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Le thermomètre mini-maxi

James Six et son invention

James Six (1731-1793) était issu d'une famille de tisserands et de marchands de soie d'origine Wallonne, réfugiés à Canterbury en Angleterre à la fin du 16ème siècle pour fuir les persécutions à l'égard des Protestants. Il avait repris l'affaire familiale mais le contexte devint difficile à cause de la concurrence des soieries importées de Perse et d'Inde à prix inférieur à celles qu'il pouvait fabriquer en Angleterre. Il fut donc contraint de cesser ses activités relativement tôt, ce qui lui permit de se consacrer à des activités scientifique et techniques : machines électriques, astronomie, et surtout météorologie. C'est dans ce domaine que son nom est resté dans l'Histoire, comme l'inventeur en 1782 d'un thermomètre qui est encore couramment utilisé de nos jours sous une forme à peine modifiée : le thermomètre mini-maxi.

Il cherchait à mettre au point un instrument qui permette de garder trace des températures minimale et maximale sans la présence constante d'un observateur. Sa préoccupation était avant tout météorologique : il utilisa notamment son thermomètre pour étudier les variations de température à différentes hauteurs au-dessus du sol, et fit ainsi les premières observations des inversions thermiques nocturnes (du fait du rayonnement du sol, l'air se refroidit plus près de la surface qu'en hauteur). Mais il comprit aussi qu'un tel thermomètre serait également utile à ceux qui s'intéressaient à la mer, où la température la plus froide était généralement atteinte à la profondeur maximale atteinte par l'instrument.

Plusieurs savants s'étaient déjà attaqués au défi conceptuel et technique d'un thermomètre à minimum ou à maximum, mais leurs réalisations n'eurent jamais lieu ou étaient très fragiles, difficiles à utiliser et imprécises. Six conçut son instrument sur deux idées novatrices qui le firent universellement adopter en météorologie comme en océanographie, où il fut pendant près d'un siècle le seul moyen de mesurer la température des couches profondes des océans. Dix ans après avoir présenté sa communication à la Royal Society (soit un an avant sa mort), Six, qui n'avait jamais reçu de formation scientifique formelle, fut élu membre de cette prestigieuse société savante, voyant ainsi consacrés ainsi l'importance de ses travaux et sa place parmi les plus grands savants anglais.

J Six

Admission de J. Six à la Royal Society, le 19 janvier 1792
"Le sieur James Six, gentilhomme bien connu de la Royal Society pour l'invention d'un thermomètre montrant le plus grand degré de chaud et de froid en l'absence de l'observateur et pour quelques communications sur la chaleur qui ont été publiées dans les Philosophical Transactions, étant désireux de devenir membre de la Société, les soussignés le recommandent par leur connaissance personnelle comme méritant hautement cet honneur" (source : Royal Society)

Les deux idées géniales de J. Six

La première idée était que le niveau maximum atteint par le liquide thermométrique pouvait être marqué par un "index" coulissant librement à l'intérieur du tube du thermomètre. Cet index était un tube de verre très fin, hermétiquement scellé et flottant sur la surface du liquide ; il était entouré d'un petit ressort de verre de l'épaisseur d'un cheveu, qui exerçait une légère pression sur la paroi intérieure du thermomètre. L'élévation de la surface du liquide dans le tube faisait monter l'index, qui ne pouvait pas redescendre de lui-même lorsque la température diminuait : il restait donc à la position maximale qu'il avait atteinte. A l'intérieur de l'index, une petite aiguille métallique permettait, à l'aide d'un aimant, de remettre l'index à la surface du liquide pour réinitialiser le thermomètre. Le principe de l'index mobile est encore utilisé, non seulement dans les thermomètres mini-maxi d'usage domestique, mais dans les thermomètres mini et maxi (distincts) des stations météorologiques.

La deuxième idée consistait à trouver un moyen pour que ce principe s'applique non seulement au maximum de température mais aussi au minimum, en obtenant que la diminution de température se traduise aussi par une élévation de la surface du liquide dans le thermomètre. Six a résolu ce problème en utilisant deux liquides différents dans un tube recourbé en forme de U. Le fond du U est occupé par du mercure, avec un index au-dessus de chacune des deux surfaces. Une des branches verticales contient de l'alcool jusqu'au réservoir situé à son extrémité, qu'il remplit complètement : c'est le liquide thermométrique, dont la dilatation ou la contraction permet la mesure de la température. L'autre branche verticale est elle aussi remplie d'alcool, mais sans remplir le tube jusqu'en haut : l'espace ainsi ménagé permet la variation globale du volume de liquide (alcool + mercure + alcool). L'index de la branche comportant le liquide thermométrique marque le minimum (la surface du mercure monte quand la température diminue), l'autre le maximum (la surface du mercure monte quand la température augmente).

 

thermo Sixminimaxi

Le thermomètre de Six (1794) et son homologue contemporain
(Source : Google Books ; photo B. Gobert)

La réalisation technique de ce thermomètre dans les conditions de la fin du 18ème siècle est en elle-même une prouesse ; 24 pages d'instructions détaillées y sont consacrées dans l'ouvrage (publié en 1794, un an après sa mort) que Six a rédigé pour faire la synthèse de ses travaux sur le thermomètre. C'est sans doute pour cette raison que les constructeurs ne l'ont pas réalisé avant le début des années 1790, et même au 19ème siècle elle semblait encore trop longue et complexe pour la plupart des fabricants.

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Le thermomètre de Six en mer

Six avait conçu une version de son thermomètre spécialement adaptée à l'usage en mer, où il pensait que les secousses imprimées par les vagues auraient perturbé le fonctionnement des index. Il avait donc imaginé d'en inverser le principe : les index marquaient le minimum de hauteur et restaient donc immergées dans le mercure, dont la masse dense les protégeait des mouvements brutaux. En réalité la réinitialisation de cet instrument était extrêmement laborieuse, et il n'a jamais été produit commercialement ni utilisé en mer. C'est paradoxalement la version météorologique du thermomètre de Six qui a été adoptée, avec très peu de modifications. Le premier usage océanographique documenté en est la circumnavigation des navires russes Neva et Nadezhda entre 1803 et 1806, et le grand marin et savant W. Scoresby l'utilisa dans les eaux arctiques en 1811.

Cependant, il ne fournissait toujours pas une mesure exacte des températures profondes de la mer. En effet, s'il avait résolu le problème de la remontée du thermomètre vers la surface, Six ne s'était pas attaqué à celui de l'effet qu'il subit de la pression. Chaque tranche de 10 m de profondeur exerce en effet une pression équivalente à celle de la pression atmosphérique : plus le thermomètre est profond, plus la pression sur les parois extérieures du réservoir et du tube en verre est forte et plus ils se contractent, ce qui conduit à une élévation du niveau de liquide sans rapport avec la température donc à une mesure biaisée. A titre d'exemple, chaque tranche de 10 m de profondeur provoquait une surestimation de 0,09°C sur des thermomètres de la génération suivante (thermomètres à renversement) non protégés de la pression, soit une erreur de 9°C à 1000 m de la surface.

Robert Boyle, de la Royal Society, avait démontré expérimentalement le rôle de la pression en 1671, et une nouvelle expérience décisive sur la pression eut lieu en 1833 par Georges-Frédéric Perrot, mais au milieu du 19ème siècle ce problème n'avait pas encore été résolu : aucune table de correction n'avait pu être élaborée, et il n'existait toujours pas de thermomètre protégé de la pression. C'est cet instrument que firent fabriquer deux personnalités scientifiques : le météorologiste James Glaisher (pionnier des mesures en ballon, où il rencontrait également le problème de la pression atmosphérique) et le vice-amiral, météorologiste et hydrographe Robert FitzRoy (qui commandait le navire HMS Beagle sur lequel embarqua Charles Darwin).

Ils s'adressèrent à H. Negretti et J. W. Zambra, qui venaient de s'associer en 1850 à Londres, fondant une société qui allait peu à peu devenir une référence en matière d'instruments scientifiques et être choisie comme fournisseur officiel par le Prince Albert de Monaco, l'Observatoire Royal et l'Amirauté britanniques. Negretti et Zambra fabriquèrent en 1857 pour la Royal Navy une cinquantaine d'exemplaires d'un thermomètre de Six "protégé de la pression", dont le principe était d'enfermer de façon hermétique le réservoir dans une gaine de verre partiellement remplie (sous vide) de mercure. Le rôle du mercure était de faciliter la conduction thermique et de compenser (par évaporation plus ou moins forte) la variation de pression extérieure. Le thermomètre fabriqué par Negretti et Zambra permettait enfin d'obtenir une mesure non biaisée de la température des eaux profondes, ce qui fut démontré par la suite avec des tests effectués dans une chambre de pression.

Mais sa carrière fut brève, faute d'avoir été breveté et largement promu parmi les savants. Lorsque l'intérêt scientifique se porta sur la faune des grandes profondeurs (dont l'existence était encore contestée), les zoologistes ignoraient l'instrument tout récemment créé pour les météorologues et hydrographes ; le vice-président de la Royal Society, W. Miller, sollicita un fabricant d'instruments lui aussi d'origine italienne, établi à Londres depuis 1799. L. Casella conçut, semble-t-il de façon indépendante, un thermomètre à peu près identique et en testa le fonctionnement dans une enceinte soumise à très haute pression. Décrit en 1869 devant la Royal Society et faisant l'objet d'une large publicité par les catalogues et les expositions commerciales, le "Miller-Casella" détrôna rapidement le "Negretti-Zambra", ce qui donna lieu en 1873 à une âpre polémique dans les colonnes de la toute récente revue scientifique Nature, créée quatre ans auparavant. Negretti et Zambra prirent cependant leur revanche peu après, en prenant le leadership de la troisième génération des thermomètres océanographiques.

 

 

Les limites du thermomètre de Six

En effet, même dans ses versions protégées de la pression, le thermomètre de Six était loin de pouvoir satisfaire les besoins croissants d'une communauté scientifique qui, au cours du troisième quart du 19ème siècle, commençait à se spécialiser en disciplines, à s'organiser en laboratoires et à disposer de moyens importants. C'est ainsi que le naturaliste écossais Charles Wyville Thomson, qui l'avait utilisé au cours de plusieurs campagnes d'exploration des eaux profondes de l'Atlantique nord et de Méditerranée, le jugeait "non satisfaisant pour des usages scientifiques" ; dans son ouvrage "Depths of the sea" paru en 1873, il résumait ses défauts de construction et de conception.

Le tube étant assez large (pour pouvoir contenir l'index mobile), des mouvements brusques ou même une position horizontale du thermomètre pouvaient provoquer le passage de gouttes d'un des deux liquides (alcool et mercure) dans l'autre, et fausser les mesures. Par ailleurs, il était difficile d'être absolument certain de la fiabilité du comportement de l'index, qui dépendait de la résistance que son mécanisme très délicat opposait au déplacement à l'intérieur du tube : ajusté de façon trop serrée, il n'atteignait pas sa position maximale, et de façon trop lâche, il ne s'y maintenait pas et redescendait en même temps que le mercure. Des mouvements indésirables de l'index étaient d'autant plus probables que le thermomètre était soumis à des mouvements verticaux brusques, ce qui était fréquent dans les conditions de travail à la mer.

L'usage océanographique du thermomètre de Six avait en outre l'inconvénient plus fondamental de reposer sur l'hypothèse d'une décroissance continue de la température depuis la surface (maximum) jusqu'au fond (minimum). Deux situations pouvaient rendre son utilisation impossible, ou sujette à des erreurs indétectables. Un thermomètre mini-maxi ne fonctionne que s'il est réinitialisé et lu à une température intermédiaire, inférieure au maximum enregistré pendant la période d'observation et supérieure au minimum. Dans les régions tropicales, l'air peut être plus chaud que la surface de l'océan ; le maximum indiqué par le thermomètre indique alors la température de l'air et pas celle de l'eau. Une simple mesure en surface suffit à corriger ce problème, mais la situation est sans issue si c'est la température minimale qui est dans l'air et pas dans l'eau, ce qui peut arriver dans les régions polaires. Une autre situation où le thermomètre de Six était inopérant est celle où la température ne diminue pas de façon continue avec la profondeur mais augmente dans certaines gammes de profondeur. Malgré l'absence d'instruments assez perfectionnés pour les étudier en détail, de telles inversions de température avaient été découvertes dans les eaux antarctiques par différentes expéditions, à la suite du deuxième voyage de Cook entre 1772 et 1775. Dans ces régions, l'eau de surface, froide mais très peu salée, est moins dense que l'eau sous-jacente : le maximum de température est donc atteint à une profondeur intermédiaire.

L'attente était donc grande chez les scientifiques d'un vrai thermomètre océanographique qui n'enregistrerait pas un minimum ou un maximum sur l'ensemble de la colonne d'eau, mais bien la température exacte à la profondeur choisie. C'est ce défi qu'un jeune Français, Georges Aimé releva en 1844 dans l'indifférence générale, avant que le problème soit repris par Negretti et Zambra au début des années 1870 en s'appuyant sur des avancées techniques dans d'autres domaines.

Pour aller plus loin sur la Toile...

James Six, 1794. The Construction and Use of a Thermometer for Showing the Extremes of Temperature in the Atmosphere, during the Observer's Absence, together with Experiments and Variations of Local Heat and other Meteorological Observations"

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