Révision - Ballon au lancement

Les ballons météorologiques et le problème de l’hélium

Deux fois par jour, au même moment partout dans le monde, environ 900 stations météorologiques lâchent un ballon. Chacun transporte une petite boîte d’instruments, une radiosonde, qui transmet par radio la température, la pression et l’humidité de l’air à mesure qu’elle monte. Ces chiffres alimentent toutes les prévisions météo que tu consultes.

Un ballon météorologique est fait de caoutchouc mince. Au sol, il est rempli d’environ 2,500 L de gaz, formant une boule d’environ 1.7 m de diamètre. À mesure qu’il monte, l’air autour de lui se raréfie et la pression extérieure diminue, de sorte que le gaz à l’intérieur se dilate et que le ballon gonfle. En altitude, il fait aussi très froid, ce qui fait légèrement se contracter le gaz, mais la baisse de pression l’emporte largement. À environ 30 km au-dessus du sol, le ballon a atteint six ou sept mètres de diamètre, le caoutchouc se déchire et la radiosonde retombe sur Terre sous un petit parachute.

Le même hélium, au sol et en altitude : moins de collisions à l’extérieur, donc le ballon gonfle

Le gaz à l’intérieur doit être plus léger que l’air. L’hydrogène est le gaz le plus léger de tous et il est bon marché : certaines stations le produisent sur place en séparant l’eau grâce à l’électricité, 2H₂O → 2H₂ + O₂. Mais l’hydrogène brûle, et une fuite près d’une étincelle peut déclencher un incendie. La plupart des stations utilisent donc de l’hélium, un gaz noble qui ne réagit pas du tout.

L’hélium a son propre problème. L’hélium de la Terre s’est formé lentement, au fil de millions d’années, par la désintégration α de l’uranium et du thorium contenus dans les roches, et il est extrait des puits de gaz naturel. Une fois libéré dans l’air, il s’élève et, comme il est très léger, il s’échappe lentement dans l’espace. Les hôpitaux en ont besoin pour refroidir les aimants des appareils d’IRM, et son prix a fortement augmenté lors des périodes de pénurie. Les services météorologiques de plusieurs pays ont déjà recommencé à utiliser l’hydrogène pour certains de leurs lancements, avec des lanceurs automatiques qui éloignent les personnes du gaz.

Calcule la masse d’hélium, $m$, dans un ballon rempli de 2,500 L d’hélium dans les conditions ambiantes (He, 4 g/mol). Suppose qu’une mole de gaz occupe 25 L dans les conditions ambiantes.