Montgolfière et météorologie au XXe siècle
Dans les domaines de la météorologie et de l’astronautique, le ballon-sonde actuel est un ballon libre non habité, utilisé pour faire des mesures locales dans l’atmosphère. Son principal intérêt est de pouvoir atteindre des altitudes d’environ 30 km même plus, ce qu’il est impossible de faire avec des moyens plus conventionnels tels que les avions. Son prix est par ailleurs sans commune mesure avec celui d’un satellite.
Ballon météorologique
En 1904, le premier ballon utilisé pour la recherche météorologique aux États-Unis a été lancé à St. Louis, Missouri. Le ballon transportait des instruments qui reviendraient sur Terre lorsque le ballon éclaterait. Depuis ce premier lancement, littéralement des millions de ballons météo ont été lancés par le National Weather Service et ses prédécesseurs. Les données météorologiques sont recueillies par une variété d’instruments d’observation et d’analyse à la surface de la Terre, dans des ballons, et maintenant les instruments sont transportés dans des satellites.
Montgolfière et météorologie au XXe siècle
Les ballons sont idéaux pour recueillir des informations météorologiques et ont été utilisés à cette fin tout au long de leur histoire. Les mesures météorologiques du vent et de la pression atmosphérique sont allées de pair avec les premiers lancements de ballons et se poursuivent aujourd’hui. Les ballons peuvent grimper à travers l’air plus dense proche de la Terre jusqu’à l’air plus fin de la haute atmosphère et collecter des données sur le vent, les différentes couches de l’atmosphère et les conditions météorologiques au cours de leur voyage. 
Les premiers ballons sondes météorologiques, ou « ballons enregistreurs », ont été lancés en France en 1892. Ces ballons étaient relativement gros, plusieurs milliers de pieds cubes, et transportaient des instruments pour enregistrer la pression barométrique (baromètres), la température (thermomètres) et l’humidité (hygromètres) des données de la haute atmosphère. Ils étaient ouverts à la base du ballon et étaient gonflés avec un gaz de levage, qui pouvait être de l’hydrogène, de l’hélium, de l’ammoniac ou du méthane. Le gaz de levage dans le ballon est sorti par l’ouverture lorsque le ballon s’est dilaté pendant son ascension et que l’air est devenu plus mince et que la pression a chuté. En fin de journée, comme le gaz porteur se refroidissait et prenait moins de place, le ballon descendait très lentement. Les météorologues ont dû attendre que le ballon descende jusqu’à la Terre pour récupérer leurs instruments, qui avaient souvent dérivé jusqu’à 700 miles (1 126 kilomètres) de leur point de lancement.
Le météorologue allemand Assmann a résolu le problème des ballons à la dérive et de la récupération des instruments en 1892 en introduisant des ballons en caoutchouc fermés qui éclatent lorsqu’ils atteignent une altitude élevée, laissant tomber les instruments sur Terre en parachute beaucoup plus près du site de lancement. 
Ces ballons avaient également des taux de montée et de descente assez constants pour des lectures de température plus précises. Assmann a également inventé un psychromètre, un type d’hygromètre utilisé pour mesurer l’humidité de l’air que les laboratoires utilisent généralement. Dans les années 1930, les météorologues ont pu obtenir des données atmosphériques continues à partir de ballons lorsque la radiosonde a été développée. Une radiosonde est un petit émetteur radio qui diffuse ou transmet par radio les mesures d’un groupe d’instruments. Des ballons, généralement sans pilote, transportent l’émetteur et les instruments dans la haute atmosphère. La radiosonde transmet des données à la Terre tout en mesurant les conditions d’humidité, de température et de pression. Aujourd’hui, trois types de ballons sont couramment utilisés pour la recherche météorologique.
Les ballons en plastique à pression nulle (généralement en polyéthylène) ont été lancés pour la première fois en 1958. Ils transportent des instruments scientifiques à un niveau de densité atmosphérique prédéterminé. Les ballons à pression nulle sont les meilleurs pour les altitudes extrêmement élevées car les ballons peuvent être plus légers et les contraintes exercées sur eux peuvent être réparties sur la surface du ballon. À peu près au même moment, les laboratoires de recherche de Cambridge de l’Air Force (AFCRL) ont commencé à travailler sur des ballons à super pression, fabriqués à partir de mylar. 
Le développement des films plastiques en mylar et les progrès de la miniaturisation électronique ont rendu possible les ballons à altitude constante. Le mylar est un plastique qui peut résister à une grande pression interne. Le ballon à super pression en mylar ne se dilate pas lorsqu’il s’élève et il est scellé pour empêcher la libération de gaz lorsque le ballon s’élève. Au moment où le ballon atteint l’altitude où sa densité est égale à celle de l’atmosphère, le gaz est devenue sous pression parce que la chaleur du soleil augmente la pression interne du gaz. Cependant, comme le mylar peut résister à une forte pression interne, le volume du ballon reste le même. En calculant soigneusement le poids du ballon et tout ce qu’il transporte, l’altitude à laquelle le ballon atteindra l’équilibre et flottera peut être calculée. Tant que la pression à l’intérieur du ballon reste la même, il restera à cette altitude.
Ces ballons pourraient être lancés pour rester en l’air à des altitudes spécifiées pendant des semaines ou des mois à la fois. De plus, les satellites pourraient être utilisés pour suivre et demander des données à de nombreux ballons dans l’atmosphère afin d’obtenir une image simultanée des conditions atmosphériques dans le monde entier. Un autre avantage des ballons à super pression est que, puisqu’ils transmettent leurs données aux satellites, ils peuvent recueillir des données au-dessus des océans ainsi que de la terre, ce qui est une limitation des ballons équipés de radiosondes. Le programme AFCRL a abouti au système de ballon Global Horizontal Sounding Technique (GHOST). Avec GHOST, les météorologues ont enfin atteint leur objectif de plates-formes semi-permanentes flottant haut dans l’atmosphère.
Quatre-vingt-huit ballons GHOST ont été lancés à partir de mars 1966. Les ballons GHOST et leur homologue français, EOLE, (le nom que Clément Ader a utilisé pour l’un de ses avions – du nom du dieu grec du vent) utilisaient des super- ballons à pression pour tracer les schémas de circulation de l’air en dérivant avec le vent à des altitudes de densité constantes. De nombreux ballons à super-pression étaient en altitude à la fois, regroupés à des niveaux de densité constants. Chaque ballon avait un dispositif de détection et un système de transmission pour recueillir des informations sur sa position et des données météorologiques et transmettait des données atmosphériques et météorologiques aux satellites météorologiques. Ils ont d’abord transmis leurs données au satellite météorologique Nimbus-4 de la NASA en 1970.
Bref historique des observations en altitude
Les observations en altitude ont commencé dès 1749 en Europe avec l’utilisation d’un cerf-volant pour transporter en altitude un thermomètre. Quelques années plus tard, dans les colonies américaines, Ben Franklin a mené une expérience très dangereuse en faisant voler un cerf-volant près d’un orage pour démontrer la nature électrique de la foudre. Avec l’invention des ballons à air chaud et à hydrogène en France au début des années 1780, les scientifiques sont montés en altitude en emportant avec eux des baromètres, des thermomètres et d’autres instruments pour étudier la structure et la chimie de la haute atmosphère. Les ascensions habitées pour étudier la haute atmosphère se sont poursuivies au cours des années 1800 (et se sont poursuivies jusqu’au début des années 1960). Cependant, certains des premiers vols étaient très dangereux. En 1862, deux hommes sont montés à une altitude d’environ 11 km au-dessus de la Grande-Bretagne et ont failli mourir du froid extrême et du manque d’air.
L’altitude moyenne atteinte n’était que d’environ 3 km.
Les données n’ont pu être évaluées qu’après que le cerf-volant ait été enroulé et que le météorographe ait été récupéré.
Les observations ne pouvaient être prises que par beau temps avec des vents ni trop légers ni trop forts.
Il y avait danger que le cerf-volant se détache et mette en danger des vies et des biens.
Le début des années 1900
À la fin des années 1800, les météorographes s’étaient développés à un point tel qu’ils pouvaient être emportés par des ballons libres et sans pilote. De tels sondages ont atteint la stratosphère qui était à une hauteur beaucoup plus grande que celle obtenue avec des ballons habités ou des cerfs-volants. Après l’éclatement du ballon, le météorographe est revenu sur Terre et a conservé les données enregistrées pendant des jours ou des semaines jusqu’à ce qu’il soit retrouvé. Le principal inconvénient de cette approche de sondage était que les données n’étaient pas facilement disponibles pour les prévisions météorologiques et étaient perdues si le météorographe ne pouvait pas être récupéré. Un moyen de résoudre ce problème était de garder le ballon captif, mais cela limitait l’altitude maximale pouvant être atteinte.
L’avènement des aéronefs transportant des météorographes a mis fin aux observations de routine des cerfs-volants en 1933. De 1925 à 1943 environ, le Weather Bureau et l’Army Air Corps ont exploité un réseau de 30 stations d’aéronefs à travers le pays qui recueillaient des observations d’aéronefs ou « APOBS ». Cependant, comme le cerf-volant, l’avion ne pouvait pas voler par mauvais temps et les données ne pouvaient pas être analysées avant l’atterrissage de l’avion. De plus, l’altitude maximale atteinte n’était que d’environ 5 km.Pour compléter les données des cerfs-volants et des aéronefs, les stations du Bureau météorologique ont commencé en 1909 à suivre de petits ballons libres (c’est-à-dire des ballons pilotes) avec un théodolite optique pour obtenir des informations sur les vents en altitude. La nuit, une petite lumière était attachée au ballon pour faciliter le suivi. Bien que les données sur les vents en altitude aient pu être obtenues en temps quasi réel, les ballons n’ont pu être suivis qu’à environ 5 km dans de bonnes conditions de ciel. De plus, en présence de nuages ou de mauvais temps, la vue du ballon pourrait être perdue, ce qui entraînerait peu ou pas de données.
Des années 1930 aux années 1950
L’incapacité des météorographes des cerfs-volants et des aéronefs à atteindre des altitudes élevées, à fonctionner par tous les temps et à fournir des données en temps réel a contribué à favoriser le développement de la transmission radio des données en altitude. À la fin des années 1920, les scientifiques ont commencé à suspendre des émetteurs radio rudimentaires à des ballons libres et au début des années 1930, les premiers radio-météorographes ou « radiosondes » ont été envoyés dans la stratosphère. En 1937, le Weather Bureau a établi un réseau de stations de radiosondage qui s’est poursuivi jusqu’à nos jours. Cliquez ici pour voir les cartes des emplacements actuels des stations de radiosondage aux États-Unis. La Seconde Guerre mondiale a augmenté les besoins en données aérologiques et accéléré le développement de composants de radiosondage et la croissance des réseaux d’observation. De plus, des progrès ont été réalisés dans la technologie de radiogoniométrie ou de radio-théodolite qui a permis de suivre la radiosonde en vol afin d’obtenir les vents en altitude. De telles observations sont devenues connues sous le nom d’observations « rawinsonde ».
Au départ, les radio-théodolites étaient ajustés à la main pour suivre la radiosonde en vol, mais dans les années 1950, des radio-théodolites automatisés (ART) ont été mis en œuvre, qui sont encore utilisés aujourd’hui.
Les premières stations de radiosondage manquaient de systèmes de traitement de données informatisés, ce qui entraînait une quantité importante de travail manuel et de temps nécessaire pour traiter et diffuser les données en altitude. Le processus d’observation était généralement un effort de deux personnes. Cependant, une tierce personne était fréquemment impliquée pour le contrôle de la qualité, la surveillance générale des procédures et l’assistance pendant les périodes de conditions météorologiques ou d’analyse de données difficiles. Il convient également de noter qu’après la Seconde Guerre mondiale, des scientifiques et des ingénieurs ont développé des fusées -sondes, qui fournissent des données scientifiques bien au-delà de la portée des ballons et dans l’espace extra-atmosphérique. Ce programme se poursuit aujourd’hui.
Des années 1960 aux années 1980
Afin d’alléger les charges de travail requises pour effectuer un sondage par sondage, le développement de la réduction informatisée des données de sondage a commencé à la fin des années 1960 et au début des années 1970. Dans les années 1980, les progrès technologiques de la télémétrie et des ordinateurs ont rendu les observations de radiosondage presque entièrement automatisées. Cela a considérablement réduit l’implication manuelle dans la prise d’observations par radiosondage. Au milieu des années 1980, le NWS a fait des progrès significatifs en matière d’automatisation. Grâce à l’utilisation d’un ordinateur personnel (PC) et d’interfaces pour acquérir, traiter et diffuser automatiquement les données de vol, les observations en altitude pourraient être effectuées avec une intervention humaine minimale. 
L’observation par radiosondage était devenue une opération d’une seule personne, avec un temps nécessaire au traitement des données réduit à moins d’une heure et une qualité des données améliorée. Parallèlement aux progrès de l’informatique, de nouvelles techniques de détermination des vents en altitude sont apparues. Les systèmes Rawinsonde ont été développés en tirant parti des aides à la radionavigation (NAVAID) telles que LORAN et Omega (remarque : Omega a été abandonné en octobre 1997). Les radiosondes NAVAID contiennent des composants électroniques qui reçoivent des signaux radio provenant de stations émettrices fixes au sol. La radiosonde retransmet ensuite le signal reçu au sous-système au sol ou traite les signaux reçus en informations de vitesse ou de position, puis transmet ces données. Les vents en altitude sont contenus dans ou dérivés de ces informations.
Les années 1990 et le début des années 2000
Dans les années 1990, le développement de la technologie des radiosondes s’est poursuivi grâce à l’amélioration des capteurs de radiosonde, du traitement des données et des systèmes NAVAID. L’une des principales avancées a été le développement de systèmes de radiosondage qui utilisent le système de positionnement global (GPS) pour déterminer les vents en altitude. Comme les autres systèmes NAVAID, les radiosondes GPS sont équipées d’un récepteur GPS et de l’électronique associée qui transmettent les informations de position GPS au récepteur au sol à partir desquelles les vents sont dérivés. À la fin des années 1990, le NWS a commencé à tenter de remplacer les systèmes au sol ART actuels et les radiosondes associées par des systèmes basés sur le GPS. Le premier système de radiosondage basé sur le GPS a été installé à la station d’observation en altitude de Sterling, en Virginie, en août 2005.
Parmi les autres progrès de la technologie d’observation en altitude, citons le développement de systèmes opérationnels d’observation à distance tels que les profileurs de vent et le placement de capteurs de température et de vapeur d’eau sur des avions à réaction commerciaux qui transmettent ces données et d’autres en temps réel. Par rapport aux radiosondes, ces systèmes sont capables de fournir des données en altitude plus fréquentes, mais avec une couverture verticale et une résolution des données réduites.
Ballon météo
En 1904, le premier ballon utilisé pour la recherche météorologique aux États-Unis a été lancé à St. Louis, Missouri. Le ballon transportait des instruments qui reviendraient sur Terre lorsque le ballon éclaterait. Depuis ce premier lancement, littéralement des millions de ballons météo ont été lancés par le National Weather Service et ses prédécesseurs. Les données météorologiques sont recueillies par une variété d’instruments d’observation et d’analyse à la surface de la Terre, dans des ballons, et maintenant les instruments sont transportés dans des satellites.
http://www.therealdoctorfocus.com/2016/09/today-in-science-on-september-15th.html
https://www.centennialofflight.net/essay/Lighter_than_air/meteorology/LTA13.htm