôt dans un sens, tantôt en sens contraire, que prend le moulinet suivant que le vent est ascendant ou descendant. Entre temps il s’était servi pour enregistrer les mouvements verticaux de Pair d’une plaque de pression disposée horizontalement (1).

Cependant le P. Dechevrens poursuivait ses recherches et arrêtait son choix pour la mesure de linclinaison du vent sur le moulinet à axe vertical et à palettes planes inclinées à 459 auquel il donnait le nom de clino-anémomètre (?).

On pensait couramment à cette époque que la pression du vent sur une surface plane inclinée était proportionnelle au carré de la composante du vent normale à cette surface. Il se crut donc autorisé à admettre que la vitesse de rotation de son moulinet était proportionnelle à la composante de la vitesse du vent parallèle à son axe, le sens de la rotation étant fonction du signe de linclinaison. Il suffisait alors pour connaître l’inclinaison du vent d’enregistrer d’une part la composante horizontale de la vitesse, et d’autre part la vitesse de rotation du clino-anémomètre et son signe après avoir déterminé sous l’incidence 90° le facteur anémométrique de ce dernier. On obtenait ainsi les éléments nécessaires au calcul de l’inclinaison, la composante horizontale # et la

composante verticale æ de la vitesse du vent. L’inclinaison s’en déduisait immé-

. . (LA diatement par la formule tang t — ee

Dès 1887, le P. Dechevrens publiait les résultats de la première année d’observations et constatait une prédominance très nette des courants ascendants sur les courants descendants. L'emploi de la girouette d’inclinaison l’avait précédemment conduit à un résultat analogue (?).

Des observations entreprises à l’aide du clino-anémomètre plus ou moins modifié à Manille, à Blue-Hill, à Odessa, à Lyon, au sommet de la tour Eiffel et à Jersey ont conduit à la même constatation. Partout, d’après les mesures faites à l’aide de cet instrument, l’air au lieu de s’écouler horizontalement aurait en moyenne et dans tous les mois de l’année une inclinaison positive et serait animé d’une vitesse dont la composante dirigée de bas en haut est loin d’être négligeable. À Jersey, par exemple, elle serait en moyenne annuelle de 0,3 par seconde (“).

Ce résultat paradoxal, dont aucune explication plausible ne paraît avoir été

() Ann. Soc. Méë. de France, t. XXXIV, 1886, p. 50, et t. XXXV, 1887, p. 124... {:) P. Mare Decnevrens, L’'inclinaison des vents, deuxième Note (Zi-Ka-Wei, 1886).

(5) L'inclinaison de vents sur l'horizon, troisième Note (Zi-Ka-Wei, 1885). () P. Mare Decuevrexs, L'inclinaison du v.nt sur l'horizon (Rome, 1906).

donnée jusqu’à présent, découragea la plupart des chercheurs et les observations furent interrompues partout sauf à Jersey où le P. Dechevrens les a poursuivies avec une persévérance inlassable,

Les expériences discutées ci-dessus et le fait bien connu de l’augmentation de la vitesse du vent avec la hauteur au-dessus du sol permettent de jeter quelque lumière sur cette question.

Nous avons vu que le vent naturel n’est pas constitué par un courant formé de filets parallèles animés tous d’une même vitesse uniforme. L'observation du clino-anémomètre montre que souvent les rotations positives succèdent très rapidement aux rotations négatives et oice versa. Une surface horizontale donnée, prise à une certaine hauteur z dans l'atmosphère, est done traversée par des remous tantôt dirigés vers le haut, tantôt dirigés vers le bas. Dire qu’en moyenne le vent au niveau z a soufflé horizontalement pendant un temps donné signifie que la composante verticale moyenne de la vitesse du vent dirigée de bas en haut w, a été pendant cet intervalle égale à la composante moyenne w, dirigée de haut en bas.

Nous allons démontrer que dans ces conditions la girouette d’inclinaison doit donner pour l’inclhinaison moyenne du courant réellement horizontal une valeur positive.

Soit ?, la composante horizontale moyenne de la vitesse du vent au niveau z où est installée la girouette. Les courants ascendants proviennent d’un niveau inférieur 3, où la composante horizontale de la vitesse du vent »., est inférieure à #,, puisque l’on sait que la vitesse du vent croît très rapidement avec la hauteur dans les couches basses. Les courants descendants proviendront d’un niveau moyen z, où la composante horizontale #, sera supérieure à #,. Si nous admettons que #, = w,, c’est-à-dire que le courant est en moyenne horizontal, nous aurons pour calculer la valeur moyenne de l’inclinaison positive 1, (courants ascendants) et de l’inclinaison négative 1, (courants descendants) les expressions suivantes :

, w, ; w tango — Fat tanoute= ST

comme #, — #,, On a ang re,

lang t, P,

o., étant supérieur à ?., 1l S’ensuit que 4, est plus grand que :,. Donc, dans un courant qui reste en moyenne horizontal, une girouette d’inclimaison placée 3 une hauteur de l’ordre de celle où sont en général installés ces instruments doit indiquer une inclinaison moyenne positive. C’est là une conséquence directe de la loi qui préside à la distribution verticale des vitesses du vent dans les

couches d’air voisines du sol. On ne peut donc invoquer les observations faites

à l’aide de la girouette verticale pour affirmer que l’air est en moyenne animé d’un mouvement ascendant.

: Si hypothèse sur laquelle repose l’emploi du clino-anémomètre était exacte, c’est-à-dire si cet appareil était sensible exactement à la composante de la vitesse du vent dirigée suivant son axe, la variation de la vitesse du vent avec la hauteur n'aurait aucune importance et dans un intervalle où le vent aurait en moyenne soufflé horizontalement la somme des révolutions effectuées par Île moulinet dans le sens positif serait égale à celle des révolutions négatives enreoistrées pendant le même temps. Mais, comme nous l’avons vu en étudiant le moulinet À, cette hypothèse est loin de correspondre à la réalité. En fait, la vitesse de rotation du clino-anémomètre, au lieu d’être proportionnelle à la composante verticale de la vitesse du vent, est proportionnelle à une fraction de cette composante, d'autant plus petite que l’inclinaison du vent sur l'horizon est plus faible. Voici pour le moulinet A les valeurs de cette fraction pour des

inclinaisons variant de 10° en 10° dans un courant dont la vitesse est égale

AP O Fraction de la composante verticale Inclinaison indiquée du vent sur l’horizon. par le moulinel A.

(eo)

OO TAN M ST RS IN CRC ARE PET Ter 1,00 COR Re me Tee Et ele 1,00 OR DE SU DEC D SR 0,97 OO Eee Re te PA RAM R TERRE EE 0,94 DO tre ane ee MA re Re AE 0,86 OS a D EE PNR D à Er EU ce 070 DORE TBE US PT TMS RE ER 0,064 DD ab ho a tb 0e PROD AR TS DOTE ER ae 0,58 PES SE 0 DO DID TE PE TT OT 0206 PR PE DO en Go di Dot DE TE 0,00

De ce Tableau 1l résulte que les mesures de composante verticale faites à l’aide de moulinets du genre employé pour la réalisation de l’organe sensible du clino-anémomètre doivent conduire à trouver qu’un courant, parfaitement horizontal en moyenne, possède une composante verticale dirigée vers le haut, puisque l’inchinaison moyenne des courants ascendants est plus forte que celle des courants descendants par suite de l'accroissement rapide que subit la vitesse du vent quand on s’élève dans l’atmosphère.

Une autre constatation s'impose. Si l’on considère séparément les valeurs mesurées pour la composante ascendante et la composante descendante, elles doivent être de beaucoup inférieures à la réalité. Pour des inclinaisons comprises entre 300 et 409, le déficit doit être en gros de 30 pour 100. Le clinoanémomètre doit done conduire à des valeurs trop faibles de l’inclinaison des

courants ascendants et des courants descendants examinés isolément. Cet effet

est encore exagéré si l’on mesure la composante horizontale soit avec un moulinet à hémicylindres, soit avec un moulinet Robinson, puisque ces appareils donnent des indications notablement supérieures à la valeur de la composante horizontale même pour des inclinaisons atteignant 450

On pourrait croire qu'il suflirait pour remédier à ces défauts d’entourer le moulinet d’un cylindre à axe vertical. Cet essai, qu’il était indispensable de faire, a été tenté à la Tour Eiffel par M. Angot. Mais le moulinet, protégé par son cylindre, a indiqué comme les moulinets non protégés une prépondérance très nette de la composante ascendante. Il faut done, ou bien que cette prépondérance existe réellement, ou bien que le cylindre ne canalise pas parallèlement à son axe la composante verticale des mouvements de l’air. L’expérience m'a montré que c’est à la seconde hypothèse qu'il faut s’arrêter en attendant que l'existence réelle de Pexcès de la composante ascendante sur la composante descendante ait été démontrée par une autre méthode.

En effet, sous l'incidence 459, le facteur anémométrique du moulinet a, qui est entouré par un cylindre, est 0,389 dans un courant d’air dont la vitesse atteint 14, Si le cylindre remplissait le rôle qu’on est porté à lui attribuer a priori, ce facteur devrait avoir comme valeur 0,320. La vitesse de rotation mesurée est donc 1,21 fois plus faible que celle qui correspond à la composante du vent suivant l’axe du cylindre, axe qui coïncide avec celui du moulinet. Or, pour le moulinet À, expérimenté sans cylindre protecteur, le facteur anémométrique mesuré sous l'incidence 45° dans un courant d’air de vitesse égale à 12,9 est 1,80, soit 1,25 fois plus fort que celui qui devrait exister (1,44) si la vitesse de rotation de cet organe était proportionnelle à la composante du courant suivant son axe. On voit done que l’on ne peut pas compter sur lefficacité d’un cylindre de protection pour résoudre la difficulté.

Nous terminerons en examinant les conséquences qui découlent de nos expériences au point de vue de la mesure de la direction du vent à l’aide des girouettes à moulinet. Dans les instruments de cette espèce (girouette de Piazzi-Smith, inclinomètre Dechevrens), le moulinet, muni d’ailettes planes ou gauches, attaqué par le vent suivant un certain angle, se met à tourner, et son mouvement de rotation est employé à déplacer son axe autour d’un support convenablement disposé, de manière à ramener cet axe à être perpendiculaire à la direction du courant. On a admis jusqu’à présent que le mouvement de rotation se continue jusqu’au moment où le plan du moulinet est parallèle à la direction du vent. Or nous avons vu que les organes de ce genre ne sont mis en mouvement par un courant d’air même fort que lorsque celui-ci fait avec leur plan un angle supérieur à 9° (moulinet A). On ne peut donc avoir la prétention de déterminer, avec des appareils basés sur ce principe, la direction ou l’inclinaison du vent

avec une approximation supérieure au + de circonférence. Cette approximation,

considérée généralement comme tolérable quand il s’agit de la direction, ne paraît pas suffisante quand on veut mesurer linclinaison. L’inclinomètre à moulinet est done encore moins apte que la girouette verticale à nous renseigner sur la valeur moyenne réelle de l’inclinaison des courants aériens. D'ailleurs, en supposant que ses indications fussent suflisamment précises, il ne pourrait conduire à des résultats différents de ceux que fournit cette dernière. [l mesurerait, comme nous l’avons montré plus haut, une inclinaison apparente, conséquence directe de l’accroissement de la vitesse du vent avec la hauteur, qui, en se superposant au phénomène réel, peut le masquer en partie, sinon en totalité.

Dans l’état actuel des choses, il semble donc qu’il n’y a pas lieu de chercher à expliquer par des considérations plus ou moins compliquées le fait paradoxal mis en évidence par les mesures continues de l’inclinaison du vent réalisées à l’aide du clino-anémomètre ou de la girouette d’inclinaison. Il faut tout d’abord reprendre la mesure de la composante verticale par un procédé plus précis et vérifier la réalité physique d’un fait qui peut très bien provenir uniquement

des causes que nous venons de signaler.