Des principales méthodes employées pour observer et mesurer les nuages

La conférence météorologique de Munich nous a chargés de diriger l'organisation des travaux internationaux concernant les observations qui seront faites pendant une année sur le mouvement et les hauteurs des nuages, dans un grand nombre de stations répandues autant que possible sur toute la surface de la terre. L'on m'a en même temps chargé de préparer un projet d'instructions pour ces recherches. La réunion du comité étant remise à Tannée prochaine, il en est résulté nécessairement que ces observations qui devaient commencer le i^^'^mai 1894 ne pourront être entreprises qu'à une date ultérieure que fixera le comité. Cela étant, j'ai cru qull serait utile de faire ici des expériences avec des photogrammètres avant de vous présenter mon projet d'instructions. Les grand services que rendent ces n ou vaux instruments dans les travaux de géodésie, et les mesures de s^ nuages luisants» qu'ils ont permis à M. J ES SE de prendre, m'ont convaincu quHl fallait les essayer pour la mesure des nuages ordinaires, J*ai donc installé deux stations munies de photogrammètres à une distance de i j 49.5 m l'une de rautrc. L'une se trouve dans le terrain de l'observatoire météorologique et lautr^ à la place Saint-Michel, en ville. Ces arrangements ont pris beaucoup de temps, mais les observations faites pendant cet été m'ont prouvé que T emploi des photogrammètres est avantageux à plusieurs égards.

Quant aux instructions que je dois vous soumettre, j'ai déjà fait à la conférence même une restriction essentielle. En effet, on peut se servir de plusieurs méthodes d'observation pour résoudre le problème qui nous occupe. Chaque méthode a ses avantages et ses désavantages. On ne doit pas, me semble-t-il, prescrire partout l'emploi de la même méthode. Il me paraît plus pratique de donner tout simplement un exposé succinct des principales méthodes employées pour observer et mesurer les nuages. C'est cet exposé, écrit en collaboration avec M. Hagstrôm, que je vous présente ici.

Dans la première partie nous avons traité des observations directes et néphoscopiques sur la marche des nuages et leur vitesse apparente. Ici nous avons suivi principalement l'instruction élaborée par JVIM. Brito Capello, CLEMENT Ley et moi et recommandée par le comité permanent lors de sa réunion à Paris en 1885. Nous n'y avons ajouté que quelques détails de peu d'importance.

Dans les parties suivantes nous avons expliqué, l'emploi dans les mesures de nuages, 1:0 des théodolites, 2:0 des photogramme tres^ 3:0 des instruments appelés trigonomètre et plottingmachine, destinés à résoudre approximativement sans calcul un triangle donné. Puis nous avons exposé les formules de MM. Ekholm et Hagstrôm avec les tableaux servant à abréger les calculs. Enfin, dans deux appendices, nous donnons une relation iio de la modification des théodolites, proposée par MM. Lettry et Ekholm, et 2:0 d'une méthode stéréoscopique pour trouver des points correspondants sur deux images photogrammétriques indiquée par M. Amsler-Laffon en Suisse.

Comme nous l'avons dit plus haut, chaque méthode, l'emploi des théodolites et celui des photogrammètres, a ses avantages et ses desavantages. Les théodolites sont plus simples et moins coûteux que les photogrammètres. Ces derniers exigent que les observateurs aient une certaine habileté comme photographes et disposent des ressources nécessaires à ces travaux. La photographie des nuages exige une pratique toute spéciale pour bien

réussir. La durée de rexposition varie considérablement d'un jour à l'autre selon Tintensité de la lumière diffuse du ciel. L'écran, ou la solution jaune, indispensables quand il s'agît de photographier les Cirrus fins, compliquent encore les manipulations. *) Les observations avec des théodolites sont donc plus simples et moins coûteuses, et seront sans doute rendues plus simples encore, en même temps que plus exactes, par la modification que MM, Lettry et Ekholm ont proposé d'apporter à ces instruments.

D'un autre côté, les nuages ayant toujours une forme assez va^e, il est bien difficile aux observateurs de s'accorder par téléphone pour observer tous deux un même point de nuage. A cause des erreurs d'observation inévitables les deux lignes de visée ne se rencontrent pas exactement dans le même point. On est par conséquent obligé de recourir aux calculs longs et pénibles que nous avons exposés dans le dernier chapitre. L'emploi des photogram mètres présente à cet égard des avantages considérables. Les deux observateurs n ont plus besoin de s'accorder à faire porter leur observation sur le même point d'un nuage ; il suffit que tous deux photographient en même temps la même partie du ciel pour saisir les mêmes nuages, souvent en plusieurs couches superposées. Cela fait, on place les deux images Tune à côté de Tautre, et l'on a tout le temps de les comparer et de bien choisir des points qui se correspondent. On obtient ainsi un grand nombre de points sur chaque paire de plaques, et les calculs en sont très faciles. Nous avons mesuré. M, Hagstrôm et moi, des deux bouts d'une base longue de î 149.5 ^ seulement, des hauteurs de 11 — 12000 m avec une précision tout-à-fait suffisante.

Les avantages que présentent les photogram m être s étanf très grands, je crois qu'on doit préférer ces instruments dans les observatoires fixes, où l'on dispose des ressources et des emplacements

*) Nous avons jxutrtant trouvé que l*oti peut en jjénéral opérer sans écran jaune, en ernployant les plaqncs .sensibles de M. M» LUMIERE a^'cc le phis (^and diaphragme et en réduisant autant qnc jxïisiblc le teinpis d "exposition. L'image d\in Cimiii Un n'est pas belle comme photographie, mais on trouve toujours des points distincts, qvi^on peut mesm^er.

Vî

nécessaires. Au contraire, l'emploi des théodolites peut être plus facile dans les stations éloignées.

Nombre des stations. Le but des observations en question étant d'un côté de déterminer la direction des courants aériens qui emmènent les différentes espèces de nuages et de l'autre de mesurer la hauteur moyenne de ces différentes espèces en différents pays, il faut avoir de nombreuses stations auxquelles on fera des observations simples, directes ou néphoscopiques, et un petit nombre de stations d*un ordre supérieur, munie^ de photogrammètres ou de théodolites. Il est évident, que Ton pourra étudier, et les mouvements compliqués de l'air au-dessus des minima et des maxima barométriques, et la circulation générale de l'atmosphère terrestre, si l'on connait les mouvements simultanés et moyens à plusieurs hauteurs bien déterminées. On pourra ainsi, par exemple, constater quelle est la hauteur de l'axe des mouvements cycloniques et anticycloniques de l'air en différents pays. Les recherches du R. P. Dechevrens à Zi-kawei, Chine, et celles plus récentes de M. Clayton à Blue Hill, Etats Unis, font croire qu'à des latitudes plus basses l'axe des tourbillons est plus bas qu'au nord de l'Europe et qu'il n'y atteint pas en général les régions dans lesquelles flottent les Cirrus.

Quant à la publication des résultats obtenus, j'ose proposer que chaque institut publie séparément les observations faites dans son réseau de stations. Cette publication doit contenir: i:o les observations directes ou néphoscopiques sur la marche des nuages, exécutées à plusieurs stations, aussi souvent que possible jusqu'à trois fois par jour; 2:0 la direction moyenne mensuelle des différentes espèces de nuages, calculée pour chaque station ou pour des groupes convenables de stations; 3:0 les résultats calculés des mesures faites aux stations munies de photogrammètres ou de théodolites, de manière qu'on donne pour chaque observation, la date, V heure, V espèce de nuage, la hauteur des différents points mesurés, et, si l'observation a été répétée, la direction et les vitesses horizontale et verticale du nuage; 4:0 la discussion des résultats que chacun désire publier, aussi bien que des détermina-

tions faites par des méthodes spéciales, comme robser\"ation des ombres de nuages projetées sur la plaine, des taches lumineuses projetées sur les nuages au moyen d'une lampe électrique etc. Pour les stations appartenant à un réseau météorologique dont on publie les observations ré^ulirres, on n'a pas besoin de publier ici d'autres observations que celles des nuages. Pour les stations éloignées, qui ne donnent pas, en général, des comptes rendus réguliers, il faut ajouter au moins la direction du vent à chaque observation.

Veuillez agréer, Messieurs et très honorés Collègues, l'assurance de ma considération la plus distinguée,

Upsala le [9 août 1893.

H, H. HILDEBRANDSSON

I. OBSERVATIONS DIRECTES SUR LA MARCHE DES NUAGES ET LEUR VITESSE APPARENTE.

§ I. Il faut noter la direction d'oii viennent les nuages. Cela paraît souvent difficile à cause de leur marche ordinairement lente; mais si Ton reste complètement immobile pendant quelques secondes, on observera facilement leur marche, relativement à un clocher, à un mât, à un faîte ou à quelque chose de semblable. Il faut noter surtout, autant que possible, les nuages qui sont rapprochés du zénith. Il serait utile d'ériger un mât sur un lieu découvert et de se placer de manière qu'un point distinct du nuage paraisse marcher de la cime de ce mat en ligne droite vers l'observateur ou dans la direction opposée. Si Ton fait les observations à ime fenêtre, il est bon de tendre au dehors de la fenêtre quelques fils horizontaux et verticaux se croisant à angles droits, ou bien de tracer de la même manière des lignes de repère sur les vitres. Pour éviter les erreurs, il est nécessaire, surtout si la marche des nuages est très lente, de fixer la tête en Tappuyant contre le mur, ou bien sur la main, si le bras a un appui ferme. Quand il n'y a pas de nuages près du zénith, les observations sont plus difficiles, parce que la perspective peut causer des erreurs. Pour les éviter, il faut de la pratique, c'est à dire que Ton doit souvent comparer la marche d'une partie d'un nuage près du zénith à celle d autres parties de la même couche de nuages, situées à des hauteurs différentes au-dessus de l'horizon et dans diverses directions. Le plus sûr, c'est d'observer, si c'est possible, une partie qui marche droit vers l'observateur ou en sens inverse, A cause de ces difficultés il serait désirable de se procurer, pour ces observations, des néphoscopes simples. Si Ton n'a à déterminer que la direction, l'instrument qu'a employé M, MariÉ-Davv à Tob-

servatoire de Montsouris est le plus simple*). L'instrument n'est qu'un miroir horizontal sur lequel sont gravés les i6 rhumbs principaux du vent. Pour juger de la direction d'un nuage, on place l'oeil de manière que l'image du nuage se trouve au centre du miroir et au point de croisement des deux directions N — S et E — W; puis on pose un cône sur le miroir, de manière que la pointe de ce cône se projette sur le même point central. On obtient ainsi une ligne de visée suffisamment précise. Quelques minutes après, on place l'oeil dans la même ligne et l'on voit dans quelle direction le nuage s'est déplacé. Les effets de perspective, étant les mêmes sur le ciel et sur le miroir, n'influencent pas l'observation.

On peut, au lieu du cône, se servir d'une tige verticale surmontée d'un oeilleton et fixée au moyen d'une charnière à un anneau qui entoure le bord circulaire, du miroir. C'est le néphoscope de M. Fornioni. On règle la hauteur de la tige et son orientation de manière que l'oeil, placé derrière l'oeilleton, aperçoive au centre du miroir l'image d'un certain point du nuage; on suit alors, sans déplacer la tige ni l'oeilleton, la marche de cette

image et l'on note par quelle division du cercle elle sort du miroir. Le miroir avec son anneau est le couvercle d'une boussole. Pour pouvoir orienter l'instrument on a pratiqué dans l'amalgame, près du rayon marqué N, une petite fenêtre par laquelle on voit le pôle nord de l'aiguille aimantée. § 2. Pour observer en même temps la vitesse apparente du mouvement d'un nuage le néphoscope de M. FiNEMAN est le plus commode. Il a inventé deux modèles: le néphoscope ordinaire, et le néphoscope marin.

Le néphoscope ordinaire (Fig. i) se compose d'im trépied

Fig. I.

*) Annuaire de l'Observatoire municipal de Montsouris pour Pan 1878. p. 329.

supportant la boîte de Taiguille aimantée entourée d'un cercle mobile. Dans celui-ci, on a adapté un miroir noire à surface plane, divisé en aires comme une boussole et formant le couvercle de la boîte. Autour du centre du miroir, on a tracé trois cercles concentriques. Une fenêtre de verre transparent permet à Tobservateur de voir la pointe de Taignille. Sur les bords extérieurs du cercle mobile et sur celui de la boîte sont gravés, à égale distance les uns des autres, i6 rayons, marqués comme les rhumbs principaux de la boussole. Le cercle mobile porte encore une échelle divisée en millimètres, perpendiculaire au plan du miroir, et qu'un bouton à crémaillère permet d'élever ou d'abaisser.

Le néphoscope marin (Fig. 2.) se compose de l'appareil néphoscopique, avec suspension Cardan, monté sur un support et lesté au moyen d'un poids.

La boîte est de dimensions fort réduites. Au lieu de réchelle verticale on emploie un viseur analogue à celui du néphoscope de M. F.

Cecchi. Il consiste d'une tige cylindrique, divisée en millimètres, et dont le point zéro est dans le plan de la surface du miroir noir. Une branche horizontale terminée par une pointe, se meut le long de la tige au moyen d'une glissière qui la maintient perpendiculaire à la tige, et une vis de pression permet de l'arrêter dans J la position que l'on désire.

La caisse d'emballage est construite de façon à servir de pied à l'instrument. Fig. 2.

Soit D (Fig. 3) le centre du miroir, FE un cercle tracé autour de Z>, ABz=a la hauteur du viseur au-dessus de la surface du miroir. En montant ou en abaissant la pointe A, on peut la pointer de manière que visant suivant AD on voie un point

d'un nuage H se réfléchir au centre D du miroir. {En tournant rinstniment de 180° on voit en coïncidence Tirnage du nuage et celle du viseur, et de cette manière Tobservation se fait ordinairement.) Si le point H marche dans la direction 7/Z, on trouve immédiatement sa direction en observant le rayon DF suivant lequel marche Timage. Pour déterminer la vitesse tangentielle, on observe le temps t qui s'écoule depuis le moment

où rimage du nuage est visée en D suivant AD jusqu'à celui où on la voit en F suivant A F. Pendant qu*on observe /, il faut toujours garder en coïncidence l'image dît nuage et celle du viseur.

Soit MR — BC=AB~a, j*r — l'angle zénithal décrit par le nuage H dans le temps ^ et i la distance parcourue de Tirnage*

Alors, on a

MN h

tan X — '=: —

et par conséquence la vitesse tangentielle

tan ©— — r

En combinant deux obser\"ations faites avec le néphoscope marin à deux caps ou à deux vitesses différentes, on peut obte-

nir aussi la direction, la vitesse vraie et la hauteur d'une couche de nuages, si Ton a observé les caps et les vitesses correspondantes du navire.

En eflFet, soient (Fig. 4) ^=la direction vraie du nuage, z/ = sa vitesse vraie, g^ et g^ = ses directions apparentes, v^ et v^ = ses vitesses apparentes, 9?ietç?2=l6s caps du bâtiment,*) k^çXk^— les vitesses du bâtiment, tan ©1 et tan ©2 = ^^s vitesses tan-

gentielles observées, ^iet^==les deux valeurs de la hauteur du nuage.

On a:

. 'V ^ sin (yi— j>i) .

^1 sin (ç'i— ^) '

V sin (^2— ^2) .

sin (9?2— ^) '

Fig. 4.

z/ ^ sin (yi— ^1) , ^1 sin (^1 — ^) '

y ^ sin ((p^—gi) K sin (^2—^) *

On peut, au moyen de ces quatre équations, calculer les quatre inconnues v^ v^, v^, et g.

Soit

A sin {(pi — gi)

on trouve

et enfin

tan^ =

k^ sin (9?2 — ^2)

sin gi—P sin ^2 cos gi—P cos ^2

z/ = ièi

sin (yi— ^1) ^ sin (yg— ^2)

sm (^1 —g) sin (gt —g)

et H,=

* tan a

tan C/^ i.aii ^^^2

Toute observation sur la vitesse tangentielle donne aussi une détermination de la hauteur.

M. FiNEMAN a fait sur des bateaux à vapeur dans les environs de Stockholm un grand nombre d'observations avec cet instrument.

*) Les caps sont indiqués par le point quart de la boussole vers lequel on marche» tandis que la direction d'un nuage Test par le point quart d'où il vient.

M. Cleveland Abbe a fait avec un néphoscope semblable construit par lui de nombreuses observations pendant le voyage que fit au Cap de Bonne Espérance en 1890 la »Pensacola» de la marine des États-Unis. (Cloud observations at sea. American meteorological Journal. Oct. 1891.)

Si nous avons donné une description détaillée des néphoscopes de M, Fineman, c'est que nous savons qu'un grand nombre d'observatoires les possèdent. Il est évident qu'on peut choisir quel autre modèle que ce soit permettant d'observer: 1:0 la direction dans laquelle se meut l'image d'un nuage, 2:0 sa vitesse apparente et 3:0 la hauteur d'un point situé au-dessus de la surface du miroir, et dont il faut toujours garder V image en coïncidence avec celle du nuage.

Nous donnonii ici une liste des principaux néphoscopes employés jusqu'à nos jours:

i) G. Aimé. (:& anémomètre par réflexion») Annales de chimie et de physique. Série III, 1846.

2) Stevenson. Edinburgh Philos. Journal. 1855.

3) Braun. Zeitschrift d. oesterr. Gesells. fur Met. Bd. II. 1864.

4) LiNSS. » » » » » » Bd. XIII. 1877.

5) Clément Lev. Quarterly Joum. of Roy. Met. Soc. 1880.

6) CORY. » » » » » 1884.

7) Galton and Strachey. » » » » 1886.

8} P. F. Cecchi. Atti de la prima reunione meteorologica Italiana. Torino 1881. (En usage depuis 1872 à Tobservatoire de Florence.) 9} Fornionl (ï'Il nefodoscopio»): Ibidem, ïo) MariÉ-DavY: voyez plus haut, lï) P. Garnier. Annuaire de la soc. met. de PVance. 1886.

1 2) Cleveland Abbe. Annual report of the Chief Signal oflicer.

1887. part 2.

13) Sprung. Zeitschrift f. Instrumentenkunde. 1891.

§ 3. Point de radiation. Les cirrus se présentent souvent sous la forme de bandes fines parallèles, qui, à cause de la perspective^ paraissent sortir d'un point de l'horizon ; quelquefois ces bandes traversent tout le ciel et ont alors deux points de radiation situés ù 180*= Tun de Tautre. Ces formes de nuages, qui dans presque tous les pays jouent un grand rôle dans les prévisions populaires du temps, s'appellent tantôt bandes polaires, tantôt arche de Noé, tantôt racines du vent, etc.

Lors de la réunion du Comité permanent à Copenhague an 1882, on a adopté, sur la proposition de M. Mascart, la dénomination simple de radiation des cirrus.

Les points de radiation sont faciles à trouver, même si les nuages ne s'étendent pas jusqu' à l'horizon. Le moyen le plus simple consiste à se tourner comme si l'on voulait passer sous le plus haut point d'une de ces bandes ou de son prolongement. Les points de radiation sont alors à droite et à gauche, à 90*= du point de l'horizon vers lequel on est tourné. Des deux points opposés on inscrit celui qui est le plus rapproché du côté d'où viennent les nuages. Si, par exemple, ils viennent de Touest et que les bandes s'étendent dans la direction SW — NE, c'ei>t SW qui est le point de radiation. Si la vitesse des nuages est imperceptible, ou s'ils se meuvent dans une direction perpendiculaire à celle dans laquelle s'étendent les bandes, ce qui arrive rarement, il faut inscrire les deux points de radiation.

§ 4. Densité et position du banc des cirrus. Les nuages supérieurs prennent souvent la forme d'un feutre ou d'un voile plus ou moins dense, qui, en s'élevant au-dessus de Thorizon semble un mince banc clair (cr-str) ou grisâtre (al-str). Comme cette forme de nuages est en rapport étroit avec les dépressions barométriques, il importe d'en noter:

a) La densité,

signifiant: très mince et irrégulière

1 » : mince, mais régulière

2 » : assez épaisse

3 » : épaisse

4 » : très épaisse et d'une couleur foncée

b) La position, ou la direction dans laquelle le voile, ou banc^ paraît le plus épais.

§ 5. Espèce, La marche et la vitesse de chaque espèce de nuages doivent être notées, et pour chaque obser\ ation l'espèce doit être indiquée suivant la classification internationale de MM. HiLDEBRANDSSON et Abercromby, OU, dans les pays qui n'ont pas adopté cette classification, suivant celle dont ils se servent.

§ 6. La direction et la vitesse du tent se déterminent comme à l'ordinaire.

§ 7. Il est important de ne jamais inscrire une observation dont on ne soit pas absolument sûr.