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Le thermomètre à renversement

Les travaux perdus de Georges Aimé

En 1838 arrivait à Alger un jeune enseignant de 28 ans, qui cherchait outre-mer à fuir la routine d'un poste d'enseignant proposé à Abbeville. Georges Aimé, qui avait été un élève déplorable à l'Ecole Normale Supérieure de Nancy, allait révéler sur ce terrain algérien un intérêt profond pour la mer et surtout des dispositions remarquables pour la recherche et l'instrumentation. Parallèlement à son travail de professeur de physique au collège d'Alger, il entreprit de nombreux travaux scientifiques sur la Méditerranée, pour lesquels il concevait et fabriquait lui-même des appareils de mesure en fonction des besoins spécifiques. Sans doute peu au fait des développements spécialisés de l'océanographie naissante, mais très brillant, inventif et habile, Aimé fut un précurseur à plusieurs titres, notamment en matière de thermomètres.

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Le "thermométrographe" d'Aimé, dérivé du thermomètre de Six
(Source :
NOAA)

Après avoir amélioré le thermomètre mini-maxi de Six, il en reprit le principe et l'associa à celui du thermomètre à déversement, pour inventer un instrument qui isolait un volume de mercure indiquant la température du point de mesure sans perturbation par la variation de température lors de la remontée à la surface. Pour déclencher ce déversement, il eut l'idée de faire basculer le thermomètre sous l'effet d'un messager, objet métallique lâché du bord et glissant le long du câble. Il a enfin conçu et réalisé en 1844 des thermomètres protégés de la pression en les enveloppant entièrement dans des tubes de verre scellés ; il a également évalué l'erreur de lecture provenant, jusqu'à 100 atmosphères, d'appareils non protégés contre la pression.

Tous les instruments qu'il utilisa ou mit au point lui permirent d'apporter une riche moisson de connaissances nouvelles sur les marées, la bathymétrie profonde, la température des masses d'eau, les courants, les vagues, etc., Ces résultats ne firent pas l'objet de publications scientifiques car Aimé travaillait seul et se souciait peu de diffuser ses travaux ; il publia cependant en 1846 un ouvrage de synthèse intitulé "Recherches de physique sur la Méditerranée". Malheureusement, il mourut d'un accident quelques mois plus tard, et ses travaux restèrent complètement ignorés, faute d'une communauté scientifique française tournée vers la mer, et de reconnaissance d'un chercheur indépendant et discret qui n'avait jamais cherché à se faire connaître. C'est ainsi que l'océanographie a perdu trois décennies dans sa progression, en restant confrontée aux limites des thermomètres de Six jusqu'aux premiers prototypes de la nouvelle génération de Negretti et Zambra.

Un précurseur inattendu : le thermomètre médical

L'observation d'une température corporelle élevée lors de certains états pathologiques est très ancienne, et un usage médical de thermomètres a été attesté dès le début du 18ème siècle. Mais ces instruments étaient très volumineux, et ne gardaient pas la lecture de la température. Un progrès décisif a été accompli en 1852 lorsque Aitkin conçut un thermomètre capable de maintenir visible le niveau maximum atteint par le liquide.

C'est ce thermomètre médical à maximum qui allait indirectement donner naissance au seul thermomètre exclusivement océanographique, grâce au principe de l'étranglement du tube de verre et de la rupture de la colonne de mercure. En effet, le thermomètre d'Aitkin, comme les thermomètres médicaux actuels, comporte au-dessus du réservoir un étranglement où le tube de verre devient extrêmement fin. Lorsque la température augmente, le liquide se dilate et monte dans le tube en passant par l'étranglement sous l'effet de la pression dans le réservoir. Par contre, lorsqu'elle diminue, la pression négative due à la contraction du liquide n'est pas suffisante pour forcer son passage dans l'étranglement : la colonne de liquide se rompt à ce niveau, et la partie située au-dessus reste en place sans être affectée par la contraction dans le réservoir. La température maximale atteinte reste donc lisible sur l'échelle du thermomètre.

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Etranglement du capillaire dans un thermomètre médical moderne
(Source :
Wikipedia)

Ce thermomètre à maximum ne satisfaisait évidemment pas les besoins des océanographes, mais le mécanisme de l'étranglement du tube de verre pouvait être repris pour scinder la colonne de mercure et en isoler une partie, de volume proportionnel à la température mesurée.

Les premiers thermomètres à renversement

Décembre 1872 vit partir la corvette britannique HMS Challenger, dont le voyage de plus de trois ans marqua un tournant décisif dans l'histoire de l'océanographie car ce fut la première expédition autour du monde dont le but était exclusivement scientifique, sous les auspices de la Royal Society. Le Challenger emportait dans ses laboratoires une centaine de thermomètres mini-maxi Miller-Casella, les seuls disponibles malgré les inconvénients observés pendant la campagne du Lightning en Atlantique nord en 1868.

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Lecture des thermomètres à bord du Challenger
(Source :
NOAA)

Quelques mois plus tard, Negretti et Zambra décrivirent devant la Royal Society un thermomètre de la même forme en U que celui de Six (bien que renversé), mais fonctionnant sur un principe radicalement différent qui lui permettait de mesurer et conserver la température d'une profondeur donnée. Le thermomètre ne contenait que du mercure ; au-dessus du réservoir, le tube présentait un étranglement, puis se recourbait vers la branche descendante qui était graduée.

 

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A partir de cette position initiale, le retournement du thermomètre (un demi-tour) faisait se rompre la colonne de mercure au niveau de l'étranglement : tout le mercure situé au-dessus de ce niveau (dont le volume dépendait de la température) s'écoulait dans la boucle du U, dont le diamètre était élargi pour faciliter son passage. Si la rotation du thermomètre continuait dans le même sens (un tour complet), ce mercure passait dans l'autre branche et la remplissait jusqu'à un niveau proportionnel à la température de retournement, permettant ainsi la graduation et donc la lecture. La remontée à la surface du thermomètre ainsi retourné pouvait conduire à une dilatation du mercure du réservoir, mais celui-ci passait au-dessus de l'étranglement sans pouvoir s'ajouter à celui de l'autre branche : la mesure était donc conservée quelle que soit la température ou les mouvements du thermomètre.

Tirant les enseignements de leur conflit avec Casella, Negretti et Zambra brevetèrent leur invention en janvier 1874 ; plusieurs exemplaires en furent envoyés pour essais aux savants du Challenger un an après, mais ne donnèrent pas entièrement satisfaction. Les deux inventeurs se remirent au travail et produisirent en 1878 une version simplifiée qui ne nécessitait plus qu'un demi-tour, ce qui simplifiait le mécanisme de retournement à distance. Ce thermomètre était l'ancêtre direct de tous ceux qui furent utilisés pendant un siècle : il n'avait qu'un tube non recourbé en U, qui comportait successivement (de bas en haut, avant retournement) le réservoir, l'étranglement, une partie contournée en S, une partie rectiligne graduée à l'envers, le petit réservoir secondaire. Lors du retournement, tout le mercure situé initialement au-dessus de l'étranglement s'écoulait dans le réservoir secondaire et la partie rectiligne, dont la graduation pouvait se lire à l'endroit.

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Un des premiers modèles à retournement à 180° de Negretti et Zambra
(Source :
NOAA)

La généralisation du thermomètre à renversement

Pendant une quinzaine d'années, Negretti et Zambra furent les seuls à fabriquer ces thermomètres, auxquels ils apportèrent une série d'améliorations. A partir du début des années 1890, plusieurs autres constructeurs proposèrent des modèles peu différents, en France (Victor Chabaud, Alphonse Hemot, Dumaige) et au Danemark (Martin Knudsen).

 

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Quelques modèles de thermomètres à renversement,
depuis Negretti et Zambra (à g.) jusqu'à Richter et Wiese (à d.)

(Source :
NOAA)

La forme la plus aboutie du thermomètre à renversement fut réalisée au tournant du siècle par la firme Richter et Wiese, de Berlin, qui eut le quasi monopole de sa fabrication dans les années 1930. C'est celle qui fut reprise par tous les autres constructeurs allemands (Kurt Gohla, Fritz Kohler, Schmidt et Vossberg), américains (Kahl, Kessler), japonais (Yoshino, Watanabe), et bien sûr par Negretti et Zambra eux-mêmes. Par rapport à la version initiale de ces derniers, elle avait plusieurs éléments nouveaux :
- un cul-de-sac très fin qui facilitait la rupture de la colonne de mercure
- un enroulement à 360° du tube qui servait de siphon
- un thermomètre auxiliaire

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Détail de la partie inférieure de la colonne de mercure, avant retournement
De bas en haut : sortie du réservoir principal, étranglement, cul-de-sac,
enroulement à 360° avec son élargissement, début de la colonne verticale
Thermomètre Negretti et Zambra du Shom (photo B. Gobert)

Le thermomètre est maintenu quelques minutes à la profondeur désirée pour s'équilibrer à la température ambiante, puis renversé par un mécanisme actionné depuis le bateau. Lors du renversement, le mercure commence à se détacher du verre à l'extrémité du cul-de-sac dès que la pression hydrostatique ne l'y maintient plus, avant même que le thermomètre soit à l'horizontale. La poursuite du mouvement finit de vider le cul-de-sac et provoque la rupture de la continuité du mercure au niveau de l'étranglement. Le mercure ainsi libéré s'écoule par gravite jusqu'à remplir le petit réservoir secondaire et la colonne graduée qui le surmonte.

La rupture de la colonne de mercure au cours du renversement (photos B. Gobert)
Télécharger la vidéo (fichier .avi, durée 18 s, taille 1,75 Mo)

Lorsqu'il remonte, le thermomètre retourné se réchauffe et le mercure resté emprisonné dans le réservoir principal (désormais situé en haut) se dilate : une certaine quantité franchit donc l'étranglement vers le bas, et viendrait s'ajouter au mercure isolé par le retournement (faussant donc la mesure) si le siphon ne la piégeait pas dans son tube élargi. Une autre conséquence de ce réchauffement est que le mercure destiné à la mesure se dilate lui aussi entre le moment du retournement et celui de la lecture, qui est donc systématiquement surestimée. Le rapport entre le volume du réservoir secondaire et le diamètre du tube gradué qui le surmonte est tel quel la variation de hauteur due à cette dilatation est très inférieure à celle du thermomètre non renversé (le réservoir principal est beaucoup plus volumineux). Néanmoins l'erreur (de l'ordre de 0,02°C par degré de différence entre les températures de mesure et de lecture) est inacceptable par rapport à la précision du thermomètre lui-même : elle serait ainsi d'environ 0,4°C pour la lecture à 25°C d'une température mesurée de 5°C. Pour la corriger, la lecture n'est pas faite avant que le thermomètre se soit stabilisé à la température ambiante du laboratoire, lue sur le thermomètre auxiliaire situé à côté du thermomètre principal. La différence entre les températures lues sur ces deux thermomètres permet de calculer, à l'aide de tables fournies par le constructeur, la correction à apporter à la mesure.

Une fois la forme définitive apportée par Richter et Wiese, l'amélioration des thermomètre à renversement a consisté en une course à la précision et à l'exactitude. Outre la correction due au réchauffement, celle-ci revêtait différents aspects :
- la précision de la graduation : des premiers thermomètres de Negretti et Zambra gradués au degré puis au demi-degré, on est arrivé dans les années 1930 à une graduation standard de 0,1°C. Des thermomètres encore plus précis (graduation jusqu'à 0,01°C) ont été réalisés par Richter et Wiese pour des mesures dans des gammes très étroites de température ; même avec une plage de 3°C, le thermomètre devait être de plus grande taille pour que la lecture soit possible à cette précision.
- la correction des irrégularités du capillaire contenant le mercure : ne pouvant garantir une constance absolue du diamètre, les constructeurs testaient chaque instrument (pièce unique numérotée) et fournissaient un certificat indiquant la correction à apporter dans les différentes plages de lecture. Cette pratique existait dès la fin du 19ème siècle avec des corrections de l'ordre du dixième de degré ; elle a ensuite été exprimée en centièmes de degré, comprise le plus souvent entre 0 et ± 0,02°C.
- la précision de la lecture : celle-ci était inférieure à l'unité de graduation, et se faisait à l'aide d'une loupe spéciale qui permettait en général d'obtenir le dixième de la plus petite unité de graduation, c'est-à-dire 0,01°C pour un thermomètre gradué à 0,1°C. La mesure était la moyenne de plusieurs lecture faites indépendamment par différentes personnes, et une attention particulière était portée à éviter les erreurs de parallaxe.

 

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Lecture du thermomètre à renversement
(Photo IRD)

La précision de ces thermomètres a aussi été utilisée, indirectement, pour améliorer celle de la profondeur de mesure. Le câble supportant les thermomètres était soumis à l'action des courants à différentes profondeurs, et le bateau dérivait sous l'effet du vent ou du courant de surface. Le câble était donc très loin de la verticale, et la longueur filée était une mesure biaisée de la profondeur d'immersion des instruments. Dès les premières années du 20ème siècle, et de façon courante à partir des années 1930, l'effet de la pression sur les thermomètres fut utilisé pour calculer précisément la profondeur au point de mesure. On utilisait pour ça deux thermomètres à renversement mis côte à côte, l'un protégé et l'autre non. La différence entre les deux lectures, due uniquement à la pression exercée sur le réservoir de l'un et pas de l'autre, était convertie en profondeur grâce aux indications du constructeur des thermomètres non protégés. Une valeur classique d'écart entre les deux lectures était de 0,09°C par atmosphère (correspondant à 10 m d'épaisseur d'eau).

Les dispositifs de retournement

Un problème majeur était bien sûr d'assurer le retournement du thermomètre à la profondeur désirée. Même après le passage du tour complet nécessaire pour le premier thermomètre de Negretti et Zambra au demi-tour de tous les autres, cela représentait un sérieux défi technique.

Plusieurs pistes ont été explorées jusqu'à ce que la solution vienne des dispositifs de prélèvement d'eau profonde. La plus simple était attacher le thermomètre par une de ses extrémités à la ligne descendue du bateau : maintenu par le frottement de l'eau à la descente, il ne se renversait qu'à l'arrêt de celle-ci. Un autre système testé sur le Challenger reposait sur la rotation d'une hélice à axe vertical au début de la remontée : le déplacement de cet axe monté sur un pas de vis libérait peu après le thermomètre, qui se retournait autour d'un axe horizontal en reprenant une position d'équilibre. La réussite de l'opération dépendait cependant de la rotation de l'hélice, qui pouvait être grippée ou bloquée par une algue.

Différents dispositifs de retournement des thermomètres,
à 360° (à gauche) et à 180° (au milieu et à droite)

(Sources, de g. à d. : Deacon et al., 2001 ; Scripps ; NOAA)

La solution est venue d'un autre besoin de commande à distance, issu des tout débuts de l'océanographie à la fin du 17ème siècle : celui de prélever de l'eau à une profondeur voulue pour l'analyser sur le bateau. A la fin du 19ème siècle, les matériaux et les techniques de construction permirent enfin de mettre au point des bouteilles de prélèvement étanches, dont la fermeture était commandée par l'envoi d'un messager, objet métallique coulissant sur le câble. L'association d'un mécanisme assurant à la fois la fermeture de la bouteille et son basculement autour d'un axe permit d'assurer de façon sûre le renversement des thermomètres. Un même messager ne pouvait déclencher toutes les bouteilles d'une filière car il restait bloqué au-dessus de la première ; c'est pourquoi le basculement d'une bouteille libérait un autre messager destiné à déclencher la bouteille suivante.

Bouteilles à rennversement : modèle mis au point par F. Nansen en 1912,
et utilisation dans les années 1960 à bord du navire ORSOM-II

(photos : NOAA, IRD)

Ce système a été utilisé sur tous les navires océanographiques pendant des décennies, jusqu'à ce qu'il soit simplifié avec une rotation du seul support des thermomètres, sur des bouteilles se fermant sans basculement.

Les limites des thermomètres à renversement

Les thermomètres à renversement étaient des bijoux de verre et de mercure, fruit d'un savoir-faire manuel exceptionnel et difficile à imaginer aujourd'hui. Mais les progrès extrêmement importants des connaissances et des théories que l'océanographie physique a fait grâce à eux ont fait évoluer les besoins des scientifiques bien au-delà de ce que leurs thermomètres pouvaient fournir en matière de précision, de couverture spatiotemporelle et de coût.

Après avoir été longtemps débattu parmi les savants, le rôle de la densité de l'eau de mer dans la circulation océanique était pleinement reconnu et, même à 0,01°C, la précision de la mesure de la température devenait un facteur limitant pour les calculs de densité, notamment dans les eaux profondes.

Les scientifiques déploraient de plus en plus le caractère ponctuel des mesures, que ce soit dans le temps ou dans l'espace (horizontal ou vertical). Des mois voire des années pouvaient séparer deux campagnes dans une même zone, un compromis devait toujours être trouvé entre le nombre de stations hydrologiques et leur espacement, et la répartition des bouteilles le long d'une filière laissait dans l'ombre tout ce qui se passait entre leurs niveaux d'immersion. Des structures apparaissaient à travers un maillage très lâche de mesures, sans qu'une simple interpolation puisse permettre d'en savoir plus.

Enfin, au milieu du 20ème siècle, le coût du temps passé en mer devenait un facteur d'importance croissante : chaque station nécessitait plusieurs heures d'immobilisation du navire, pour ne fournir qu'une nombre très limité de mesures.

Ces contraintes sont apparues progressivement, sans que des tentatives semblent avoir eu lieu de faire entrer les thermomètres de verre et de mercure dans une autre étape de leur développement : sans doute avaient-ils, avec le modèle de Richter et Wiese, atteint les limites de leur évolution. Les recherches s'orientèrent vers d'autres principes de mesure de la température, avec des dispositifs mécaniques qui malgré leur succès furent rapidement détrônés par l'arrivée de l'électronique.

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