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LA MTO Beau fixe !

Avec ses 72 mtres denvergure pour 2400 kg, Solar Impulse (HB-SIB) est une brindille lgre qui doit voguer dans les airs en vitant les courants imptueux des turbulences atmosphriques sous peine de se briser ou de perdre le contrle. Tous ces lments montrent bien que la mto et sa prvision sont les cls fondamentales de la russite dans ce dfi indit !

Cette fiche va te donner les lments ncessaires pour comprendre les principaux phnomnes mtorologiques, pour dcoder les grandes lignes des prvisions et pour construire les lments de ta station mto !

Projet : EPFL | dgeo | Solar Impulse

Rdaction : Marie-Nolle Kaempf

Graphisme : Anne-Sylvie Borter, Repro Centre dimpression EPFL

Suivi de projet : Yolande Berga

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UN PRCDENT...

En mars 1999, lquipe de Breitling Orbiter 3 ac-complit lexploit de boucler le tour du monde en ballon sans escale. Cette performance repose, non seulement sur lquipe aux commandes for-me par Bertrand Piccard et Brian Jones, mais aussi sur les mtorologues Pierre Eckert et Luc Trullemans ! En effet, un ballon sans moteur doit se positionner la bonne altitude, parfois au mtre prs, pour se faire entraner par des vents qui le conduisent dans la bonne direction. Cest donc forts de cette exprience que Bertrand Pic-card et son quipe sattaquent ce nouveau dfi.

VOUS AVEZ DIT MTOROLOGIE ?

La mtorologie est la science qui tudie les diffrents paramtres affectant le temps (vents, prcipita-tions, tempratures, etc.) et qui dveloppe des modles pour les prvoir.

Depuis les dbuts de lhistoire humaine, les prvisions mtorologiques rpondent des besoins : les cultivateurs par exemple doivent semer et rcolter aux moments propices, les navigateurs cherchent viter des temptes en pleine mer.

Les premiers relevs mtorologiques remontent plus de trois millnaires en Chine. Beaucoup de temps va scouler jusqu ce que lhomme dpasse la simple prvision due lobservation des vents et des nuages locaux. En effet, pour pouvoir affirmer que les bancs de nuages se dplacent large chelle et avoir la possibilit de savoir quelques jours lavance le temps qui va venir , il faut tre en mesure de connatre le temps quil fait lchelle dun continent. Cest donc avec lapparition de

On se souvient surtout de Edmund Halley (1656 - 1742) pour ses calculs astronomiques qui lui ont permis de prdire le retour de la comte baptise de son nom. Passionn par lastronomie, il se lance dans des voyages pour dcouvrir le ciel austral. Du coup, il prend got lobservation de locan et de ses courants. Il invente la cloche de plonge qui permet deux personnes de descendre plus de 10 mtres et dy rester plusieurs heures. On y renouvelle lair en faisant descendre des tonneaux vides que lon ouvre sous la cloche. Cela permet des travaux de dcouverte et de rparation de digues par exemple. Capitaine, il mne de nombreuses expditions scientifiques dont il ramne une foule dobservations. Cest ainsi quil cartographie les courants ocaniques et les vents.

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Quiz

Attribue linstrument ce quil mesure :

Pluviomtre

Hliomtre

Baromtre

Thermomtre

Anmomtre

Girouette

Hygromtre

Vitesse du vent

Direction du vent

Pression atmosphrique

Prcipitations

Humidit

Rayonnement solaire

Temprature

LE CYCLE DE LEAU

La Terre est entoure dune couche de gaz qui la protge et qui y permet la vie. Selon laltitude la-quelle on se trouve, la temprature et la densit des gaz varient. La limite de latmosphre (exosphre) nest pas nette. Elle monte jusqu une altitude de 10000 km au moins. Selon laltitude, on a attribu des noms diffrents latmosphre.

rseaux de communication rapides (les rseaux tlgraphiques du milieu du 19me sicle) que lon commence faire des prvisions srieuses. Mais ce qui en a considrablement amlior la qualit, ce sont les donnes rcoltes sur toute la surface du globe par les satellites et les modles calculs par de puissants ordinateurs.

La complexit des phnomnes atmosphriques, la difficult de les modliser, ainsi que limpossi-bilit de connatre des facteurs mme mineurs qui peuvent intervenir, ne permettent pas dtablir des prvisions pour le long terme. Des projets comme celui de Breitling Orbiter 3 ont offert la possibilit de tester et damliorer des logiciels novateurs, dont lutilisation sest ensuite gnralise et a t applique dautres domaines. Ainsi les logiciels qui ont permis de diriger le ballon sont toujours utiliss pour suivre les dplacements des pol-luants qui schappent dans latmosphre. Une technologie de pointe va tre mise au service du projet de Solar Impulse. Gageons quil ressortira des expriences accumules bien des applica-tions encore insouponnes !

20

0

40

60

80

100

0 20C-20C-40C-60C-80C

Stratosphre

Troposphre

Msosphre

Thermosphre

Altitude, en km Temprature, en degrs CelsiusLa couche la plus basse, la troposphre est celle qui va nous intresser. En effet, cest dans celle-ci que surviennent les phnomnes mtorolo-giques. Solar Impulse, natteignant pas plus de 10000 m daltitude, va y effectuer son parcours.

La stratosphre absorbe les rayons ultraviolets. Cela explique llvation importante de sa tem-prature avec laltitude. Cest l que se trouve la couche dozone. Pour tudier ce milieu, on a recours gnralement des ballons-sondes. Auguste Piccard (1884 1962), grand-pre de Bertrand, slve plus de 16000 m en ballon, tablissant le record daltitude de vol habit de lpoque.

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LA FORMATION DES NUAGES

Mais comment les nuages se forment-ils ? Lair contient de la vapeur deau. Lorsque la temprature de lair port par des courants ascendants diminue, la vapeur se condense en formant des gouttelettes ou des cristaux.

La lumire du Soleil qui rencontre ces gouttes et ces cristaux est rflchie dans toutes les directions. Par contre, seule la partie bleue de son spectre est largement diffuse lorsquelle passe dans lair. Cest ce qui donne le blanc des nuages, offrant un joli contraste avec le bleu du ciel. Lorsque le nuage est suffisamment pais, la lumire ne pourra pas le traverser, ce qui le rendra sombre, ne laissant rien prsager de bon !

Le Soleil alimente notre plante en nergie. Celle qui parvient la surface rchauffe les ocans, la vg-tation, etc. Leau va svaporer dans latmosphre. Elle se condense en formant les nuages puis regagne le sol sous forme de neige, pluie ou grlons. Cest le cycle de leau aliment par lnergie du Soleil.

inltrationscoulementsouterrain

ruissellement

ocan

lac

condensation

vaporation

vapotranspiration

prcipitationsvapeur deau

nergiesolaire

La msosphre, quant elle, est marque par la dcroissance de la temprature avec laugmentation de laltitude. Cest l que les mtorites se consument. Hors de porte des ballons et trop basse pour que lon puisse y mettre des satellites en orbite, cette couche est la moins bien connue.

Quant la thermosphre, elle contient du dioxygne qui absorbe les ultraviolets de trs courtes lon-gueurs donde. Cela cause une nouvelle hausse de la temprature. Plus haut, on rencontre lexosphre qui est la frontire de lespace. Les particules y sont trs rares et se comportent librement. Certaines schappent vers lespace. Un avion-fuse X-15, conu dans le but de mener des recherches sur les vols trs haute vitesse et trs grande altitude, a conduit son pilote 95900 m une vitesse de pointe de plus de 7200 km/h !

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A SOUFFLE !

Latmosphre est une couche protectrice pour la Terre. Elle permet de rguler les tempratures et de la protger du rayonnement solaire. Cependant, cette chaleur nest pas rpartie de faon uniforme sur la surface du globe. En effet, alors quune moiti de la Terre est plonge dans la nuit, lautre se dore au soleil. Les rgions proches de lquateur accumulent plus de chaleur que les ples, car leur exposition est meilleure. Alors que les ocans jouent le rle de rgulateur thermique, les continents voient leur temprature varier de faon plus importante. Ces diffrences de temprature globale engendrent des systmes de courants atmosphriques lchelle des continents.

L o lair est chauff, il se dilate et monte. Cela cre une dpression appele zone de basse pression. Au contraire, l o lair est refroidi, il se contracte et descend, aug-mentant la pression. On parle alors de zone de haute pression (anti-cyclone). Pour reprer ces zones qui se dplacent constamment, les mtorologues effectuent des me-sures de la pression en de multiples endroits. En reportant les mesures sur les cartes et en reliant les en-droits o rgne la mme pression, on obtient des courbes (isobares) qui se referment parfois. La pression moyenne est de 1015 hPa au niveau de la mer. Cest cette valeur qui d-finit la limite entre une zone de haute et de basse pression.

Quiz

Sur la figure ci-dessus, indique par un B le centre des zones de basse pression et par un H, les zones de haute pression. Indique galement la direction des vents par des flches.

20O 0 20 E

Bricotest

Version journe chaudePlace une bouteille deau au frigo assez long-temps pour quelle se refroidisse. Sors-la et observe. Explique.

Version journe froideExpire de lair lintrieur du btiment puis fais de mme lextrieur. Explique.

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Une diffrence de pression va mettre en mouvement ces masses dair. Cest lorigine des vents de haute altitude. Ces mouvements ne sont pas rectilignes car la Terre tourne sur elle-mme. Ils sont en spirale. Dans lhmisphre nord, lair va souffler dans le sens des aiguilles dune montre autour dun anticyclone et dans le sens antihoraire autour dune basse pression. Entre une zone de basse et de haute pression, il y a aura des vents qui sont dautant plus violents que la diffrence de pression est grande. Dans lhmisphre sud, les vents soufflent dans le sens contraire.

Au sein dune zone de haute pres-sion, lair en descendant voit sa pression augmenter. Cela a comme effet de garantir un temps beau, d-couvert et sec. Dans les rgions de haute pression, les vents sont l-gers, mme en leur centre. haute pression (anticyclone) basse pression

Si les anticyclones se dplacent et varient en intensit, il y a des zones o ils se positionnent souvent. En Europe, nous appelons anticyclone des Aores la haute pression qui se localise sur ces les portugaises en hiver et au printemps. Il est appel anticyclone des Bermudes en Amrique de Nord puisquil sy stabilise en gnral en t et en automne. Cette haute pression rchauffe lEurope, y achemine de lair sec venu dAmrique et bloque le passage des perturbations. Par contre, les Antilles et lAmrique centrale doivent parfois affronter un temps pluvieux, voire des cyclones, car ils reoivent de lair humide provenant des rgions tropicales.

La mission peut-elle commencer ? Ce feu vert dpend en partie des prvisions mtorologiques. Comment prvoir lvolution m-to avec assez de prcision pour assurer la russite et la scurit dun vol ? Cest la responsabilit de Luc Trullmans et de son quipe.

LUC TRULLMANS, MTOROLOGUE PORTRAIT

Ce qui passionne Luc ? La pousse dadrnaline lors de la pr-paration dun vol, bien sr, mais aussi lapprentissage continu

propre sa profession car il y a toujours de la place pour amliorer les outils mtorologiques. Mto-rologue chez Solar Impulse, il est dtach de lInstitut Royal Mtorologique de Belgique. Il a obtenu un master en physique lUniversit Libre de Bruxelles (ULB), puis suivi un stage dans la mtorologie. Il a particip quelques annes plus tard la cration dun groupe de recherche sur la pollution lInstitut Royal Mtorologique. Son but : tudier la dispersion des polluants pour pouvoir prvenir les populations. Suite cela, Luc et son quipe ont cr un programme de prvision de trajectoire de la pollution dans la troposphre. Ce mme programme a aid Luc guider Bertrand Piccard et Brian Jones lors de leur tour du monde en montgolfire en 1999 une exprience mise aujourdhui au service de Solar Impulse.

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VENTS LOCAUX

Les courants dont nous avons parl jusquici sont grande chelle. Localement, les vents empruntent, au gr des reliefs, des directions particulires. Les vents de surface se dveloppent selon la topogra-phie, les parois de rocher, les tendues deau.

En montagne, le long des pentes en-soleilles, lair schauffe au contact du sol chauff par le Soleil. Lair se dilate. Plus chaud que lair en alti-tude, il slve crant un courant as-cendant. Ce phnomne est dau-tant plus important quon est haut dans la valle, proche des falaises avec de meilleures expositions au Soleil. Un mouvement global de lair qui remonte la valle (brise de val-le) sinstaure ds le lever du Soleil.

Le soir, le refroidissement se fait sentir premirement en haute alti-tude. Lair se contracte, redescend, engendrant une brise en direction de la plaine (brise de montagne). Dans les valles troites, ces vents peuvent tre relativement violents (50 km/h). Cest un paramtre que les parapentistes et autres arpenteurs du ciel sans moteur prennent en compte pour gagner de laltitude.

Les brises ne se font pas sentir quen montagne. Au bord de locan, les brises de mer et de terre rythment les journes (cf. Exercice 4).

On peut dailleurs observer le mme phnomne dans les grandes agglomrations : les brises ur-baines. Les villes accumulent de la chaleur pendant la journe. Lair se rchauffe beaucoup mieux au contact des surfaces de bton de la ville que dans les zones rurales qui les entourent et comportent plus de vgtation. La chaleur, accumule pendant la journe par la pierre et le bton, est restitue la nuit. De plus, il y a beaucoup de btiments que lon chauffe lhiver. On peut observer un cart de temprature allant jusqu 10 C la nuit dans des villes comme Paris ou Londres. Une petite brise d-passant rarement les 5 km/h en direction de la ville peut tre releve.

Brise daval Brise montante

coupe longitudinale coupe transversale

BRISE DE VALLE

Brise damont Brise descendante

coupe longitudinale coupe transversale

BRISE DE MONTAGNE

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Parfois les fronts ne sont pas trs marqus, on parle alors de fronts faibles. On assiste un chan-gement de direction du vent mais sans modification significative du temps. Les fronts stationnaires peuvent prsenter les caractristiques des fronts froids ou chauds mais ne se dplacent que faible-ment. En Europe, nous avons souvent des fronts stationnaires dair polaire. Cela peut engendrer de grands contrastes rgionaux. Alors qu un endroit il peut y avoir de fortes chutes de neige, ailleurs le temps peut tre plus chaud et sec.

Lors du passage dune dpression, le front chaud prcde le front froid. Or le front froid se dplace plus rapidement que le front chaud. Il va donc le rattra-per, formant un front occlus ou occlu-sion. La masse dair chaud est alors pige entre deux masses dair plus froides. Elle va donc tre souleve, en-gendrant des nuages et de la pluie.

Cirrus

Nimbo-stratusCumulo-

nimbus

Cumulo-nimbus

CumulusStratocumulus Stratocumulus

Altocumulus

Altostratus

Cirrostratus

Cirrus

IL PLEUT, IL PLEUT BERGRE...

La rencontre de masses dair de temprature et dhumidit diffrentes engendre des perturbations. En effet, elles ne se mlangent pas, tant donn leur densit diffrente. Elles se chassent et se soulvent. La limite entre ces masses dair sappelle front. Diffrentes configurations peuvent tre observes.

air chaud

CirrusCirrostratusAltostratus

Nimbostratus

trane

air froidchass par lair chaud

FRONT CHAUD

air chaud soulev puis chasspar le front froid

air froid

cumulusstratocumulus

AltocumulusCumulonimbus

trane

FRONT FROIDLorsquune masse dair froid arrive dans une r-gion o lair est plus tempr, on parle de front froid. Plus dense, elle va chasser lair plus chaud en le soulevant rapidement. Cet air chaud en slevant voit sa temprature baisser. Il ne peut plus contenir autant de vapeur deau, cette der-nire se condense. On assiste la formation de nimbostratus ou de cumulonimbus. Le temps de-vient alors pluvieux, voire trs orageux. Larrive dun front froid marque donc un changement de temps rapide. Aprs son passage, le temps reste instable.

Lorsquune masse dair chaud arrive dans une rgion o lair est plus froid, on parle de front chaud. Cet air chaud moins dense va donc sle-ver progressivement par-dessus la couche dair froid qui lui sert de tremplin. Cette avance est progressive. Un observateur au sol verra se for-mer dans un premier temps des cirrus, puis des nuages de moyenne altitude, avant que des nim-bostratus ne se forment sous leffet de la condensation due au refroidissement de lair et que la pluie ne survienne. Ce changement de temps est lent et peut prendre une journe.

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LIRE UNE CARTE MTO

Sur une carte synoptique se trouvent plusieurs indications. Non seulement on peut y lire les isobares quon a reportes daprs les mesures de pression, mais aussi la position des centres des hautes (H) et basses pressions (B).

On trouve galement des lignes qui mettent en vidence les fronts.

Les fronts froids sont indiqus par une ligne ponctue de triangles et les fronts chauds de demi-cercles. Les fronts sta-tionnaires portent les deux types de marques rparties de part et dautre de la ligne. Une occlusion porte les deux types de marques, du mme ct, vers lavant du front.

Enfin, on peut galement prendre connaissance de la direction et de la force des vents. La hampe du symbole indique la di-rection do vient le vent.

Front froid

Front chaud

Occlusion

Front stationnaire

direction dovient le vent

indicateur de la vitesse du vent

indicateurde la couverture

nuageusevent dOuest vent de Nord-Est

5 noeuds 10 noeuds 15 noeuds 20 noeuds 50 noeuds 55 noeuds

Le symbole indique la vitesse du vent selon le nombre de barbules quil comporte. La vitesse du vent est donne en nuds. 1 nud cor-respond 1,852 km/h.

Le petit cercle qui sert de base la hampe indique si le ciel est dgag ou non. Voici quelques-uns de ces symboles :

Ciel clair Peu nuageux< 10% de nuages

Peu nuageux20 30% de nuages

Peu nuageux50% de nuages

Trs nuageux60% de nuages

Ciel couvert

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Quiz

Que peux-tu dire des conditions mtoen un lieu o il y a ce symbole ?

Voici une carte synop-tique de lEurope sur laquelle tu peux retrou-ver ces diffrents l-ments.

Mardi 12.11.2013source : MtoSuisse

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Exercice 1Voici une carte du monde sur laquelle les courbes isobares de pression ont t reportes. Indique les zones de hautes (H) et basses pressions (B). Dessine galement le sens dans lequel le vent va souffler.

ET TOUT CELA EN CHIFFRES

Exercice 2Les prcipitations sont mesures le plus souvent en mm. Il sagit de lpaisseur de la couche deau qui se serait accumule si celle-ci ne stait pas infiltre dans le sol. Le record de la prcipitation la plus abondante en 10 minutes en Suisse a t relev Locarno o 33,6 mm sont tombs le 29 aot 2003*.

a) Quelle quantit deau de pluie faut-il vacuer si la cheneau dun btiment de 25 m sur 8 m pour une hauteur de 10 m est bouche pendant ces 10 minutes ?

b) La pluie la plus abondante sur une journe a t enregistre en 1983 Camedo. Il y est tomb 414 l/m2. De combien de litres aurait-on pulvris le record de Camedo si la pluie sur Locarno en 2003 avait continu de sabattre avec la mme intensit toute la journe ?

Exercice 3Des lves ont construit un pluviomtre laide dun cylindre gradu dune capacit de 500 ml sur-mont dun entonnoir de 18 cm de diamtre. Ils veulent faire chaque jour le relev des prcipitions et pouvoir lindiquer en mm et en l/m2 pour pouvoir comparer leurs mesures aux statistiques fournies par lagence de mto. Dtermine quels sont les calculs ncessaires. Est-ce que le dispositif est adquat pour enregistrer des records de pluie ?

* http://www.meteosuisse.admin.ch/web/fr/climat/climat_en_suisse/en_suisse.html

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Exercice 4Les habitants des bords de mer ont leur vie rythme par les mares mais aussi par la brise. A quel moment du jour souffle-t-elle vers le large ? Accompagne ta rponse de schmas qui expliquent ce phnomne.

Exercice 5La bise est le nom donn en Suisse et en France voisine au vent qui souffle sur le plateau, de sec-teur nord nord-est (cest--dire quelle souffle de cette direction). Cest un vent froid et sec. En gnral, elle survient aprs le passage de pertur-bations et annonce le retour du beau temps.

Laquelle de ces trois cartes synoptiques corres-pond une situation de bise ?

Exercice 6Voici les relevs mensuels des pluies de quelques villes sur diffrents continents. Les mesures sont exprimes en mm. Ce sont des valeurs moyennes rcoltes sur une priode de trente ans. Trace un graphique qui contient tous ces relevs.

Janv. Fv. Mars Avril Mai Juin Juil. Aot Sept. Oct. Nov. Dc. TOTAL

Genve 82 76 67 65 71 81 73 79 80 81 86 81 922

Qubec 95 81 85 79 98 110 118 121 117 95 112 104 1215

Cambera 51 55 53 49 42 37 41 58 61 71 65 52 635

Tombouctou 0 0 0 0 2 45 51 35 6 0 0 0 139

Calcutta 12 34 41 68 139 277 389 343 280 144 41 17 1785

Sao Paolo 237 219 168 109 76 62 40 51 78 122 143 187 1492

A

B

C

Jeudi 21.06.2012source : MtoSuisse

Vendredi 8.12.2006source : MtoSuisse

Lundi 25.11.2013source : MtoSuisse

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TECHNOLOGIE : CONSTRUIS TA STATION MTO !

Pour porter un regard objectif sur le temps quil fait, pour ne pas se reposer sur des souvenirs dfor-ms, mais aussi pour prvoir la mto, les mtorologues effectuent des relevs rguliers des condi-tions atmosphriques. Voici trois modles basiques dappareils de mesure que tu peux construire avec du matriel courant.

LA GIROUETTE

Matriel ncessaire

Un piquet ou manche doutil

Une baguette

Des clous

Une plaque en plastique

LE PLUVIOMTRE

Matriel ncessaire

Un entonnoir

Un cylindre gradu

Du scotch

Marche suivreFends la baguette ses deux extrmits.Dcoupe dans la plaque les lments de la flche et insre-les dans la ba-guette. Tu peux les clouer pour les fixer.Dtermine le centre de gravit de la flche et perce un trou cet endroit.Monte la flche sur le piquet laide dun long clou, aprs avoir intercal des rondelles entre la ba-guette et le piquet pour attnuer les frottements (tu peux galement mettre la place des perles, si tu en trouves qui ont un trou dun assez gros diamtre).Va planter la girouette lextrieur. Utilise la boussole pour marquer les points cardinaux sur le support ou sur le sol.

Marche suivreFixe lentonnoir sur le cylindre gradu laide du scotch.

Il ne te reste plus qu calculer la surface sur laquelle tombe leau qui est recueillie par lentonnoir et en dduire une correspondance entre la gradua-tion du cylindre et le nombre de mm de pluie tombe. Tu peux taider de lexercice 3.Veille ce que lembouchure de lentonnoir soit bien horizontale.

Il existe de nombreux dispositifs raliser. Tu en trouveras un grand nombre en ligne. Un thermomtre ou un baromtre sont souvent raliss au cours de sciences.

Des rondelles de carrossier (ou des perles)

Une boussole

Une lame (couteau ou cutter)

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LANMOMTRE

Matriel ncessaire

Un tuteur en bambou

Deux baguettes lgres

Des agrafes ou des clous

Une longue vis bois (nettement plus longue que deux paisseurs de baguette)

Marche suivreA laide de la vis, fixe les deux baguettes perpendiculairement lune lautre. Elles doivent se croiser en leur milieu.Coupe les balles en deux demi-sphres. Marque lune des demi-sphres pour quon la distingue au premier coup dil des trois autres.A laide dune agrafeuse de bricolage, fixe les demi-sphres aux deux extrmits des baguettes. Il faut les positionner de faon ce que la vis de fixation soit confondue avec le centre de gravit du montage. Elles doivent tre montes du mme ct des baguettes que la pointe de la vis.Coupe le bambou de manire ce quune section creuse de la tige ait juste la profondeur adquate pour que la vis puisse tre en appui au fond du trou. Si cest le cas, lanmomtre pourra tourner libre-ment au gr du vent. Peut-tre devras-tu largir un peu le trou pour y glisser le tube. Lime la vis pour que la pointe ne creuse pas le bois lorsquelle tourne, et quelle frotte le moins possible.

Pour talonner lappareil, il faudra avoir recours un moyen de locomotion muni dun compteur ou pouvoir le comparer un anmomtre dj talonn. Etablis un tableau du nombre de tours (en 20 secondes par exemple) selon la vitesse du vent.

Deux sphres creuses (balles de tennis par exemple)

Un petit tube en mtal de dia-mtre intrieur lgrement plus grand que le diamtre de la vis (corps de stylo bille dfaut)