CHAPITRE III

Mesure de la chaleur reçue du Soleil. — Pyrhéliomètre de Pouillet. — Méthode statique ; expériences de M. Violle. — Résultats. — Température du Soleil. — Entretien de la chaleur solaire.

■ESUBE DE LA CHALEUR BEÇUE DU SOLEIL. — Deux méthodes ont été employées par les physiciens pour mesurer la quantité de chaleur reçue du Soleil par une surface plane normale aux rayons de Tastre, située en un point donné de la surface terrestre. Toutes deux ont cela de commun qu'on expose à la radiation solaire un corps de capacité calorifique connue, dont on mesure la vitesse d'échauffement dans la méthode dite dynamique ou du pyrhéliomètre, tandis que, dans la méthode statique ou actinométrique, on mesure l'excès final de température de ce corps sur l'espace ambiant.

PTBHÉLIOIIËTBE. — La méthode dynamique a été préconisée par Pouillet (*), qui a obtenu par son moyen les premières mesures approximativement exactes de la chaleur solaire.

Le pyrhéliomètre direct de Pouillet [jig* 87 ) se compose d'un vase cylindrique plat AT dont la base antérieure A, destinée à absorber les rayons solaires, est couverte de noir de fumée, et qui est argenté et poli sur les autres parties de sa surface qui doivent rayonner le moins possible. Il est rempli d'èau distillée et il constitue un calorimètre équivalent à un poids total d'eau que nous désignerons par P. Il reçoit le réservoir d'un thermomètre TD dont la tige est maintenue dans un tube de cuivre

( * ) Pouillet, Comptes rendus de l * Académie des Sciences, t. Vil, et Annales de Poggendorff^ t. XLV, p. sS et 4^1.

fendu prolongé jusqu'au bouton C.Tout cet appareil est soutenu par un support dans lequel on peut le faire tourner autour de l'axe CT, afin de mêler les couches d'eau, ce qui permet de Torienter de façon qu'il reçoive normalement les rayons solaires sur sa face antérieure A. Cette condition est réalisée lorsque l'ombre de cette face vient exactement couvrir un disque circulaire qui a la même dimension et qui est fixé à la partie opposée de l'instrument.

Voici maintenant comment M. Feuillet se servait de cet appareil : 1° il observait sa variation de température pendant cinq minutes en le préservant de l'action solaire par un écran: supposons que le thermomètre baisse d'un nombre de degrés r; i"" il enlevait l'écran et laissait arriver pendant cinq minuteries rayons solaires qui sont absorbés et déterminent un réchioffement G ; 3*» enfin il replaçait l'écran, et pendant cinq auirei? minutes il observait un nouveau refroidissement r'. É\idenh ment le pyrhéliomètre s'est refroidi pendant les cinq minutes

r -f- r' moyennes d'une quantité égale à » et le réchauffement

occasionné par le Soleil serait pendant ce temps égal à

r -{- r' Q ^ ~ ^^ g| \q rayonnement du vase AT était nul. Par

conséquent, la chaleur absorbée est P/; elle serait pendant

une minute el sur 1 centimètre carré ^ j si Ton désigne par S

la surface ailtérieure du pyrhéliomètre.

Comme on croyait, à l'époque où ces expériences ont été exécutées, que le noir de fumée possède un pouvoir absorbant absolu, cette quantité de chaleur, que nous appellerons c, fut prise comme représentant celle que le Soleil verse en une minute sur i centimètre carré. Il en verse évidemment davantage, el, pour corriger cette cause d'erreur, il faudrait tenir compte de la diffusion.

Ce n'est pas la seule critique qu'il convient d'adresser à la méthode de Pouillel. L'agitation mécanique, employée dans le pyrhéliomètre, ne peut être assez efficace pour bien mêler les couches liquides ; les plus superficielles adhèrent à la paroi Vappée par le Soleil, et continuent à céder de la chaleur aux couches sous-jacenles, après que la radiation solaire a été inlerceptée; le thermomètre cl) continue à monter pendant une minute environ, et inversement il baisse pendant les premiers nstants de l'exposition, quand il n'est pas entièrement revenu à la température ambiante. L'appareil ne peut donc fournir que les résultats imparfaits ( * ).

MÉTHODE STATiaUE. — EXPiRIENGES DE M. 7I0LLE. — De Saussure (^), voulant comparer l'inlensilé de la radiation solaire au commet des montagnes el dans les vallées, eut l'idée de protéger an thermomètre, exposé au soleil, contre l'action refroidissante

C) Pouillet a aussi employé, sous le nom Ae pjrrhéUomhre à lentille^ un ap- Mireil qui ne diiïérait du pyrhéliomètre direct que par de plus grandes diaensions du vasn calorimétrique A, sur lequel la chaleur solaire était concentrée jar une lentille : los résultats fournis par cet appareil ont toujours été rap- [>ortés au pyrhéliomètre direct, par voie do comparaison.

(') De Sacssure, Voyage dans les Alpes, Neuch&tel, t. IV, § gla et looa; i8o3.

de l'air extérieur, en l'enrermant dans une botte de liège enduiv de noir de fumée, ei recouverte par une lame de verre Mine. H reconnut que l'excès stationnalre de l'indication de ce ibcrmomètre placé au soleil, sur sa température à l'ombre, ^HH plus considérable au sommet des montagnes.

L'appareil de de Saussure a été employé, sous le nom d'acHnomètre, et perfectionné par Herschel ( ' ) qui en a donné b

Fig. 88.

théorie, Pouîllel ("J, Forbes et Kiimtz (*), M. WaterstMi,' . M. Frankland [»), le P. Secchi (•), M. Crova ('), etc.

Nous ne décrirons que l'appareil qui a servi tout récenuMoi à H. Violle ( * ) dans ses rectiercbes sur la température du Solei

( ■ i HEMCBa., «(■«. tair. Soc., I. X. i838.

(') PociLLEi, Èlémenii de Phytiqur txpèriiMUtalm tt dr Mè 1" cdilion, 1. 11, p. -joi, i83o.

(■) FoHBES, Trantactiont fhihtophiqua^xa \%!fk. ■'• Parti*, p. i {') WiTtUTON. PhiUiiophicat ÈlagaÙHe, t. XIX, p. SSSj iS6o.

, ibid..

• ) L-. P. SecCHi. Le Soleil, l. I.

(') Chovi. Comprrs rendui de l'académie dei Sci, (') VioiLE, Aimaletde Chimie el de Pl^riigia', S*.

M. LXXXI. p. I , t. X. p. »Ss-

CHALEUH SOLAIRE.

M. Violle place son thermomètre T {Jîg. 86ei8g) au centre d'une enveloppe métallique en laiton de o", 1 5 de diamètre, protégée par une deuxième enveloppe sphérique de o",:)3 On assure une température consunte à l'enveloppe intérieure, soit en remplissant de glace l'intervalle des deux enveloppes, soit en y faisant circuler un courant d'eau Troide ou chaude, ou même

un courant de vapeur. Les rayons solaires pénètrent par une ouverture d'admission D placée à l' extrémité d'un tube de i7''",5 de diamètre, dirigé suivant l'un des diamètres de la sphère et débouchant dans l'enveloppe interne; un orifice latéral livre passage à la tige du thermomètre; enfin un dernier orifice, placé sur le prolongement du tube D, permet d'orienter l'instrument sur l'anneau fixe qui le supporte, de sorte que les rayons tombent bien sur la boule du thermomètre.

Voici la marche d'une expérience. On constate que le iherniomèlre présente, quand le trou d'admission est Terme, une

Sga* PROPAGATION DE LA CHALEUR.

température bien stationnaire que Ton a soin de noter; on ouvre ensuite cet orifice, et l*on maintient Tappareil orienté jusqu*à ce que le thermomètre ait atteint un maximum statioanaire, ce qui exige environ un quart d'heure. On oblitère ensuite l'orifice d'admission et Ton observe la marche du refroidissement pendant cinq minutes.

L'état stationnaire est atteint, quand le gain de chaleur du thermomètre est égal à la perte qu'il éprouve dans le même temps. Celte dernière quantité est connue par la dernière phase de l'expérience, si l'on a préalablement mesuré la valeur en eau de la portion du thermomètre exposée au rayonnement. II ne reste plus qu'à connaître la section de la boule du thermomètre pour obtenir, Qn valeur absolue, la quantité de chaleur reçue, par centimètre carré de surface exposée à la radiation.

Nous verrons bientôt comment la méthode actinométrique se prête à la recherche de la température du Soleil.

RÉSULTATS. — La chaleur solaire n'arrive à nous qu'après avoir été tamisée par l'atmosphère terrestre : l'épaisseur traversée par les rayons change avec la hauteur du Soleil, Theare du jour, l'altitude du lieu de l'observation, et d'ailleurs le pouvoir absorbant de l'atmosphère est éminemment variable avec sa température, sa pression, la quantité de vapeur qu'elle renferme, enfin d'après sa pureté plus ou moins grande; un voile nuageux imperceptible, des poussières en suspension dan? l'air modifient son pouvoir d'extinction dans un rapport iresconsidérable.

Nous verrons plus lard que l'absorption, produite par un milieu homogène d'épaisseur e, est représentée par une fonction exponentielle de celle épaisseur. La quantité de chaleur rocuf à la surface de la Terre, dans l'hypothèse d'une almosphfr»' homogène, serait donc de la forme

Dans celle formule, donnée par Bouguer, A est la constanie solaire; elle représente ce que deviendrait Q à la limite supérieure de ralniosphère, pourc — o; a est la constante atmosphérique.

Pouillel a essayé d'appliquer celle formule aux observalions faites un même jour, et il a trouvé que, si Tatmosphère demeure d'une pureté parfaite, la formule de Bouguer est sensiblement applicable. Il a obtenu pour A la valeur I«•^ 7633 par centimètre carré et par minute, et pour a des valeurs variables, d'un jour à Paulre, de 0,70144 à 0,7888. M. Desains (*) a vérifié Texaclilude des nombres de Pouillel sur quelques observations choisies. Mais les cas où la formule s'applique sont très-rares, et le calcul fournit pour A des valeurs variables, d'une journée à une autre en apparence également belles. M. Violle(^) a adopté une formule plus complexe

Q---Aa 7<io

où A, a, k sont des constantes absolues, et où H représente la pression barométrique, Z la hauteur de la couche d'air à partir de laquelle il n y a plus de vapeur sensible, z la hauteur du lieu de robservation,/la tension moyenne de la vapeur d'eau entre Z et j, e l'épaisseur atmosphérique en fonction de répaisseur au zénith prise pour unité. Cette formule s'est montrée bien d'accord avec les observations faites à diverses hauteurs, sur le mont Blanc et à diverses stations voisines, ainsi qu'en Algérie. La valeur de A est 2*^**, 540, nombre bien supérieur à celui de Pouillel ( ' ).

La quantité de chaleur qui tombe en un an, par centimètre carré, sur la surface terrestre, aux limites de l'atmosphère, est

En faisant le calcul, Pouillel a trouvé que cette quantité de chaleur serait sufTisante pour fondre une couche de glace qui

( •) Desai?(s, Comptes reruftis, t. LXXX, p. 1420.

(*) ViOLLE. Jnnales de Chimie et de Physique, 5® série, t. X, p. 3 19.

(') M. Crova admet {Comptes rendus, t. LXXXI, p. i2o5, et t. LXXXII, p. 81 et 375) A rrr 2cal envîrou.

MM. Exncr et ROntgon {Site, dcr K. Acad. Wien, 26 février 1874) donnent lin noml)re peu différent.

Ces savants admettent des formules analogues à celle de M. Violie.

envelopperait la Terre el qui aurait 3i", 89 d'épaisseur. Si Ton admet Tévaluation de A donnée par M. Vielle, il faudrait porter ce nombre à 45",93. Décrivons maintenant une sphère, concentrique au Soleil, avec un rayon égal à celui de Forbite terrestre ; on calculera aisément la quantité totale de chaleur reçue par cetl^ sphère, c'est-^-dire la totalité de la chaleur perdue par le Soleil, et Ton pourra déterminer quelle épaisseur de glace, déposée à la surface de Tastre, pourrait être fondue en un an par cette quantité de chaleur; on trouverait ainsi i547 Ûeues suivant Pouillet, et plus de !iooo lieues d'après M. Violle.

TEMPÉRATURE DU SOLEIL. — Les expériences relatives à la chaleur solaire permettent de fixer approximativement la température du Soleil. Supposons le Soleil réel remplacé par un globe flciif de même diamètre, possédant en tous ses points une température uniforme et douée d'un pouvoir émissif égal à celui du noir de fumée. Si nous admettons que le rayonnement de ce globe produise, à la surface de la Terre, les mêmes effets que la radiation solaire, la température de ce globe sera complètement déterminée par la connaissance de Texcès stationnaire S que prendrait un aclinomètre, analogue à celui de M. Violle, placé dans une enceinte à zéro, vide d'air et située aux limites de l'atmosphère.

En effet, Tactinomètre rayonne vers l'enceinte, en vertu de son excès 0 ; et la quantité de chaleur perdue par minute esi proportionnelle à 1,077^, d'après la loi de Dulong et Petii. D'autre part, Tactinomètre reçoit du Soleil une quantité de chaleur égale ; nous admettrons que Torifice d'admission sous-tend au centre de Tenceinte un angle égal au diamètre apparent du Soleil ; soient p le rapport de la section de cette ouverture a la surface entière de l'enceinte, a; la température du globe fictif que nous avons défini ci-dessus : placé dans une enceinte qui serait toute à la température x, le thermomètre recevrait 1 ,077^. si toutefois il est légitime d'admettre que la loi de Dulong ei Petit s'applique encore à des températures dont on ne sesi point approche dans les expériences de vérification (* )• L^ ^^^^

(' ) Dtiloii{; et Petit n'ont pis dépasse 300®. PouiUot a cru pouvoir dédiiir<> J* s.vi eipéricnces que la mémo loi est encore admissible à looo®.

ne remplace qu'une fraction Irès-petile p de celte enceinte et la chaleur reçue par le thermomètre doit être réduite dans le même rapport ; on a donc

d'où Von tire la valeur de x. M, Violle obtient environ i5oo«(*). Pouillet (3j avait déjà annoncé que la température du Soleil devait être comprise entre i4oo et 1700".

Il est évident que Ton ne peut se. prononcer sur l'exactitude de déterminations de ce genre, tant qu'on n'est pas fixé sur la véritable loi du refroidissement correspondant à de très-hautes températures. Dans tous les cas, la loi deDuIong et Petit se rapproche plus de la vérité que la loi de Newton, déjà inexacte pour de très-faibles excès. Aussi ne peut-on accepter les valeurs prodigieusement grandes que le P. Secchi,par exemple ('), avait assignées d'abord à la température x, en se fondant sur des expériences analogues à celles de M. Violle, mais calculées par la formule de Newton.

II importait toutefois de varier les conditions des expériences, et c'est ce qu'a fait M. Violle en élevant la température / de l'enceinte de l'actinomèlre au-dessus de la température ordinaire. Alors l'équation (i) doit être remplacée par l'équation (2)

(*) Pratiquement, on ne peut employer directement l'équation (1) au calcul de X, En effet, pour que le Soleil frappe également la boule du thermomètre i^ur toute sa surface, on est obligé de donner à l'ouverture d'admission un diamètre apparent supérieur à celui du Soleil, et par suite le thermomètre reçoit de la chaleur d'une portion du ciel voisine du Soleil : c'est de la chaleur diffusée par notre atmosphère. On tient compte de cet effet perturbateur en ajoutant au second membre de l'équation (i) un terme /»'. 1.077 r, p' désignant le rapport de l'excès de surface du trou d'admission à la surface de la sphère, jr une température inconnue, dont on déterminera la valeur en répétant l'expérience avec diverses grandeurs de l'orifice d'admission.

II faut, de plus, prendre pour l'excès 0, non la valeur observée, mais cette valeur réduite au vide. On peut obtenir celle-ci par des expériences de comparaison faites avec deux thermomètres do diamètre différent, et en admettant, pour le pouvoir refroidissant de l'air, la formule empirique de Dulong et Petit.

(') POOILLET, loc, cit.

(•) Le P. SEccni, le Soleil.

à mesure que /se rapproche dex, Texcès 9 doit diminuer, puisqu'il serait nul pour t=zx.Or M. Waterston ( * ) avait annoncé, à la suite d'expériences faites dans les Indes, qu^en élevant jusqu'à 25o** la température de Tenceinie, les thermomètres exposés au soleil conservaient un excès très-sensiblement égal à celui qu'ils prennent dans une enceinte à zéro. Il serait résulté de là qu'il fallait attribuer au Soleil une température de plusieurs millions de degrés. Mais les expériences de M. VioUe n'ont pas confirmé celles de M. Waterston. Les excès se sont montrés décroissants quand la température de l'enceinte augmentait, et les valeurs de x obtenues ont été remarquablement concordantes avec celles que donnait au même instant un actinomètre à enceinte froide, ainsi qu'on en jugera par le tabletu suivant. Les valeurs de x ne sont pas corrigées de l'effet de l'absorption produite par l'atmosphère.