DE LA CHALEUR DES RAYONS SOLAIRES

Nous avons déjà vu (pag. 18) que l’atmosphère absorbe une partie de la chaleur que le soleil envoie à la terre. Par conséquent, le rayon calorifique qui tombe sur un sommet élevé de 3000 mètres, par exemple, traversant une moindre épaisseur d’atmosphère que celui qui descend jusqu’au bord de la mer, doit être plus chaud , toutes choses égales d’ailleurs , que ce dernier rayon qui plonge jusque dans la plaine. L’expérience confirme ce que le raisonnement indique. De Saussure 3 employait un héliothermomètre de son invention. 11 consiste dans une boîte en bois doublée intérieurement de plaques de liège noirci , fermée par trois lames de verre et renfermant un thermomètre. Cet instrument fut exposé au soleil au sommet du Cramont , à

1 Voyages au Pérou, pag. 51 .

5 Voyages dans les Alpes, chap. XXXV.

3 Ibid., § 932.

2 755 mètres au-dessus de la mer, de 2h 12m à 5h 12m, le IG juillet 1774. Le thermomètre , dans l’intérieur de la boîte , s’éleva à 70° R. ; un autre thermomètre exposé au soleil en plein air marqua 5° R.

Le lendemain , à Courmayeur, situé au pied de la montagne et à 1495 mètres au-dessous du sommet, à la même heure et dans les mêmes circonstances, le thermomètre dans la boîte ne monta qu’à G 9° R., c’est-à-dire un degré de moins que sur le Cramont , tandis que celui qui était à l’air libre au soleil marquait 19° R., savoir 14° de plus que sur la montagne. Malgré les objections que la physique moderne pourrait faire à cette expérience , elle prouve néanmoins que la chaleur des rayons solaires est indépendante de la température de l’air , et au moins aussi forte sur la montagne que dans la plaine.

Nous avons fait, M. A. Bravais et moi, des expériences comparatives sur le grand plateau du Mont-Blanc, à 5 950 mètres au-dessus de la mer, avec le pyrhéliomètre à lentille de M. Pouillet. M. Camille Bravais observait au môme instant à Chamounix avec un autre pyrhéliomètre à lentille soigneusement comparé au premier. La différence de niveau des deux stations est de 2 890 mètres. Le 28 août 1844, par un temps parfaitement serein, l’heure moyenne étant 2h 17m, la hauteur du soleil de 45° 21', la chaleur due au soleil fut de 1°,22 sur le grand plateau, et de 1°,09 à Chamounix \ Au grand plateau, la température de l’air à l’ombre, prise avec un thermomètre tourné en fronde, fut de — 2°, 2 ; le même thermomètre fixe exposé aux rayons du soleil marquait + 1°,2. Au même instant, à Chamounix, la température de l’air était de 19°,0 à l’ombre et de 20°, 7 au soleil. Cette expérience prouve, comme celle de de Saussure , que réchauffement solaire est plus fort sur la montagne, quoique la température de l’air fût de 22°, 2 plus basse que dans la vallée.

L’expérience suivante faite le 51 août donne une différence encore plus grande pour la chaleur des rayons solaires ; l’heure moyenne est 8h 8m du matin, la hauteur du soleil 28° 1 0', la chaleur due au soleil 1°, 1 8 sur le grand

1 Les observations pyrhéliométriques ont été calculées d’après la méthode de M. Pouillet, telle que M. A. Bravais l’a développée dans les Voyages en Scandinavie; Météorologie , tom. III , pag. 337.

plateau, et à Chamounix 0°,87 seulement. Au grand plateau le thermomètre marquait à l’ombre — 4°, 1; à Chamounix, M. Camille Bravais lisait au même instant 12°, 0 à l’ombre, et 15°, 6 au soleil. En résumé, dans les deux expériences la chaleur solaire a été plus intense de 0°, 15 dans la première, et de 0°,51 dans la seconde, sur la montagne que dans la plaine. Si cette différence paraît insignifiante à quelques lecteurs, au moins admettront-ils que les rayons solaires avaient une force calorifique aussi grande dans l’air froid et raréfié du grand plateau, que dans l’air plus dense et plus chaud de Chamounix.

DE l’ÉCHAUFFEMENT DU SOL DES HAUTES MONTAGNES.

Les physiciens connaissent toutes les objections qu’on peut adresser à l’héliothermomètre de de Saussure , à l’actinomètre d’Herschel et aux deux pyrhéliomètres de M. Pouillet ; mais la nature nous offre un moyen d’apprécier directement faction échauffante du soleil, en plaçant des thermomètres à la surface et à une certaine profondeur dans le sol. Nous avons ainsi l’avantage de mesurer réchauffement du corps le plus influent sur la température de la couche inférieure de l’atmosphère où vivent les êtres organisés.

Les observations de température du sol des montagnes prouvent qu’il s’échauffe relativement beaucoup plus que l’air; tandis que dans la plaine la température moyenne de l’air est presque toujours supérieure à celle du sol. Je vais essayer de le prouver par l’observation directe. En 1842, Peltier et Auguste Bravais ont fait, du 1 0 au 1 8 août, une série d’observations météorologiques bihoraires au sommet du Faulhorn, à 2 680 mètres au-dessus de la mer; la température moyenne de l’air à l’ombre a été de 6°, 67, celle du sol à la surface de 9°, 51, et un décimètre de profondeur de 10°, 02. La moyenne du sol était donc supérieure à celle de l’air de 5°, 1 . Le maximum moyen , véritable expression de la chaleur, met encore mieux en évidence réchauffement du sol ; en effet, tandis que le maximum moyen des neuf jours n’est pour l’air que de 8°, 99, il s’élèveà 13°, 07 pour la couche à un décimètre de profondeur, et à 19°, 48 pour la surface.

Les précieuses séries bihoraires de l’Observatoire de Bruxelles m’apprennent que pendant la même période du 10 au 18 août 1842, la température moyenne de l’air a été de 21°, 65, celle du sol observée à midi 20°, 22 à la

surface, et de 20°, 13 à un décimètre de profondeur. Ainsi à Bruxelles, l’air était en moyenne un peu plus chaud que le sol , tandis qu’il était notablement plus froid sur le Faulhorn.

On aurait tort de supposer que ces différences peuvent dépendre de la hauteur du soleil et de la longueur des jours qui n’étaient pas rigoureusement les mêmes à Bruxelles et sur le Faulhorn ; car leur durée moyenne est, à cette époque, de quatorze heures au Faulhorn et la hauteur moyenne du soleil à midi de 57° 40'. A Bruxelles, la durée du jour moyen était plus longue d’une demi-heure seulement , et la hauteur du soleil 33° 28'.

Pour contrôler les nombres précédents , je compare encore les lectures faites à neuf heures du matin à Bruxelles et au Faulhorn, des températures de l’air et du sol pendant les neuf jours. Je trouve les nombres suivants :

Température moyenne à neuf heures du matin, du 10 au 18 août 1842.

Air. Sol surface. Sol à 0m,l.

Faulhorn : Altitude 2 680”. 7°, 18 16°, 25 9°, 18

Bruxelles : Altitude 50™. 21’, 57 20°, 10 20°,01

On le voit , tandis que les températures de l’air diffèrent aux deux stations de 14°, 39 , celles du sol ne diffèrent que de 3°, 83 à la surface, et de 10°, 83 à la profondeur d’un décimètre. Donc, réchauffement relatif du sol est infiniment plus considérable sur la montagne que dans la plaine.

On pensera peut-être que cet échauffement prodigieux du sol des montagnes n’a lieu que dans le fort de l’été, et ne se continue pas dans l’arrièresaison. Il n’en est point ainsi. Une autre série météorologique, faite par M. Bravais et moi au sommet du Faulhorn , du 21 septembre au 1er octobre 1 844, nous en donne la preuve. La température moyenne de l’air a été 3°, 1 5; celle de la surface du sol 5°, 89, et à 0m,23 de profondeur 3°, 48. Malgré l’obliquité des rayons du soleil, dont la hauteur moyenne à midi était de 42° 24', et des jours de douze heures seulement, réchauffement relatif de la surface du sol fut encore plus intense qu’en été ; car, tandis que le maximum moyen de l’air ne dépasse pas 6°, 01 , celui de la surface du sol atteint 20°, 32.

A Bruxelles , la même année et pendant la même période , la hauteur moyenne du soleil étant à midi de 38» 12', et la durée du jour de 1 1 heures

45 minutes, M. Quetelet et ses aides trouvaient pour la température moyenne de l’air 1 1°,56 ; pour celle du sol au sud et à la surface 1 1°,27, et à 0^,25 de profondeur 12°, 53. En automne, comme en été, nous voyons qu’à Bruxelles la surface du sol s’échauffe moins que l’air , tandis qu’elle s’échauffe deux fois plus au Faulhorn. A la profondeur de 0m, 2 5, le sol n’était que d’un degré plus chaud que l’air à Bruxelles ; au Faulhorn, la différence dépassait deux degrés.

Mais , dira-t-on , le sommet du Faulhorn touche à la limite des neiges éternelles; la moyenne annuelle de l’air est inférieure à zéro. Bruxelles, au contraire, jouit d’un climat tempéré : ces deux localités ne sont donc pas parfaitement comparables. Quoique l’objection ne soit pas fondée, je choisis une localité située au bord de la mer, où la température moyenne de l’année est de + 0°,50 seulement, et où le sol, comme sur le Faulhorn, n’est dépouillé de neige que pendant trois mois de l’année : c’est Bossekop, en Laponie. Je profite d’une série météorologique faite avec le plus grand soin par MM. Lottin, Bravais, Lillihoeck et Siljistroem; elle comprend les dix derniers jours de septembre 1838, et correspond donc parfaitement à la série du Faulhorn en 1844. Le petit tableau suivant met les chiffres en regard :

A Bossekop , au bord de la mer, la température de l’air est supérieure à celle du sol encore libre de neige ; au Faulhorn c’est le contraire. Par une singulière coïncidence, les températures du sol sont sensiblement les mêmes 5°, 58 et 5°, 50. Mais à Bossekop cette température correspond aune température de l’air de 7°, 55 ; sur le Faulhorn elle n’est que de 3°, 44. Je n’oublie pas que le soleil était plus haut et les journées un peu plus longues au Faulhorn qu’à Bossekop'. Néanmoins, sous le 70e degré, comme dans les

’ Hauteur moyenne du soleil à midi : Faulhorn, 38° 12’ ; Bossekop , i 9° 6 Durée du jour ; Faulhorn, 12h; Bossekop, llh15m.

Bossekop; latitude 70°0'N., altitude 10®

Sol, à 0®, 2: 5o,58.

,ào®,25:5°,5o.

Faulhorn; latitude 46° 40' N., altitude 2680®..

latitudes moyennes, l’air s’échauffe plus que la surface du sol : toutefois, dans le Nord, la chaleur du sol à huit mètres de profondeur est un peu supérieure à la moyenne annuelle de l’air. M. A. Bravais1 2 a mis hors de doute ce fait remarquable de physique du globe , déjà soupçonné par Wahlenberg et de Buch au commencement du siècle.

Je rappellerai enfin comme dernier point de comparaison, les observations déjà citées (pag. 18) de Magdalena-Bay au Spitzberg, par 70° 54' de latitude septentrionale. A cette latitude, on peut dire réellement que la limite des neiges perpétuelles est au bord de la mer, car elles ne fondent au fort de l’été que sur quelques talus inclinés et tournés vers le Midi ; partout ailleurs elles descendent jusqu’au rivage. Les conditions sont donc parfaitement comparables à celles du Faulhorn, puisque la limite générale des neiges éternelles dans les Alpes est à 2 708 mètres a. Le sommet du Faulhorn, qui s’élève à 2 685 mètres, touche à cette limite. Malgré cette analogie dans les circonstances physiques et climatologiques , au Spitzberg la température du sol àOm,55 audessous de la surface du sol était inférieure d’un degré à celle de l’air.

A la profondeur d’un mètre, la température du sol sur le Faulhorn so rapprochait de celle de l’air. En 1855, M. G. Bischof, professeur à Bonn, avait fait creuser un trou vertical de lm,l de profondeur, garni intérieurement de planches et dont 1’oriflce était à 2 670 mètres au-dessus de la mer. En 1841 j’y plaçai à demeure un thermomètre à alcool entouré de corps mauvais conducteurs. Au-dessus de l’instrument le trou ôtait rempli de foin et recouvert d’une planche et d’une grosse pierre. Quatre lectures échelonnées du 19 juillet au 8 août 1841, m’ont donné pour température moyenne 2°, 66 ; celle de l’air pendant la même période ôtant de 5°, 10. Le même thermomètre descendu dans le même trou marquait le 1er octobre 1844, après y être resté plusieurs jours, 4°, 00 ; la température moyenne de l’air des onze jours précédents étant de 5°, 15. On reconnaît qu’en juillet et août la température du sol à lm,l de profondeur était inférieure de 0°,44 à celle de l’air; fin septembre elle lui était supérieure de 0°,85.

Je désirais me faire une idée de réchauffement relatif du sol à la hauteur

1 \nyages en Scandinavie; Météorologie, lom. III, pag. 259.

2 A. de Humboldt ; Asie centrale , tom. III, le tableau, pag. 359,

de 5 930 mètres. La roche n’étant pas à découvert, mais ensevelie sous 1a glace et la neige, j’avais emporté de Paris du sable siliceux de Fontainebleau, afin d’opérer sur une substance parfaitement comparable. Ce sable était contenu dans une grande boîte en carton. Je couchais un thermomètre sur la surface, de façon que sa boule fût légèrement recouverte de sable. Neuf observations faites le 30 et le 31 août 1844, entre neuf heures du matin et quatre heures du soir, m’ont donné les résultats suivants : la température moyenne du sable exposé au soleil a été de 12°, 3 ; celle de l’air à l’ombre étant — 3°, 1 . Le plus grand écart entre le sable et l’air a été observé à dix heures du matin, il s’est élevé à 23°, 1 ; le moindre, à quatre heures du soir, 6°, 9. Ces observations confirment celles faites sur le sommet du Faulhorn, à 1 230 mètres plus bas ; elles nous montrent que réchauffement du sol par le soleil décroît infiniment plus lentement avec la hauteur, que celui de l’air qui se trouve en contact avec lui.

Cet échauffement relativement si notable de la surface du sol, exerce une puissante influence sur la géographie physique des hautes Alpes ; c’est lui qui relève la limite des neiges éternelles , dont la fusion est due principalement à réchauffement du sol. Tous les voyageurs qui ont abordé ces hautes régions savent que, dans les Alpes, les neiges fondent principalement en dessous , par l’effet de la chaleur de la terre. Souvent, quand on met le pied sur le bord d’un champ de neige, le poids du corps fait rompre une croûte superficielle qui ne repose pas sur le sol, dont la chaleur a fondu la couche de neige en contact avec lui. Quelquefois le voyageur aperçoit avec étonnement sous ces voûtes glacées, des soldanelles ( Soldanella alpina L. et S. Clusii Thom.) en fleurs, et les rosettes de feuilles du vulgaire pissenlit. 11 n’en est pas de même au Spitzberg , où le bord du champ de neige repose toujours sur le sol. C’est encore la fonte des neiges au contact du sol qui détermine le glissement de ces champs de neige qui forment les avalanches du printemps; enfin, c’est cet échauffement qui nous explique la variété d’espèces végétales et le nombre d’individus qui couvrent le sol à la limite même des neiges éternelles. Étant toutes herbacées , elles n’enfoncent leurs racines que dans la couche superficielle du sol , précisément celle qui , comme nous l’avons vu, s’échauffe si fortement au soleil. La couleur noire du terreau végétal favorise encore l’absorption de la chaleur; aussi, sur le cône

terminal du Faulhorn, dont la hauteur est de 80 mètres et la superficie de 4 hectares et demi, ai-je recueilli 151 espèces phanérogames. L’île entière du Spitzberg, longue de cent lieues et large de cinquante, n’en renferme que 82. Aux Grands-Mulets, rochers de protogine schisteuse surgissant au milieu des glaciers du Mont-Blanc, à 5 050 mètres au-dessus de la mer, et par conséquent à 540 mètres au-dessus de la limite des neiges perpétuelles , j’ai encore pu cueillir 19 phanérogames ' . Mais aussi, le 28 juillet 1846, la température de l’air à l’ombre étant à 9°, 4, au soleil à 11°, 4, celle du gravier schisteux dans lequel végétaient ces plantes s’élevait à 29°, 0.

Dans les Alpes, les plantes sont chauffées par le sol qui les porte plus que par l’air qui les baigne , et une vive lumière favorise leurs fonctions respiratoires, principalement la décomposition de l’acide carbonique de l’air. Dès que la température s’approche de zéro pendant le jour, une couche de neige récemment tombée les préserve des froids accidentels qui , même au fort de l’été, accompagnent toujours le mauvais temps sur les hautes montagnes. Également sensibles au froid et à la chaleur, elles ne peuvent supporter de grands écarts de température; sans cesse humectées par les nuages ou arrosées par les eaux qui s’écoulent des neiges fondantes, elles exigent pour prospérer dans les plaines les soins les plus minutieux : l’horticulteur doit les défendre contre les froids de l’hiver et les préserver des chaleurs de l’été , veiller à ce que l’air et le sol ne soient ni trop humides ni trop secs , sans néanmoins les soustraire à l'influence de la lumière qui colore leurs fleurs de teintes si belles et si variées. Au Spitzberg, au contraire, malgré le jour perpétuel de l’été, la végétation est pauvre et clairsemée parce que les rayons obliques du soleil, absorbés en partie par la grande épaisseur d’atmosphère qu’ils traversent , n’ont le pouvoir ni d’éclairer ni d’échauffer cette terre glacée.

On trouve à de grandes élévations dans les Alpes, au Faulhorn à 2 680 mètres, sur le Rothhom à 2 250 mètres , dans la vallée d’Urseren de 1 600 à

1 Ce sont : Draba fladnisensis, Wulff; Cardamine bellidifolia , L. ; Silene acaulis, L. ; Potentilla frigida, Vill.; Pbyteuma hæmisphericum, L; Erigeron uniflorum,L. ; Pyrethrum alpinum, Willd. ; Saxifraga bryoides, L. ; S. groenlandica, L. ; S. muscoides, Auct. ; Androsace helvetica, Gaud. ; A. pubescens. DC. ; Gentiana verna, L.; Luzula spicata, DG.; Fesluca Halleri, Vill.; Poa taxa, Haencke; P. cæsia, Sm. ; Agrostis rupestris, Ail.; Carex nigra, Ail.

2 400 mètres, aux Grands-Mulets à 5 050 mètres , et même suivant Hugi sur le col de la Strahleck à 5 1 50 mètres, et sur le Finster-Aarhorn à 5 900 mètres, un campagnol auquel j’ai donné le nom1 2 de Campagnol des neiges ( Arvicola nivalis). Cet animal ne tombe pas en léthargie et ne descend pas dans la plaine en hiver ; il passe la mauvaise saison dans des terriers qui ne s’enfoncent pas au-delà de trois décimètres dans le sol. Comment y vivrait-il si la température du sol s’abaissait beaucoup au-dessous de zéro ? Mais la terre conserve sous la neige la chaleur qu’elle a acquise pendant l’été: le 2 octobre 1 844 , veille de la chute des premières neiges , elle était de 4°, 67.

DE i/ÉCHAUFFEMENT DE l’AIR DES HAUTES MONTAGNES.

Si le sol s’échauffe presque autant sur la montagne que dans la plaine , il n’en est pas de même de l’air. Nul physicien ne s’en étonnera. Sa raréfaction étant d’autant plus grande qu’on s’élève davantage, il absorbe beaucoup moins la chaleur des rayons solaires directs ou réfléchis, que l’air plus dense des régions inférieures ; il s’échauffe donc fort peu, quoique les rayons solaires soient relativement plus chauds à une certaine élévation dans l’atmosphère qu’au niveau de la mer. Mais il y a une autre raison que Bouguer et de Saussure avaient déjà parfaitement comprise 3 . L’air s’échauffe principalement par le contact et le rayonnement du sol préalablement chauffé par le soleil. Or, dans la plaine, la couche d’air est en contact avec une surface pour ainsi dire illimitée qui lui communique sa température ; sur un sommet pointu et isolé comme le Faulhorn, au contraire, la surface en contact avec l’air étant de peu d’étendue et limitée , sa puissance calorifique l’est également ; aussi est-il très-probable que sur des plateaux élevés, la différence entre la température du sol et celle de l’air est moindre que sur des sommets isolés. Une autre cause s’oppose au réchauffement de l’air par le sol sur un sommet isolé; c’est son renouvellement incessant. Dans les vallées, quand l’atmosphère est tranquille , la couche d’air inférieure s’échauffe au conctact

1 Das Wesen der Gletscher, pag. 41 ; 1842.

2 Voyez, pour les détails, deux notes sur V Arvicola nivalis. ( Annales des sciences naturelles. 2e série, tom. XIX, pag. 87, 1843; et 3e série, tom. VIII, pag. 193; 1847.)

3 Voyages dans les Alpes, § 932.

du sol jusqu’à ce que l’équilibre soit rompu et qu’un courant ascendant s’établisse et entraîne l’air chaud. Cependant le phénomène du mirage nous prouve que, dans les plaines, la couche inférieure, échauffée et moins dense que les supérieures, reste pour ainsi dire adhérente à la surface du sol. 11 n’en est pas de même le long des flancs d’un pic isolé , où la pression des couches supérieures est moindre, et où l’air glisse le long des pentes échauffées par le soleil ; c’est un phénomène dont on est témoin presque tous les matins quand on séjourne sur un sommet. Lorsque le temps est beau, les vapeurs de la plaine s’élèvent régulièrement du fond des vallées dans la matinée , et montent peu à peu vers les sommets qu’elles enveloppent souvent de nuages dans le milieu du jour.

En résumé, pour toutes les raisons que nous avons données, l’air doit s’échauffer moins que le sol sur un sommet élevé ; nous allons voir bientôt qu’il doit également se refroidir infiniment plus que l’air des plaines. Ces causes réunies nous expliqueront le phénomène du froid sur les montagnes.