CAL CHERS

(3) Dans une première étude sur la question ( Archives des Sciences phys. et nat., Genève, juin 1896), M. Birkeland avait suggéré que les Aurores boréales seraient le trajet lumineux, dans notre atmosphère, de rayons cathodiques émanés du Soleil. IT à abandonné sans doute cette idée quand ses propres expériences lui eurent montré que, pour que les rayons cathodiques se propagent en ligne droite dans la direction des lignes de force d’un champ magnétique (et l'on sait que les rayons de l'Aurore sont orientés comme l'aiguille d'inclinaison et d’une remarquable rectitude, notamment dans les draperies), & faut qu’ils soient produits dans ce champ ; e*est-à-dire que les rayons cathodiques des Aurores boréales doivent être produits dans l'atmosphère elle-méme. Des rayons eathodiques émanés du Soleil s’enrouleraient au contraire autour des lignes de force du champ terrestre et les rayons auroraux auraient une direction toute différente de celle qu'on observe. Diverses expériences de M. Broca, indépendamment de celles de Birkeland, ont également montré que, pour que des rayons cathodiques suivent les lignes de force d’un champ, il faut qu'ils soient engendrés dans ce champ, à moins que la direction de leur émission soit précisément celle du champ, ce qui n’est pas le cas pour le Soleil, car la direction des lignes de force magnétique dans les régions polaires de la Terre est très inclinée sur celle des rayons solaires.

l’électro-aimant en activité, on observe, outre le phénomène bien connu de la succion des rayons cathodiques par les deux pôles, plusieurs anneaux lumineux bien définis dans le gaz voisin de la surface de la sphère; de plus on observe que la surface de l’électro-aimant (enduite au préalable de cyanure double de platine et de baryum) devient parfois fortement phosphorescente juste audessous de l'anneau lumineux situé en dehors d’elle. Cette phosphorescence est due évidemment à des rayons cathodiques émanés de l’anneau lumineux, et M. Birkeland en déduit que ces anneaux sont eux-mêmes des courants électriques engendrés au voisinage de la sphère par les rayons cathodiques.

Les rayons cathodiques émanés du Soleil agiratent de même sur la Terre en produisant des courants électriques, dans l’atmosphère, d’où émaneraient des rayons cathodiques secondaires formant les Aurores boréales.

Telle est, dans ses grandes lignes, la théorie de M. Birkeland. On peut dire qu'elle explique d'une manière complète, à la fois, les formes des Aurores boréales, leur fréquence plus grande près des pôles terrestres, leur orientation caractéristique, leur influence sur la formation des nuages, leur période diurne et leur période undécennale, comme il ressort des développements de l’auteur. Cette théorie est incontestablement plus satisfaisante que toutes celles qui avaient été proposées auparavant par sa simplicité relative et le grand nombre des faits d'observation qu’elle explique. Peut-on la considérer cependant comme définitive et suffisante? M. Birkeland lui-même ne paraît pas le croire; au sujet de l’expérience que nous venons de décrire, il constate lui-même que l’interprétation qu'il en a donnée n’est pas absolument certaine, et qu’il n’a pas pu prouver d'une manière certaine que les anneaux lumineux, que, dans cette expérience, on observe autour de l’électro-aimant sphérique, soient réellement produits par les rayons cathodiques aspirés vers les pôles ("). Rien ne prouve, en effet, que ces anneaux lumineux soient dus aux rayons cathodiques du tube plutôt qu’à la décharge électrique elle-même; l’électro-aimant dans cette expérience se trouve à l’intérieur du tube à gaz raréfié, et il se trouve à la fois sur le trajet de la décharge elle-même et sur celui des rayons cathodiques, c’est-à-dire dans des conditions très différentes de celles de la Terre qui, dans cette hypothèse, se trouve exposée uniquement aux rayons cathodiques venus du Soleil, et en dehors des décharges qui, sur le Soleil même, produisent ces rayons. D'ailleurs rien ne prouve que ces anneaux lumineux autour de l’électro-aimant soient, comme le suppose M. Birkeland, des courants électriques produits autour de celui-ci (?). L'interprétation de cette expérience sur laquelle M. Birkeland appuie son hypothèse peut donc sembler un peu arbitraire.

COLOR Dee (2) Lénard, qui a étudié les rayons cathodiques en dehors du tube excitateur (voir Wiedmann's Annalen, t. I, p. 225 et passim), c’est-à-dire précisément dans les conditions où les rayons catho-

D'autre part, les rayons cathodiques produits à la surface du Soleil seraient particulièrement intenses au voisinage des centres d'activité, et c'est ainsi que M. Birkeland explique la période undécennale des Aurores boréales. D'autre part aussi, les auteurs qui ont émis cette hypothèse d’un rayonnement cathodique du Soleil (Goldstein, Deslandres, etc.) ont indiqué que ce rayonnement doit se propager à peu près normalement à la surface solaire au-dessus du lieu d'émission; comme on sait que les centres d'activité du Soleil ont sur cet astre une répartition à peu près invariable et constante (!), qui a conduit un grand nombre de savants (et notamment M. Birkeland) à penser qu'ils sont dus à un système fixe de cratères fixés invariablement sur un noyau rigide dont la période de rotation est d'environ 26 jours, il s'ensuit que l’on doit s'attendre, si l’explication de M. Birkeland est exacte, à trouver une période nette d'environ 26 jours dans la fréquence des Aurores boréales. Effectivement, Veeder (?) a cru trouver, en étudiant un certain nombre d'Aurores observées aux États-Unis, une période de 27 jours 6 heures; au contraire Hazen (?), par une étude très approfondie de la question, n’a pas trouvé trace d’une période des Aurores boréales d’une durée voisine de la période de rotation -des taches. Mais, comme l’a fait remarquer Backhouse (*), il est bien difficile d’élucider la question, car la période qu'a cru trouver Veeder a presque la même durée qu'une lunaison : lorsque la Lune brille, les Aurores peu intenses demeurent complètement invisibles, ce qui peut sans doute produire une période apparente, mais non réelle des Aurores, voisine de celle trouvée par Veeder. La question était d'autant plus difficile à résoudre que les Aurores ne sont pas visibles chaque nuit, loin de là ; que leur visibilité dépend de conditions météorologiques variables, indépendantes de leur existence, et que, si de l’ensemble des observations on peut déduire quelque chose de certain lorsqu'il s’agit de déceler une périodicité d’une ou de plusieurs années, il n’en est plus de même pour une période de moins d’un mois. Mais nous pouvons envisager la question sous un autre aspect; dans la théorie de M. Birkeland, les perturbations magnétiques sont comme les Aurores produites par les courants atmosphériques dus, dans cette hypothèse, aux rayons cathodiques émanés du Soleil ; 7£ devrait donc exister une périodicité des perturbations magnétiques de duree

diques émanés du Soleil doivent agir sur la Terre, a trouvé que ces rayons n'illaminent ces gaz traversés que quand ceux-ci ont une pression relativement élevée: que, pour des pressions inférieures à 5o"®, ils ny produisent plus de luminescence, et que celle qu'on observe pour des pressions plus faibles (de l’ordre de 1°" et au-dessous) est d’une nature toute différente, et produite non plus par les rayons cathodiques, mais par l’induelion due à la décharge du tube excilateur, car elle n’en subsiste pas moins lorsque, par un dispositif spécial, on a éliminé les rayons cathodiques du tube d’observation : ce qui tend à infirmer l'interprétation que donne M. Birkeland de son expérience.

(1) Poir BIRKELAND, Rapports du Congrès de Physique, 1900, p. 471-479.

(2) Proceedings of the Rochester Academy of Science, vol. I, 1893.

(3) Amer. meteorol. Journal, t. X (1893) et t. XI (1894).

(*) Publications of West Hendon House Observatory Sunderland.

égale à la rotation du noyau solaire, si cette théorie est exacte. Et sur ce point, l’enregistrement continu des variations des éléments magnétiques, enregistre: ment qui ne dépend aucunement, comme l'observation des Aurores, de conditions de visibilité variables, permet de se faire une opinion certaine.

Dans le but de résoudre cette question, M. Arthur Schuster à récemment calculé en détail et d’une manière complète les périodographes des variations de la déclinaison magnétique, en prenant comme base les observations ininterrompues faites à l’observatoire de Greenwich de 1891 à 1895, soit pendant 25 ans. Voici comment il énonce la conclusion de ce travail (!} : « Comme conclusion de mes recherches, je peux définitivement énoncer que la déclinaison magnétique à Greenwich n'indique aucune période sensible comprise entre 25 et 27,5 jours. On peut donc considérer définitivement que la rotation solaire n'exerce aucune influence sur les variations magnétiques. » Il semble que ce fait si net, établi par une autorité comme M. Alfred Schuster, peut paraître de nature à ébranler la théorie de M. Birkeland, pour ce qui est du rôle qu’elle fait jouer au Soleil dans la production des Aurores boréales et des perturbations magnétiques.

Si, d’un autre côté, on examine, à la lumière des faits, la manière dont cette théorie envisage la production des Aurores par des courants électriques qui se produiraient dans l’atmosphère supérieure, on se heurte à une difficulté d’un autre ordre. Si, comme le dit M. Birkeland, « les Aurores boréales se manifestent chaque fois qu’un courant électrique suffisamment dense se produit dans les couches supérieures de l'atmosphère », on devrait observer, chaque fois qu'une Aurore se produtt, une perturbation de l'aiguille aimantée due à ce courant, perturbation d'autant plus grande que l’Aurore est plus brillante. Or il a été établi par l'expérience (Voir ci-dessus) qu'il n’en est rien; que, dans les régions où l’on observe le plus d’Aurores boréales, celles-ci, et même les plus brillantes, se produisent sans la moindre perturbation magnétique, et que l'aiguille aimantée n’est influencée que rarement et faiblement par les Aurores, et seulement par celles qui quoique faibles sont animées de mouvements rapides. H y à à une difficulté qui parait insurmontable avec la théorie de M. Birkeland. Peut-on, dans ces conditions, considérer cette dernière comme pleinement satisfaisante?

Il nous à paru que la considération du rayonnement hertzien émané du Soleil est de nature à apporter quelques éléments de solution au problème des

(1) The Observatory, 1902.

Aurores boréales et à résoudre simplement quelques-unes des difficultés contre lesquelles se butaient les théories antérieures.

Le fait que les grandes Aurores boréales des régions arctiques apparaissent fréquemment sans influencer l'aiguille aimantée et que seules les Aurores à mouvements rapides s’accompagnent parfois de perturbations des aimants semble démontrer que les courants électriques de l’atmosphère, agents de ces perturbations, ne sont pas la cause des Aurores boréales, mais sont des phénomènes concomitants qui n’accompagnent celles-ci que dans certains cas. Ces conclusions se dégagent des faits eux-mêmes, comme M. Paulsen l'avait déjà montré par une étude approfondie des phénomènes (‘). Mais alors se posent nettement les questions suivantes : Des rayons cathodiques peuvent-ils être produits dans les gaz raréfiés autrement que par un courant électrique? Quelle est la nature de l'agent physique qui peut produire ces rayons cathodiques et rendre les gaz raréfiés lumineux sans produire en même temps des courants électriques agissant sur l'aiguille aimantée? Comment des courants électriques peuvent-ils être néanmoins produits par cet agent physique quand les portions de l'atmosphère traversées par lui sont animées de mouvements rapides?

Les ondes hertziennes qui, comme nous l’avons établi, doivent émaner du Soleil, paraissent fournir une réponse à toutes ces questions :

1° On sait que les ondes hertzienues ont la propriété d’illuminer les gaz raréfiés, exactement comme un courant voltaique; 2° On sait notamment par les recherches fondamentales d’Ebert et Wiedmann (?) que, dans la luminescence des gaz raréfiés sous l'influence des oscillations hertziennes, il se produit en abondance dans le sein de ces gaz des rayons cathodiques; 3° Nous avons dans le précédent Chapitre établi que, quand les portions atmosphériques traversées par les ondes hertziennes solaires sont animées de mouvements par rapport au champ magnétique de la Terre, il doit s’y manifester des courants électriques, et cette conception nous a permis d'expliquer les diverses variations périodiques et les perturbations du Magnétisme terrestre.

En un mot, nous pensons que LES AURORES BORÉALES SONT DES PHÉNOMÈNES LUMI- NEUX PRODUITS DANS L'ATMOSPHÈRE SUPÉRIEURE PAR LES ONDES HERTZIENNES ÉMANÉES DU SoLeIL, conformément aux propriétés connues de ces ondes.

Nous allons de nouveau passer rapidement en revue les principaux faits connus relatifs aux Aurores boréales, et montrer comment ils découlent naturellement de cette conception. Nous le ferons dans l’ordre adopté pour l’exposé des faits qui se trouve au début de ce Chapitre.

Formes des Aurores boréales. — Nous avons rappelé que dans les formes variées

(1) PauLsEN, Metcorologische Zeitschrift, 1894, passim. (2) Wied. Ann., 1. LU, p. 156 et suiv.

de l’Aurore boréale, bandes, couronnes radiées, draperies et lueurs diverses, les rayons distincts que l’on observe sont le plus souvent développés dans le sens du zénith, de telle sorte que les apparences formées par l’ensemble des rayons diminuent d'intensité vers le haut et se fondent peu à peu dans le ciel, tandis que le bord inférieur du phénomène est à la fois beaucoup plus intense et nettement délimité vers le bas. L'explication de ces faits parait fort simple : les rayons cathodiques engendrés dans les couches raréfiées de l’atmosphère par les ondes hertziennes solaires s’orientent, comme l’a montré l’expérience, dans le sens des lignes de force du champ magnétique, qui, dans les régions polaires, sont peu différentes de la verticale ; d’autre part, on sait (*) que la phosphorescence produite dans un gaz par les rayons cathodiques est d'autant plus vive que, toutes choses égales d’ailleurs, sa densité est plus grande. Il s'ensuit que, les rayons cathodiques des Aurores se propageant à peu près verticalement, la luminescence des couches d'air traversées par eux est d'autant moins intense que ces couches sont plus raréfiées, c’est-à-dire plus élevées. D'autre part, l'expérience a montré (?) que dans un champ électrique la propagation des rayons cathodiques est favorisée quand elle a lieu dans le sens — + et que dans le sens + — elle est au contraire empêèchée et même annulée lorsque la valeur totale du champ parcouru est égale à la différence de potentiel de décharge de ces rayons. Or le champ électrique de la Terre est vertical et dirigé de l'atmosphère vers le sol, c’est-à-dire que dans les régions voisines des pôles la direction des rayons de l’Aurore est sensiblement celle de ce champ; de plus, l’intensité de ce dernier est de l’ordre de 100 volts par mètre (*), ce qui, pour quelques kilomètres, donne une différence de potentiel de beaucoup supérieure à celles qui suffisent pour la production des rayons cathodiques les plus rapides (*). Les rayons cathodiques produits dans l'atmosphère supérieure ne peuvent donc se propager que vers le zénith, leur propagation vers le sol est rapidement annulée par le champ électrique de la Terre, dont les potentiels croissent avec la hauteur, comme on sait. Il s'ensuit que les apparences radiées des Aurores boréales doivent être nettement arrêtées vers le bas, et développées au contraire dans le sens du zénith. C’est en effet le phénomène qu’on constate et qui, à notre connaissance, n'avait pas été expliqué jusqu'ici.

De plus, les observateurs ont depuis longtemps constaté que fréquemment il se produit des diminutions soudaines ou même des changements brusques de signes accidentels et locaux, dans le champ électrostatique de la Terre. Les rayons des Aurores doivent subir dans leur propagation le contrecoup de ces variations acci-

(1) LÉNaARD, loc. cit.

(2) Viczarn, Les rayons cathodiques, passim.

(3) Exner, Rapports du Congrès de Physique, t. HI. (*) LANGEvIN, Thèse, passim.

dentelles du champ électrique; et ainsi s'expliquent les mouvements rapides des rayons auroraux dans le sens de leur longueur que l’on a observés parfois (*). On dit alors que les rayons auroraux « dansent » ou « dardent ».

Extension des Aurores boréales. — Comme nous l’indiquerons au paragraphe suivant, dans les conditions ordinaires, l’illamination de l’air produite par les rayons cathodiques qu'engendrent dans l'atmosphère supérieure les ondes hertziennes rayonnées du Soleil ne peut être visible que dans les régions polaires ; car là seulement les régions atmosphériques dans lesquelles les ondes solaires peuvent pénétrer sans être absorbées sont suffisamment basses, c’est-à-dire suffisamment denses pour que les rayons cathodiques produits y engendrent une luminosité notable, et assez intense pour être visible malgré la lumière diffuse du ciel.

Mais lorsque, par suite de perturbations violentes de la surface solaire, les décharges électriques qui s’y produisent et simultanément les ondes hertziennes qui en émanent, deviennent beaucoup plus intenses, celles-ci peuvent pénétrer sans être absorbées dans des couches atmosphériques plus basses et plus denses, de telle sorte que les rayons cathodiques produits y engendrent une luminosité suffisamment intense pour être visible.

Ainsi s'explique que certaines Aurores boréales, accompagnant des manifestations intenses d'activité solaire, cessent d’être observables uniquement près des pôles, et peuvent être visibles à des latitudes beaucoup plus méridionales et sur presque toute la Terre. -

Fréquence des Aurores boréales. — A première vue il pourrait paraitre étonnant que les Aurores boréales étant produites par le rayonnement solaire, leur éclat et leur fréquence soient précisément les plus grands dans les régions polaires, où l’insolation est relativement beaucoup moins intense que dans les régions plus voisines de l'équateur. Mais cette anomalie n’est qu'apparente ; car, s’il est vrai qu'au milieu du jour l’insolation est de moins en moins intense à mesure qu’on s'éloigne de l'équateur vers les pôles, un caleul simple va nous montrer que, inversement, la pénétration des rayons solaires dans l'atmosphère, à partir du coucher du Soleil, c’est-à-dire au moment où les Aurores boréales deviennent visibles, est de plus en plus grande à mesure qu’on se rapproche des pôles.

Dans ce raisonnement, nous considérerons, pour simplifier (et sans que cela altère en quoi que ce soit le résultat), que la propagation des ondes électriques dans notre atmosphère est rectiligne. (Plus loin, à propos de l'étude de la Période diurne, nous verrons comment il faut modifier cette manière de voir.) Soient L, et

(1) ANGoT, loc. cit., p. 115. — BiRkELAND, Loc. cit., p. 66 et suiv.

L, les sections de la Terre suivant deux parallèles, de latitudes à, et, (RE solent Ca, et Ca, les rayons de ces deux parallèles (Ca, > Ca, ); soit aussi S la direction des rayons solaires perpendiculaires à Ca, et Ca,, de telle sorte que la moitié de la surface de la Terre, à droite des diamètres Ca, et Ca, est plongée dans la nuit; supposons, pour simplifier, que les rayons cathodiques produits

Fig. 12.

RTC

2LIag °1

Uorppzou V1

de niveau donné de l'atmosphère, correspondant à deux pressions déterminées de l'air; soient respectivement », et n’,, nr, et n', ces couches (il est facile de voir que ces simplifications n’altèrent en rien les résultats du raisonnement). On sait que la pression de l’atmosphère est sensiblement égale sur toute la Terre ; il s'ensuit que les distances respectives de ces couches de niveau entre elles et à la Terre sont égales dans Les deux figures 12 et 13 :

CMP CA et DORE AaCe.

Sie, j, et e, f, sont les rayons solaires qui traversent la couche comprise entre n, et, et entre », et 7, tangentiellement à », et r.,, on voit facilement par le calcul :

1° que C0 > C2; 2° que %; e CEE

(a, et «, étant les angles a, C/, et a, C/,), et que la différence entre e, b, et e,b, d’une part et entre «, et «, d'autre part est d'autant plus grande que le rayon Ca, est plus petit par rapport à Ca,, c’est-à-dire que le cercle de latitude £, est plus voisin des pôles : ce qui signifie (étant donné d’autre part que les Aurores boréales ainsi produites ne peuvent être visibles qu’en b, /, et b,f, puisque les portions de la surface terrestre au-dessous de e,b, et e,b, sont encore éclairées par le Soleil), d’une part, que les rayons hertziens du Soleil traversent, avant d'arriver dans les régions atmosphériques où ils produisent des Aurores boréales visibles, une épaisseur de gaz absorbant beaucoup moins grande à mesure qu’on s'éloigne de l’équateur vers les pôles (!) (puisque e, be, b,) et, d'autre part, qu'il peuvent produire des Aurores boréales pendant un temps beaucoup plus long après le coucher du Soleil, à mesure que la latitude augmente (puisque à, a; ).

Nous pouvons illustrer ce résultat par un exemple numérique. Considérons, par exemple, le parallèle L, comme étant celui qui passe par le centre de la France (latitude À, — 47°) et le parallèle L, comme passant par le nord de la Scandinavie (latitude X, = 70°). On a alors sensiblement, R étant le rayon

équatorial de la Terre :

Ca =R cos 47° =R x 0,68,

Cas =R' COS To ER Top

d'autre part les figures de la page précédente donnent les relations :

CA — 1 Car + 24 b, + bic) bc,

Es bo —= (20 + 24, b: + bc) b,c;,;

ou, sensiblement, puisque l’épaisseur de l'atmosphère absorbante est petite par rapport du rayon terrestre :

eb, —2Ca x bic,

C0 = 0e DCS

(1) C'est-à-dire que l'intensité des Aurores boréales, leur éclat, leur nombre, augmentent à mesure qu’on se rapproche des pôles.

et comme b,c, — b,c,, on a finalement

CAUA Or ne, GUN MRC ES 02

€; b, —— Ca ba << V2:

d’où

Si l’on considère comme égale à l’unité l'amplitude des rayons hertziens solaires quand ils entrent dans notre atmosphère, et si x est un certain nombre qui dépend du pouvoir absorbant des diverses couches de l’atmosphère, il s'ensuit que l’amplitude des rayons hertziens solaires, quand ils pénètrent dans le côté soir de l'atmosphère, est :

en Norvège

eExXE bi — À, ; en France e-rxe,b,xV? — A; et Be À, — AY È

par suite, en désignant par I, et I, les intensités correspondantes (qui sont entre elles comme les carrés des amplitudes),

Le (a) ue

c’est-à-dire que si à une hauteur donnée dans l’atmosphère les rayons hertziens du Soleil ont subi une absorption telle que, au moment où ils pénètrent dans le côté soir de l'atmosphère, au-dessus de la Norvège, leur amplitude est réduite par exemple à + de sa valeur antérieure à l'absorption atmosphérique, il s'ensuit qu'en France, et à la même hauteur au-dessus du sol, l'intensité des ondes hertziennes au moment où elles pénètrent dans Le côté soir de l'atmosphère sera inférieure à Æ (égale exactement à 0,014) de ce qu’elle est en Norvège dans les mêmes conditions ; si l’amplitude en un point de l’atmosphère en Norvège est, toutes choses égales d’ailleurs, réduite à — par l'absorption des rayons avant qu'ils arrivent du côté soir, leur intensité à la même hauteur ne sera en France que 4 de ce qu’elle est en Norvège.

On conçoit dans ces conditions que l'intensité et la fréquence des phénomènes auroraux augmentent rapidement à mesure qu’on s’élève en latitude.

Il est une autre raison qui doit favoriser encore l’augmentation de la fréquence des Aurores à mesure qu'on se rapproche des pôles : c’est la diminution de tem-

pérature. L'expérience a en effet montré que la luminescence électrique des gaz

est d'autant plus vive, toutes choses égales d’ailleurs, que la température est plus basse.

Si aucune autre cause n'intervenait la fréquence des Aurores boréales devrait donc avoir son maximum aux pôles de la Terre. Mais, comme nous le montrerons ci-dessous à propos de la période diurne, l'intensité des phénomènes auroraux en un point de l'atmosphère supérieure dépend, non seulement de l'intensité des ondes hertziennes solaires qui y pénètrent pendant la soirée et la nuit, mais aussi de l’iontsation antérieure plus ou moins intense de cette portion atmosphérique; cette ionisation préalable, comme nous l’indiquerons, est d'autant plus intense, toutes choses égales d’ailleurs, que l’insolation pendant le jour a été plus vive; et l’on sait que celle-ci est maximum à l’équateur et décroît rapidement à mesure qu’on se rapproche des pôles, c’est-à-dire à mesure que les rayons solaires pénètrent plus obliquement dans l'atmosphère.

La fréquence maximum des Aurores doit donc se produire non pas aux pôles, mais à une certaine distance de celui-ci, et &/ doit exister autour des pôles une zone de fréquence maximum des Aurores boréales. C’est ce qui a été depuis longtemps constaté. (Voir ci-dessus, c.)

D'autre part, la direction et l’intensité du champ magnétique terrestre interviennent également dans la production des phénomènes auroraux. MM. Ébert et Wiedmann ont, en effet, montré expérimentalement que quand des oscillations électriques traversent un gazraréfié, l’illumination produite dans ce gaz estrendue beaucoup plus vive quand un champ magnétique est disposé dans ce gaz de telle manière que ses lignes de force soient perpendiculaires à la direction de la force électrique des oscillations, ce qui n’a pas lieu, au contraire, quand cette dernière direction coincide avec celle des lignes de force (!). Or nous verrons ci-dessous, à propos de la Période diurne des Aurores, que la force électrique des oscillations hertziennes émanées du Soleil doit être sensiblement normale en chaque point à la surface des couches atmosphériques conductrices le long desquelles elles se propagent; comme d'autre part les lignes de force du champ magnétique terrestre sont sensiblement, à l’équateur, parallèles à la surface de la Terre, c’està-dire à la surface de ces couches, et qu’à mesure qu’on se rapproche du pôle elles s’inclinent de plus en plus jusqu’à devenir verticales, il s'ensuit que, toutes choses égales d'ailleurs, la production des phénomènes auroraux deviendrait de moins en moins intense à mesure qu’on se rapproche du pôle magnétique.

Si le pôle magnétique de la Terre se confondait avec le pôle de rotation, la zone de fréquence maximum des Aurores boréales serait à une certaine distance du pôle commun et centrée sur celui-ci. Mais le pôle de rotation et le pôle magnétique sont, en réalité, assez éloignés l’un de l’autre; comme d’autre part,

(1) Éserr et WiEDMANN, Wied. Ann., t. LXII, p. 182.

ainsi que nous venons de le voir, des deux causes qui tendent à limiter l’accroissement de la fréquence des Aurores boréales à mesure qu'on s'éloigne de l'équateur, l’une a son maximum d’effet au pole de rotation, et l’autre au pôle magnétique de la Terre, &/ s'ensuit que la zone de fréquence maximum des Aurores boréales doit être grossièrement centrée sur un point situé entre le pôle magnétique el le pôle de rotation de la Terre.

C'est effectivement ce que l'observation a révélé depuis longtemps (!).

Hauteur des Aurores boréales. — TL'expérience a montré (?) que les gaz ne deviennent luminescents sous l'influence des ondes hertziennes, avec production de rayons cathodiques, que quand ces ondes ont une certaine énergie minima. Or, 1l suflit de se reporter à la figure et aux calculs du Paragraphe précédent pour s'assurer que les rayons hertziens du Soleil peuvent, près des pôles, pénétrer dans les régions atmosphériques où se produisent des Aurores boréales visibles, jusqu'à une distance du sol beaucoup moins grande que la hauteur minima à laquelle pénètrent, dans des pays plus voisins de l'équateur, des ondes ayant subi une absorption égale, toutes choses égales d’ailleurs, de la part des couches atmosphériques traversées. (Cela résulte immédiatement de l’iné- LAON 7)

L'expérience a montré (voir ci-dessus, d) que dans les régions arctiques la partie inférieure des Aurores n’est fréquemment qu'à une vingtaine de kilomètres au-dessus du sol, tandis que dans les régions plus méridionales (Suède, par exemple) elle ne descend guère au-dessous de 80", Or, un calcul simple analogue à celui que nous avons fait ci-dessus montre que tel est précisément l'ordre de grandeur des différences que permet de prévoir notre théorie entre les hauteurs des phénomènes auroraux en Suède et dans les régions où séjournent habituellement les expéditions polaires.

Deux circonstances doivent, en outre, favoriser l’abaissement de la hauteur des Aurores à mesure qu’on s’élève en latitude : d’une part, l'expérience à montré (?) que la luminescence électrique des gaz est d’autant plus intense que la température est plus basse, c’est-à-dire que, même si l'intensité des ondes hertziennes solaires quand elles pénètrent dans le côté soir de l'atmosphère était la même, à une même hauteur en tous Les points du globe (ce qui n’est pas, comme nous venons de le voir), la production des Aurores pourrait avoir lieu à une hauteur de moins en moins grande au-dessus du sol à mesure qu'on rencontrerait, en s’avançant de l'équateur vers les pôles, des régions où la température est de moins en moins élevée; d'autre part, nous avons admis, pour sim-

(1) ANGoT, Loc. cit., p. 106 et suivantes. — LEMSTRÜM, loc. cit., passim. CCR om bete (5) J. Srark, Wed, Ann, [4], t. I, p, 424.

plifier les calculs précédents, que la hauteur des diverses couches de niveau de l'atmosphère au-dessus du sol est la même à toutes les latitudes; or, l’étude du baromètre et la formule de Laplace montrent qu’il n’en est rien et que les couches de niveau se rapprochent du sol à mesure qu’on s'élève en latitude. Ainsi la formule de Laplace montre que la couche de niveau de l'atmosphère correspondant à une pression de 5% est (en fixant la température de l'équateur à + 25° et du pôle à — 12°) à 38" du sol à l’équateur et à 34" seulement au pôle; cette différence augmente rapidement, comme le montre le calcul, à mesure que l’on considère des couches de plus en plus élevées; et cette circonstance tend à fortifier les résultats auxquels nous sommes arrivé relativement à la diminution de hauteur des Aurores boréales avec la latitude.

À notre connaissance, on n'avait pas encore présenté d'explication rationnelle de ces faits.

Au point de vue quantitatif, notre conception ne les explique, semble-t-1l, pas moins aisément. Nous avons rappelé, à propos du spectre de l’Aurore (voir f), que M. Ramsay a calculé que la pression, dans le tube de Geissler, où il produisait électriquement la raie verte du crypton qui est celle de l’Aurore boréale, pouvait descendre, sans que la raie cesse de se produire, jusqu'à une valeur qui correspond à une hauteur atmosphérique comprise entre 100"? et 200k" audessus du sol. Tel est bien l’ordre de grandeur des altitudes qu’on a trouvées pour les Aurores élevées des latitudes moyennes. D'autre part, les mesures les plus concordantes faites dans les régions arctiques conduisent, pour le bord inférieur des Aurores, à des hauteurs d’environ 30", La pression de l’air à cette altitude est, comme le montre la formule de Laplace (‘), d'environ 5%", Or, MM. Ébert et Wiedmann ont trouvé que dans les récipients à gaz raréfiés sur lesquels ils faisaient agir les oscillations hertziennes, il y avait déjà une production notable de rayons cathodiques pour une pression d'environ 2°" et que les limites de pression entre lesquelles a lieu cette production de rayons cathodiques croissent extrêmement vite à mesure qu'augmente le volume du récipient (?).

On peut donc conclure que les limites entre lesquelles oscillent les hauteurs des Aurores boréales, telles qu’elles ressortent des mesures les plus concordantes, sont du même ordre que celles qui correspondent à la production de la luminescence cathodique dans les gaz raréfiés sous l'influence des ondes hertziennes. Ce qui est bien conforme à notre conception.

Orientation des rayons auroraux. — Les expériences de M. Birkeland ont montré que les rayons cathodiques produits au sein d’un gaz dans un champ

(1) ANGOT, loc. cit., p. 229.

(2) Wied. Ann., loc. cit., passim.

magnétique s’orientent suivant les lignes de force de ce champ; et ainsi s'explique, comme nous l’avons déjà indiqué, l'orientation des rayons de l’Aurore boréale : soit qu’ils demeurent isolés Les uns des autres, soit que, serrés, leur ensemble se manifeste par ces formes variées des bandes, des draperies, des couronnes, ils conservent la direction de l'aiguille d’inclinaison, de telle sorte que, par l'effet de la perspective, ils doivent paraître converger vers le point du ciel où la direction de l’aiguille aimantée rencontre la voûte céleste. C’est effectivement ce qu’on observe. Cependant, divers observateurs, et notamment Bravais, Argelander, etc., ont fréquemment constaté que la direction des rayons auroraux est notablement différente, et dans des azimuts variables, de la direction de l'aiguille d’inclinaison. Mais cela s'explique aisément : il ressort, en effet, des expériences de J.-J. Thomson (!) et Lénard (?) notamment, que dans un champ électrostatique les rayons Ccathodiques sont déviés de leur direction initiale dans le sens des potentiels croissants et déjà pour une valeur assez faible du champ; et dans ces conditions on conçoit que toutes les variations locales de la direction du champ électrostatique terrestre dans les régions polaires, variations qui se produisent souvent dans l’atmosphère, comme on l’a constaté depuis longtemps, doivent

affecter les rayons auroraux et leur donner parfois une direction assez différente de celle de l’aiguille d’inclinaison.

Spectre de l’Aurore. — Il est constitué, comme il résulte des travaux de Ramsay, Paulsen et Scheiner (voir f), outre la raie verte du crypton, par le spectre de la lumière entourant la cathode d’un tube à air raréfié. Or, précisément, l'expérience a montré que les ondes hertziennes illuminant les gaz à basse pression y produisent exclusivement la lumière qui, dans les tubes de Geissler, entoure la cathode (Glimmlicht) (*). Donc les caractères spectraux si particuliers de la lumière des Aurores boréales sont exactement ceux que permettait de prévoir notre conception.

Périodicité des Aurores boréales. — Nous avons exposé, au début de ce Chapitre, les principaux faits révélés par l'observation relativement aux diverses variations périodiques des Aurores boréales. Il semble que la plupart de ces faits découlent d'eux-mêmes, comme des conséquences logiques, de la manière dont nous envisageons la cause des Aurores boréales :

1° Période diurne. — A. Si les rayons hertziens émanés du Soleil avaient une propagation rigoureusement rectiligne, on ne conçoit évidemment pas comment

(1) Philos. Mag., t. XLIV, p. 296.

(2) Wied. Ann., t. LXIV, p. 279.

(5) Wied Ann., t. LIT, p. 253.

ils pourraient pénétrer dans l'atmosphère au-dessus des régions du globe pour lesquelles le Soleil est couché depuis longtemps, etles Aurores boréales ne pourraient pas être produites en un lieu donné, par ces rayons, pendant un temps très appréciable après la fin du crépuscule.

Mais en réalité la théorie montre que l'influence de la diffraction, qui ne modifie que faiblement la propagation de la lumière lorsqu'elle rencontre un obstacle, est d'autant plus marquée que la longueur d’onde est plus grande; done les ondes hertziennes, qui sont plus de un million de fois plus longues que les ondes lumineuses, pénétreront beaucoup plus facilement dans l’ombre géométrique, et contourneront ainsi des obstacles qui nous paraissent énormes, tels que la convexité du globe terrestre qui, pour des distances de plusieurs milliers de kilomètres, représente un obstacle de plusieurs centaines de kilomètres de hauteur.

Ex rar, on envoie aujourd'hui couramment, grâce aux travaux de M. Marconi, sur la télégraphie sans fil, des dépêches par le moyen des ondes hertziennes entre Terre-Neuve et la Cornouaille (Angleterre), qui sont à trois heures de différence de longitude, soit{du tour complet de la Terre, et il ne paraît pas douteux que l’on parvienne dans un avenir plus ou moins prochain, et par l'emploi de générateurs d’ondes plus énergiques, à transmettre des signaux hertziens sensibles à des distances bien plus considérables encore.

En ruéore, le problème a été traité récemment par M. Macdonald (*)}, à l’aide des équations fondamentales de la théorie électromagnétique de la lumière. Il a étudié, comme cas particulier, celui (qui est précisément celui de la télégraphie sans fil) d’un oscillateur placé en dehors d’une sphère conductrice, et envoyant sur celle-ci des ondes électriques. Les résultats de M. Macdonald tendent à démontrer que les ondes peuvent contourner complètement la surface de cette sphère.

Mais,sans même qu’il soit nécessaire que nous nous appuyions surces résultats théoriques, nous pouvons tirer des résultats expérimentaux obtenus jusqu'ici en télégraphie sans fil, des conséquences décisives relativement à la question qui nous occupe.

Dans les expériences de Marconi, on a envoyé des ondes hertziennes sensibles entre Terre-Neuve et la Cornouaille, entre des stations dont la différence de longitude est environ 45°, et qui sur un grand cercle terrestre passant par elles sont à une distance angulaire d'environ 30°. — D'autre part, l'expérience a montré que, dans la télégraphie sans fil, les ondes hertziennes paraissent contourner la convexité du globe plus facilement, lorsqu'elles se propagent le long

(1) The bending of electric waves round a conducting obstacle (Proceedings of the R. S., 1903, n° 479,

D250ne

d’une surface relativement conductrice (la mer), que le long du sol, dont la conductibilité est pratiquement négligeable par rapport à celle de l’eau de mer.

Mais on sait que les gaz raréfiés se comportent vis-à-vis des ondes hertziennes comme des conducteurs; les expériences de M. J.-J. Thomson ont établi, en particulier, que la conductibilité de l'air raréfié passe par un maximum pour une pression de 1"% environ, et qu’elle est alors du même ordre que celle des électrolytes très étendus. Or la formule de Laplace montre que la pression de l'air est d'environ 1"% à une hauteur d'environ 50", et qu’elle n’est déjà plus que 0%%,1 à 151% au-dessus, ce qui correspond à une conductibilité énormément plus faible; on peut donc envisager la terre comme entourée d’une couche sphérique conductrice située à environ Sol" au-dessus du sol, et le long de laquelle les ondes hertziennes solaires doivent se propager, comme les ondes hertziennes de la télégraphie sans fil, à la surface des mers.

C'est-à-dire que, en considérant par exemple le Soleil à l’équinoxe, ce qui est sa position moyenne, et en admettant, pour fixer les idées, que les ondes hertziennes solaires n'aient plus, lorsqu'elles arrivent au voisinage de la terre, qu’une intensité égale à celle des ondes produites artificiellement dans les récentes expériences de Marconi (et ceci est certainement bien au-dessous de la vérité, étant donnée la violence extraordinaire des mouvements éruptifs de la photosphère, où se produisent les décharges électriques engendrant ces ondes), il s'ensuit que ces ondes solaires à minuit (et a fortiori, plus tôt ou plus tard dans la nuit) ont dans les hautes couches de l’atmosphère, et toutes choses égales d’ailleurs, une intensité qui serait sensible à nos appareils, et cela dans toutes les régions situées à moins de 30° du pôle, c’est-à-dire dans celles précisément où l’on observe ordinairement les Aurores boréales.

En résumé : es ondes hertziennes émances du Soleil pénètrent dans l'ombre géometrique de la Terre, en suivant la courbure de la couche conductrice de l'atmosphère; elles pénètrent dans toute la portion de l'atmosphère plongee dans la nuït, au-dessus des régions où l’on observe des Aurores boreales.

ll est d’ailleurs évident que l’intensité des ondes hertziennes solaires, qui parviennent la nuit en un point de l'atmosphère, est d'autant plus grande que le Soleil est moins bas au-dessous de l'horizon, c’est-à-dire que sa distance zénithale Z est plus petite en ce lieu.

Or la distance zénithale d’un astre d’angle horaire H et de distance polaire %, en un lieu de colatitude À, est donnée par la formule fondamentale de lastronomie sphérique.

cosZ — cos® cosÀ + sin sin} cosH.

Si l’on donne à ® la valeur moyenne de la distance polaire du Soleil 8 = 90°,

cette formule se réduit à cos Z = sin À cos H.

On peut tirer de cette formule une conséquence remarquable : Pour une valeur donnée de H, c’est-à-dire à une heure donnée, cos Z varie comme sin À, c'est-àdire comme le cosinus de la latitude; comme d’ailleurs cosH est négatif pendant la nuit, ils’ensuit que l'intensité des ondes hertziennes solaires, qui parviennent dans l’atmosphère supérieure, augmente à mesure qu'on s'élève en latitude : c'est-à-dire qu’à une heure quelconque de la nuit, et toutes choses égales d’ailleurs, la fréquence des Aurores boréales doit augmenter à mesure qu'on se rapproche des pôles. Nous retrouvons ainsi le résultat auquel nous avions déjà été amené par des considérations entièrement différentes.

De ce qui précède il résulte que la période diurne apparente des Aurores boréales devrait être caractérisée par un minimum au milieu de la nuit, et par deux maxima, l’un au commencement, l’autre à la fin de la nuit, si la production des Aurores boréales en un point de l’atmosphère, à un moment donné, était proportionnelle uniquement à l’intensité des ondes hertziennes solaires qui à ce moment y pénètrent.

Or nous allons montrer qu’il n’en est rien, et que la production des Aurores boréales dépend concurremment d'un autre facteur non moins important.

B. Depuis longtemps l’expérience a montré que le passage de l'électricité dans un gaz raréfié et les phénomènes lumineux connexes dépendent d’une certaine excitabilité du gaz, extrêmement variable dans des conditions données de température et de pression. Tandis qu’en général le passage de l'électricité, dans un tube à gaz raréfié, ne commence à se produire qu'avec des différences de potentiel de plusieurs centaines de volts au moins, Hittorf a reconnu en 1879 (‘), qu’un gaz raréfié, parcouru par un courant électrique auxiliaire, devient apte à en conduire en même temps un autre, dont la force électromotrice peut être aussi faible qu’on veut, 1 volt par exemple. Ce résultat a été expérimentalement confirmé et étendu par Hertz (?), Schuster (*), Arrhénius (*) et, en ce qui concerne les ondes hertziennes, par MM. Wiedmann et Ebert; nous parlerons tout à l'heure de ces dernières expériences.

Les recherches théoriques et expérimentales entreprises depuis quelques années en Angleterre par J.-J. Thomson et sesélèves, en France par M. Langevin, sur l/onisalion, ont permis d’expliqueret de préciser les causes de ce phénomène. Ces recherches ont établi (5) : 1° que si un tube à gaz raréfié s’illumine plus difficilement pour une première décharge que pour celles qui la suivent, cela

(1) Wied. Ann., t. VIE p. 553 et Gr4.

(2) Wied. Ann., t. XIX, 1883, p. 782 et 813.

(3) Proceed. R. S., t. XLII, 1887, p. 371.

(+) Wied, Ann., t. XXXIL, 1887, p. 545.

(5) Pour plus de détails sur ces recherches, nous renvoyons à l'étude remarquable qui en est faite dans la thèse de M. LANGEvIN, Recherches sur les gaz ionisés.

tient à ce que les tons produits au sein du gaz par la première décharge y subsistent un certain temps et favorisent les décharges ultérieures ; 2° que l’illumination d’un gaz raréfié par une excitation électrique d’une énergie donnée est d'autant plus intense, toutes choses égales d’ailleurs, que le nombre des ions qui préexistaient dans le gaz est plus grand; 3° que, étant donnés des ions produits dans un tube à gaz raréfié, par une source d’ionisation qui a cessé d'agir, le nombre deces ions diminue progressivementavecletemps : d’une part, par suitede l'effet de la recombinaison partielle des ions de signes contraires ; d'autre part, par l’effet de la diffusion des ions, ceux-ci se portant sur les électrodes conductrices et les parois du tube auxquelles ils viennent céder leur charge.

On voit immédiatement que ces résultats expliquent le mécanisme du phénomène observé par Hittorf; ils permettent de même de saisir la cause des faits observés par MM. Wiedmann et Ebert, notamment dans l'expérience suivante : Un tube à gaz raréfié a ses électrodes réunies aux pôles d’une machine électrique et 11 est soumis en même temps à des oscillations hertziennes; l'intensité de celles-ci est assez faible pour que le tube ne soit pas illuminé, s’il n’a pas été traversé depuis longtemps par le courant de la machine; si, à l’aide de celle-ci, on fait passer une décharge dans le tube, les mêmes ondes hertziennes qui, auparavant, ne produisaient pas la moindre luminescence dans le tube, l’illuminent alors brillamment et encore pendant longtemps après que la décharge auxiliaire a Cesse (2)

L'excitabrlité produite dans le tube est due aux ions engendrés par la décharge et diminue en même temps que le nombre de ces ions par suite de leur recombinaison et leur diffusion vers les électrodes et les parois. Le calcul et l’expérience ont d’ailleurs montré (?) que dans le cas de tubes de dimensions moyennes comme celui employé par Ebert et Wiedmann, dans lesquels la pression n’est qu'une petite fraction de la pression atmosphérique, la diminution par recombinaison est petite par rapport à la perte par diffusion. La diffusion donne en effet aux ions une vitesse qui, à la pression atmosphérique, est de l’ordre de 1° par seconde (*); Le coefficient de diffusion étant inversement proportionnel à la pression (*}, et celle-ci dans le tube de Ebert et Wiedmann étant de l’ordre de 55 d’atmosphère, la vitesse due à la diffusion est ici de l’ordre de 10" par seconde et l’on conçoit dans ces conditions que, dans un tube de quelques centimètres, la plupart des ions se soient portés sur les électrodes et les parois au bout d’un temps très court en leur cédant leur charge.

Mais il n’en est plus de même dans le cas d’un gaz occupant un espace très

(1) Wied. Ann., t. LXIV, p. 258.

(2) LANGEVIN, loc. cit., passim.

(3) Thids p.93:

CHETbid p170

grand, ce qui est le cas de l’atmosphère supérieure; la diminution du nombre des ions due à la diflusion est alors sensiblement nulle, et ce nombre ne diminue que par suite de la recombinaison. Or, l'expérience a montré que les rayons violets et ultra-violets sont des agents d’ionisation très intenses; l'atmosphère supérieure doit donc être ionisée intensément par le rayonnement solaire pendant le jour; l’expérience a montré également que le nombre des ions produits par les ionisations les plus intenses ne dépasse guère 10% par centimètre cube.

L'expérience et la théorie des ions ont établi que le nombre des ions présents par unité de volume de gaz, n, est lié au temps £ et à un coefficient de recombinaison à par la formule

D nu d’où en intégrant

n, étant le nombre des ions à l’origine du temps £. Supposons qu’au moment du coucher du Soleil le nombre des ions en un point de l’atmosphère est égal à sa valeur maxima 2, — 10°. Les mesures ont indiqué que

A — He 0 UT. 10 PECD

en unités CG. G.S. électrostatiques, p étant la pression exprimée en atmosphère, 2 à-dir 2 : ji Fokm 1 : > c'est-à-dire qu'à une hauteur d'environ 50o* qui correspond à la hauteur . moyenne des aurores boréales, et où la pression est d'environ = d’atmosphère, on à

CRE NE Cu et comme l’ionisation par les rayons solaires ne se produit plus d’une manière appréciable après le coucher du Soleil, on a, un temps # après ce coucher,