CHAPITRE XIV

ACTINOMÉTRIE

142. Principe de l'actinométrie. — Le problème à résoudre dans ractinornétrie est de mesurer la quantité totale de chaleur versée à un moment donné par le soleil, dans l'unité de temps, sur Tunité de surface. Théoriquement, la solution est facile à trouver.

Supposons que nous exposions au soleil un thermomètre à boule sphérique dont nous connaissons la surface, et, par surface, il faut entendre, non pas la surface de la sphère de la boule, mais celle d'un grand cercle de cette sphère, c'està-dire la section qu'elle détermine normalement à la direction du faisceau de rayons solaires qui tombe sur elle. Nous couvrirons cetle boule de noir de fumée, de façon à ce qu'elle absorbe la presque totalité des rayons de cette section du faisceau. Exposée pendant une minute, par exemple, au soleil, elle manifestera une élévation de température que nous mesurerons, et s'il était possible de la protéger pendant ce temps contre toute autre cause de refroidissement ou de réchauffement, il suffirait de connaître le poids du mercure qu'elle contient et celui du verre qui la forme, pour pouvoir calculer par les méthodes ordinaires, et connaissant les chaleurs spécifiques de ces deux substances, la quantité de chaleur qui a produit l'élévation de température observée.

143. Corrections. — Il est, il est vrai, impossible de protéger le thermomètre pendant l'observation contre toute autre cause de perte ou de gain de chaleur que l'action

solaire ; mais on peut tourner la difQculté en mesurant à pari cet effet de refroidissement ou de réchauffement, et en l'ajoutant ou le retranchant de l'effet observé.

Les causes de réchauffement ou de refroidissement sont, en effet, de deux ordres. Il y a d'abord le rayonnement, qui dépend des échanges que le thermomètre fait à chaque instant, à distance, avec les corps qui l'entourent. Il y a ensuite la conductibilité, qui se fait surtout par l'air, et dépend de sa température, de son degré d'agitation et de sa richesse en vapeur d'eau. Ces deux causes sont sans cesse variables, mais on peut en régulariser les effets. Pour la conductibilité, nous mettrons le thermomètre dans une enveloppe close, maintenue autant que possible à température constante, et percée d*un trou tout juste suffisant pour laisser entrer le pinceau de rayons solaires destiné à agir sur la boule. Dans cette enveloppe, l'air sera dans un repos presque absolu, et aussi homogène que possible dans sa richesse en vapeur d'eau. De plus, la température de l'enveloppe étant constante, la perte de chaleur par rayonnement ne dépendra plus que de la température du thermomètre, et nous pourrons la mesurer au moyen de la loi, dite de Newton, qui dit que les pertes de chaleur par rayonnement sont proportionnelles à la différence de température entre le corps chaud et l'enceinte, lorsque ces différences ne dépassent pas une dizaine de degrés. Pour réduire encore ces pertes, nous pourrons donner un poli parfait à l'intérieur de l'enveloppe, pour en diminuer le pouvoir absorbant,

144. Mode d'expérience. — Dans ces conditions, une expérience de mesure est facile à conduire. Nous la partagerons en trois temps.

!«' tetnps : La boule du thermomètre étant protégée du soleil par un écran, nous mesurerons la perte ou le gain de chaleur qu'elle fait pendant une minute sous l'influence de la conductibilité ou du rayonnement dans son enveloppe. Supposons que ce soit une perte, et appelons-la t. Si c'était un gain, il suffirait de le changer de signe et de l'appeler — L

ACTINOMÉTRIE. 209

2' temps : On enlève l'écran. La température monte, et 6n noie la variation T subie pendant une minute.

3® temps : On replace l'écran, le thermomètre se refroidit, et on note de même la perte f qu'il traduit au bout d'une minute.

Si la chaleur solaire avait agi seule pendant le second temps, il ne faudrait lui attribuer que la variation T observée. Mais il y a eu pendant ce deuxième temps, dans notre hypothèse, une perte de chaleur qui, du moment que les causes en sont régulières, peut être considérée, avec une assez grande

approximation, comme égale à la moyenne "T des pertes

pendant le premier et le troisième temps, de sorte que la variation totale qu'aurait amenée l'action solaire, s'il n'y avait pas eu de pertes, serait

et c'est de cette variation qu'on conclut, comme nous l'avons dit plus haut, la quantité de chaleur versée en une minute.

146. Actinomètres. — Deux instruments usuels sont construits sur ce principe^ l'aclinomètre de Violle et celui de Crova. Tous deux mettent, naturellement, la boule noircie du thermomètre au centre d'une enveloppe sphérique, polie à l'intérieur. Seulement, dans celui de Violle (fig. 94 et 95), cette enveloppe est à double paroi, et peut être parcourue par un courant d'eau maintenue à température constante. Dans celui de Crova, l'enveloppe est simple et parfaitement polie à l'extérieur, de façon à réfléchir les rayons solaires, et à s'échauffer aussi peu que possible pendant la durée de Texpérience. Dans les deux il existe, diamétralement opposée à l'ouverture d'admission des rayons solaires, une autre ouverture v un peu plus grande, fermée par un verre dépoli, et sur laquelle, lorsque l'appareil est bien orienté, vient se dessiner l'ombre de la boule du thermomètre placée au centre.

âto

BlÉTÉOROLOGiE.

Un miroir perniel de vérifier à ,chaque instant si celte condition est bien remplie. Un diaphragme o sert à limiter ou à arrêter le faisceau de rayons solaires.

Fig. 94. Aclinomètre de M. VioUe.

Fig. 95. Coupe de Vaetinomélre

146. Résultats. — Ces études d'actinométrie rigoureuse sont encore récentes : elles nous ont pourtant donné déjà des résultats importants. Le premier est qu'il n'y a rien de plus variable, même pendant une journée constamment belle, que la quantité de chaleur qui arrive à chaque instant sur une même surface de sol. Tandis que la température, telle qiie nous la mesurons ou la ressentons, varie peu, ou au moins varie lentement, parce qu'elle dépend de la somme de chaleur antérieurement reçue, qu'elle est ce qu'on pourrait appeler une intégrale^ on voit la quantité de chaleur qui vient exclusivement du soleil subir les fluctuations les plus grandes de moment en moment. L'actinomètre traduit le

ACTINOMÉTRIE. âll

passage sur le soleil de nuages absolument invisibles à l'œil. Nous avions le droit de nous attendre à ce résultat, en nous souvenant que c'est la vapeur d'eau invisible, et inégalement répandue dans Tair, qui en forme le principal élément absorbant. Nous savons que son action sous ce rapport dépend, tant que l'atmosphère reste transparente et qu'il n'y a pas de nuages, non pas de l'état hygrométrique (127), mais de la valeur de / aux diverses hauteurs. Rapprochons cette notion de ce que nous savons (71) sur l'influence de l'épaisseur des écrans diathermanes, et nous allons deviner sans effort que la quantité de chaleur reçue doit varier, toutes choses égales d'ailleurs, avec la latitude et avec l'heure de la journée, c'est-à-dire, dans les deux cas, avec l'épaisseur d'atmosphère traversée par les rayons solaires. De ce rapprochement, nous allons tirer une conclusion importante

147. Variations dans l'année. — C'est en hiver que, la température étant la plus basse, /"est le plus petit à diverses hauteurs dans l'atmosphère pendant une belle journée. Mais c'est ikuss^ dans cette saison qu'aune heure déterminée de la journéev pv exemple à midi, le soleil est le plus bas sur l'horizon pourno3iclimats et l'épaisseur traversée la plus grande. Les deux grarnl^ causes d'absorption progressent donc en sens inverse, et ea se commandant Tune l'autre. A mesure que la saison s'avance» l'épaisseur atmosphérique traversée à midi devient plus faible» mais la quantité de vapeur d'eau augmente, et rien ne nous autorise par suite à penser que le rayonnement de midi, un beau jour d'été, soit nécessairement supérieur à celui de la même heure pendant une belle journéed'hiver. L'expérience a mêmemontré qu'en moyenne, le maximum d'intensité du rayonnement reçu par l'unité de surface exposée normalement atix rayons solaires, se fait à une période intermédiaire entre l'été et l'hiver, au moment oii l'écran n'a pas encore compensé par l'augmentation de ce qu'on pourrait appeler sa densité /", ce qu'il perd tous les jours d'épaisseur sous l'influence de la montée du soleil. D'après M. Crova, c'est en mai qu'a lieu d'ordinaire ce maxi-

mum. Mais ce n'est pas toujours le cas, et on le trouve quelquefois en avril. L'intensité diminue ensuite pendant la première moitié de Tété. Elle augmente de nouveau au mois d'août et passe en automne par un second maximum, dû aux mêmes causes que celui du printemps, c'est-à-dire à la diminution rapide de Tépaisseur de Técran de vapeurs, à un moment où le soleil est encore assez haut sur l'horizon à midi. Ce maximum peut se trouver avancé lorsque les mois de juillet et d'août sont secs; c'est ainsi qu'en 1889 il il est tombé en août.

148. Variations diurnes. — La période de 24 heures qui constitue le jour solaire pouvant être comparée, en gros. à une année dont minuit serait l'entrée de l'hiver et midi le commencement de l'été, on comprendra, de même que tout à l'heure, qu'un maximum de radiation se place d'ordinaire avant le midi vrai et qu'il y en ait souvent un autre dans l'après-midi. Mais ici les irrégularités sont très grandes. Pour les bien observer, on a construit des instruments enregistreurs dont nous n'avons pas à donner le principe, mais qui inscrivent aux diverses heures de la journée l'intensité du rayonnement calorifique qu'ils reçoivent. Il est rare que les courbes qui représentent ces intensités soient symétriques autour de la ligne du midi vrai qui correspojid à la hauteur maximum du soleil au-dessus de l'horizon. En général, elles s'élèvent rapidement et régulièrement dès le lever du soleil. Mais dès que le sol s'échauffe, et commence à se couvrir d'un manteau inégal de vapeur d'eau, la courbe devient irrégulière, subit des oscillations rapides et pro- "-'udes qui augmentent au voisinage de midi, et persistent avant dans la soirée. Elles traduisent ainsi le passage de -auvent invisibles pour l'œil, parce qu'ils sont trans- ' la lumière, mais qui sont beaucoup plus opa- '^leur. Ces oscillations sont très fortes en *omne, et sont au minimum en hiver et •ntemps.

ACTINOMÉTRIE. 213

149. Absorption atmosphérique. — Enfin, on comprend aussi que Tintensité de l'insolation augmente avec Faltitude. Elle est, au sommet du Mont-Blanc, beaucoup plus grande que dans la plaine. C'est qu'on est là à 4,800 mètres, et qu'au-dessus il n'y a plus guère de vapeur d'eau. On peut même, en faisant, comme l'a fait M. Violle sur le Mont-Blanc, ou M. Langley sur le Peake's Peak du Colorado, des mesures comparatives au haut et au bas de la mon* lagne, sur deux actinomctres identiques observés au même moment, se faire une idée de l'absorption exercée par la couche d'air comprise entre les deux stations, et en conclure, il est vrai un peu arbitrairement et par voie d'extrapolation, quelle est l'absorption exercée par l'atmosphère tout entière, et quelle est la fraction de la chaleur versée par le soleil aux limites de l'atmosphère qui peut pénétrer jusqu'à la surface du sol. Cette absorption est en effet très variable, comme on peut le prévoir dès qu'on en connaît les causes. Elle varie suivant le degré de transparence de l'atmosphère, transparence qui est plus grande sur la terre que sur la mer, en hiver qu'en été, plus grande aussi à Kieff, station continentale où M. Sawelietf Ta étudiée, qu'à Montpellier, où traVaille M. Crova. Mais pour nos raisonnements, nous n'envisageons ici que sa valeur moyenne qui est de 0,36 ou d'environ un tiers et nous admettrons donc qu'en moyenne, sur cent calories apportées par un faisceau de rayons solaires arrivant normalement aux limites de l'atmosphère, celle-ci, quand elle est pure, en arrête au passage 33, et qu'il n'en parvient que 67 à la surface du sol.

Si les rayons traversent obliquement l'atmosphère, il va sans dire que l'absorption est plus considérable, que, par conséquent, pour un même lieu de la terre, elle varie comme nous l'avons dit avec la hauteur du soleil, c'est-à-dire avec rheure de la journée; que pour des lieux divers, à midi, elle varie avec leur latitude. Mais ce n'est pas ici le lieu de creuser le problème dans tous ses détails, d'ailleurs incomplètement connus. Nous devons nous borner aux grandes lignes.

On peut penser que les calories absorbées par l'air ne

Si4 MÉTÉOROLOGIE.

nous intéressent pas, puisqu'elles n'arrivent pas jusqu'à nous. On se tromperait, comme nous le verrons bientôt. Mais il est clair que nous devons nous préoccuper davantage de la fraction du rayonnement qui pénètre jusqu'à nous, et dont nous bénélîcions directement. Il serait bien utile de pouvoir mesurer ce qui tombe de calories sur un lieu donné pendant les diverses heures d'une même journée ou les divers jours d'une même année. Malheureusement, des mesures continues ne sont pas faciles. Les nuages invisibles pendant les belles journées, les nuages visibles et invisibles pendant les autres amènent des perturbations pendant lesquelles aucune mesure n'est possible, au moins avec les instruments que nous possédons. Un appareil à indications continues s'échauffe plus ou moms et traduit, par conséquent, quelque chose de plus complexe que l'effet instantané qu'on lui demande. Cependant on peut se faire, ainsi qu'il suit, une idée approximative de la quantité totale de chaleur versée annuelJement par le soleil sur 1 centimètre carré de la surface du sol aux différents lieux de la terre.

150. Moyennes actinométriques. —On trouve dans a collection des soigneuses observations faites à Montpellier par M. Crova, l'exemple de deux très belles journées pendant lesquelles l'observation actinométrique a pu être faite du matin au soir, et qui sont en outre placées à six mois environ de distance, Tune en été, l'autre en hiver, de façon à nous permettre de mesurer l'effet moyen, car elles nous en donnent les extrêmes.

Pendant ces journées, M. Crova a mesuré le nombre total de calories versées du lever du soleil à son coucher, sur i centimètre carré do sol horizontal à la latitude de Montpellier, et il en a conclu, au moyen de la loi de Lambert, ce qu'aurait reçu 1 centimètre carré de sol normal aux rayons solaires, c'est-à-dire ce qu'aurait reçu 1 centimètre carré du sol à Téquateur sous un soleil vertical, si l'absorption avait été la même à l'équateur et à Montpellier. Voici les nombres obtenus :

ACTIiNOMÉTlUE. • 215

Date de l'observation. Durée du jour. Cal. à JMontp. Cal. k l'Equateur.

4 janvier. 9 heures. 161,2 534

il juillet. 15 — 574,1 876

Admettons d'abord que tous les jours de Tannée aient été aussi limpides que ces deux belles journées d'observation, et que les chiffres trouvés soient des chiffres extrêmes, la

• / j > 161.2 + 374,1 ^^ ^ , journée moyenne correspondra a ^ ^367,6 calories à Montpellier, et de même à 705 calories à Téquateur. Pour tenir compte des jours couverts, supposons Tannée faite par moitié de beaux jours comme les précédents et de jours couverts pendant lesquels le rayonnement est nul. Cette dernière hypothèse n'est pas exacte, car la radiation solaire se manifeste même pendant les jours les plus sombres. Mais négligeons cette cause d'erreur. Nous n'aurons qu'à prendre la moitié des chiffres trouvés, et à multiplier par 365, pour avoir la quantité annuelle de calories. On trouve ainsi 67,000 calories environ sur 1 centimètre carré du sol à Montpellier, et 129,000 à l'équateur.

Ces nombres sont certainement inférieurs à la réalité, tant à cause des hypothèses défavorables que nous avons introduites dans notre calcul, que de ce que nous avons tenu compte seulement de la radiation directe du soleil, et non de celles qui, à raison de leur direction, n'auraient pas atteint le sol, mais sont diffusées vers lui, sur toute Tétendue visible du ciel, par l'atmosphère qui les absorbe et les disperse au passage. Mais les nombres que nous obtenons, en laissant de côté cette action de Tair, sont assez grands pour la conclusion que nous voulons en tirer.

On peut calculer facilement que le chiffre relatif à Téquateur correspond à^ environ un quart de calorie par minute d'heure de jour. Ce chiffre moyen est très acceptable; il est très éloigné du chiffre maximum, réalisé seulement pendant les très belles heures de quelques belles journées, et qui, d'après M. Crova, peut atteindre 1 cal. 6, c'est-à-dire que le soleil verse alors, sur 1 centimètre carré

de surface normale à ses rayons, assez de chaleur pour élever de 1** en une minute l^^ô d'eau, ou une hauteur d'eau de 16 millimètres.

Rapportés à la même mesure, les chiffres donnés cidessus correspondent, pour Montpellier, à 670 mètres de hauteur d'eau élevés de 0<> à 1«, ou à 6°»,70 portés de 0« à 100°. Si on les traduit en eau évaporée, ce qu'il est plus naturel de faire, puisque c'est en évaporations que se dépense surtout la chaleur solaire, on trouve que la quantité totale de chaleur versée à Montpellier serait capable de vaporiser en un an une hauteur de 1^,12 d'eau à 10® couvrant le sol. Pour l'équateur, le chiffre est de 2", 16.

Ces nombres sont supérieurs tous deux aux hauteurs annuelles de pluie à Montpellier et à l'équateur. Leur moyenne est aussi supérieure à la moyenne générale des pluies à la surface du globe. Il est vrai que les pluies ne tombent pas toujours là où elles se forment, mais nous n'en sommes pas moins autorisés à conclure que le soleil, non seulement suffit à cette production de vapeurs qui est, comme nous le verrons, le rouage moteur principal des phénomènes météorologiques, mais laisse encore un excédent de chaleur disponible qui est employé à créer la végétation et à entretenir la vie à la surface du globe. Ces deux modes d'utilisation de la chaleur solaire sont en dehors de notre cadre. Nous n'avons à nous préoccuper que de celle qui produit des phénomènes physiques. Nous allons lui demander l'explication des vents alises.