Expédition Norvégienne de 1899-1900 pour l'étude des aurores boréales

Courants électriques dans les couches supérieures de l’atmosphère Mouvement de translation des lignes de courants

Sur un globe magnétique tournant dans un faisceau de rayons cathodiques

Les aurores polaires.

Bandes aurorales artificielles.

-Sur la formation des nuages supérieurs.

Page 1 3

Sur quelques phénomènes de magnétisme terrestre dus à l’action des courants électriques.

Létat norvégien a généreusement accordé les ressources nécessaires pour construire deux petits observatoires pour l’étude des aurores boréales sur la montagne de Haldde près de Bossekop, à 1000 m. environ au-dessus du niveau de la mer.

Pendant l’hiver 1899—1900 il y fut envoyé sous ma direction une expédition chargée de faire des observations sur l’électricité atmosphérique, et devant en outre faire des observations magnétiques et météorologiques, en même temps qu’elle devait observer les aurores boréales. En dehors de moi, l’expédition comprenait les membres suivants : M. 5 . Sæland , attaché au laboratoire de physique de l’Université de Christiania, M. E. Boye , mon excellent assistant, étudiant ès-sciences, victime d’un si cruel accident dans lequel deux personnes furent ensevelies sous une avalanche aux dernières heures de notre séjour dans la montagne, et M. K. Knudsen, ingénieur des télégraphes.

La première partie du présent rapport contiendra la description de variations de faible intensité et de courte période, d’un caractère plus au moins oscillatoire, de la déclinaison et des composantes magnétiques, variations qui, dans des journées magnétiquement tranquilles, ont été observées simultanément à Bossekop et à Potsdam. Je mentionne ensuite certaines ondulations très-régulières et très-persistantes, et de périodes différentes, de l’intensité horizontale et de la déclinaison, ondulations qui se présentent parfois d’une façon extrêmement nette dans les régions polaires.

Vid.-Selsk. Skrifter. M.-N. 3L1. No. 1, 1901.

kR. felRKELAND.

M.-tt. KL

La plupart de ces résultats ont été obtenus à Laide d’appareils de variations très-délicats construits sur les indications de M. Eschenhagen, en combinaison avec des enregistreurs à marche rapide.

La seconde et principale partie du rapport rend compte d’une connexion intime qui a été constatée entre les fortes variations de l’intensité horizontale et de la déclinaison, semblables entre elles aux latitudes moyennes du globe, et les perturbations simultanées du même genre des trois éléments, et plus spécialement de l’intensité verticale, dans les régions polaires.

Il semble ressortir de la discussion de nos résultats que ces perturbations magnétiques et les aurores boréales sont des phénomènes secondaires et locaux se rattachant à un même phénomène cosmique. Ce phénomène primaire consiste, à n’en pas douter, en des courants électriques dans les couches supérieures de l’atmosphère; dans les régions polaires, où ils paraissent avoir leur point de départ, ces courants sont assez bien délimités et concentrés. Les courants passent en moyenne à une hauteur de 100 km. environ au-dessus de la surface terrestre et ils peuvent y atteindre au cours de fortes perturbations magnétiques, une intensité totale dépassant 400000 ampères.

Mais, à mesure que le courant chemine vers le Sud, il se disperse et se partage, la partie orientale déviant fortement vers l’Est, tandis que la partie occidentale dévie vers l’Ouest.

Toutefois, ces deux branches semblent faire, retour vers le pôle par deux chemins différents, donnant ainsi lieu à deux tourbillons de courants, tournant en sens contraire.

On réussit à constater que de pareils courants ne participent pas à la rotation diurne de la Terre; sauf certains changements périodiques de direction probablement assez brusques, ils semblent en général conserver, de mois en mois, une position relativement fixe dans l’espace.

Ces résultats sont tirés de nos propres observations combinées avec d’autres observations correspondantes et simultanées, mises gracieusement à ma disposition par les observatoires de Pawlowsk, Copenhague, Potsdam, Paris, Greenwich et Toronto, mais aussi des observations à jours termes faites au cours des expéditions polaires de 1882—83.

1901. No. r. phénomènes de magnétisme terrestre

Petites variations magnétiques simultanées à Bossekop et à Potsdam. Ondes magnétiques.

1 . Pour mettre en évidence Pexistence de vibrations rapides dans l’intensité horizontale, M. Eschenhagen a, comme on le sait, installé a l’Observatore de Potsdam des unifilaires à haute sensibilité, où l’aiguille magnétique est suspendue par un fil de quartz très-ténu. Les ordonnées de la courbe de l’enregistreur correspondent à une variation de 4. 10— 6 C. G. S. par millimètre pour la composante horizontale, et le papier photographique parcourt 24 cm. par heure.

Avec un appareil aussi sensible, les courbes ont montré des oscillations rapides de faible amplitude dont la période est généralement d’environ trente secondes, mais on en a observé quelquefois de plus courtes. Un autre fait remarquable est l’apparation de groupes d’ondulations plus larges, analogues aux battements de l’acoustique, trahissant l’existence de deux espèces de vibrations, de périodes peu différentes, par exemple dans le rapport de quatre à cinq.

Dans l’espoir de pénétrer plus à fond dans ces phénomènes si intéressants découverts par M. Eschenhagen, en les étudiant dans les régions polaires, je me décidai à acquérir pour notre expédition un déclinomètre et un variomètre pour la composante horizontale semblables de tout point aux appareils installés à Potsdam et dûs au même constructeur, M. Toepfer de la même ville.

L’enregistreur employé se compose principalement d’un gros cylindre de 50 cm. de circonférence, qui porte la feuille photographique et fait une révolution suivant qu’il est nécessaire, soit en 24 heures, soit en 2 heures.

Sur cette feuille tournante, deux points lumineux tracent des courbes : d’abord un point fixe s’évanouissant quelques secondes à intervalles égaux pour indiquer les heures sur les feuilles — et en second lieu un point mobile indiquant les variations de l’aiguille du magnétomètre.

KR. RIRKELANI)

M.-N. Kl.

A notre station de Haldde, nous avons enregistré avec ces appareils très sensibles les variations de la déclinaison et de l’intensité horizontale tous les jours pendant plus de trois mois de l’hiver passé. Parmi les photogrammes obtenus, j’en discuterai d’abord quelques-uns provenant d’enregistrements spéciaux à grande vitesse faits simultanément par suite d’une entente spéciale à Potsdam et chez nous entre le 27 février et le 21 mars 1900.

2 . Parmi les courbes de ces trois semaines, il s’en trouve plusieurs représentant les variations de la déclinaison aux deux endroits, et qui contiennent des parties pour ainsi dire identiques au point de vue des petites perturbations. Cette identité s’étend une fois même à toute une période d’enregistrement de deux heures.

C’est dans la nuit quç nous avons obtenu ces courbes se rapportant aux heures magnétiquement peu agitées succédant à l’extinction des lueurs aurorales.

La fig. 1, pl. I, reproduit sans aucune retouche, d’après les photographies, les portions correspondantes des photogrammes représentant la déclinaison à Haldde et à Potsdam à peu près de o h 40™ à i h 33 m (heure de Gr.) la nuit du 3 mars; la fig. 2, même planche, les portions correspondantes de o h 33 m à ih 27 m , la nuit du 4 mars.

On observe ici une similitude parfaite dans les moindres traits de ces courbes, leurs petites oscillations sont toujours identiques et les écarts des aiguilles magnétiques vont toujours dans le même sens, vers l’Ouest ou vers l’Est.

La sensibilité des appareils était telle que 1 millimètre de différence dans les ordonnées correspondait à une différence de déclinaison de c/46 à Haldde et de 1' à Potsdam.

On se demande donc tout de suite si ces petites perturbations ont apparu simultanément aux deux stations distantes de 2000 km. environ, ou bien si l’on peut constater entre elles une différence de temps appré- £** ciable.

Pour avoir une réponse aussi précise que possible à cette question, nous avons, à notre petit observatoire de Haldde, noté les temps de disparition du point lumineux fixe de l’enregistreur toutes les 15 minutes d’après un chronomètre contrôlé deux fois par semaine par des signaux télégraphiques venant directement de l’observatoire de Christiania.

Nous croyons donc pouvoir garantir à 5 secondes près les diverses indications de nos planches, qui souffrent il va sans dire d’un manque de justesse soit en raison de la marche non uniforme du cylindre enregis¬

tré

'kv&A

1901. No. I. PHÉNOMÈNES DE MAGNÉTISME TERRESTRE.

treur, soit par suite des dilatations inégales des feuilles photographiques lors de leur traitement dans le bain de développement.

D’autre part, à Potsdam, les courbes correspondantes n’ont, pendant la nuit, que trois indications de temps, contrôlées directement par un chronomètre, les marques y étant mises automatiquement au commencement, au milieu et à la fin de chaque enregistrement pendant deux heures.

Le malheur a voulu que sur plusieurs des feuilles dont nous pouvons tenir un compte utile, il n’y ait qu’une seule de ces marques contrôlées qui soit nette et bien visible.

Donc en comparant les deux séries de diagrammes, nous ne pouvons pas en garantir à 5 secondes près les diverses indications. Mais je crois qu’en général nous pourrons les garantir à 10 secondes près.

Maintenant pour les 44 petites perturbations rapides dans la déclinaison que j’ai trouvées faciles à identifier, les mesures de leurs positions relatives dans les deux séries de diagrammes indiquent des différences dans le temps d’apparition aux deux endroits comprises entre ± 18 secondes, mais dans 38 cas pourtant entre ± 10 secondes seulement.

Le signe -|- signifie que la perturbation a eu lieu à Potsdam plus tôt qu’à Bossekop. Pour l’ensemble des 44 cas, la différence moyenne est de 1 seconde.

Il est donc clair que les différences de temps en question sont trop petites pour se laisser mesurer exactement à l’aide de nos courbes. Cependant, il semble bien ressortir déjà de nos mesures que les perturbations magnétiques dont il s’agit doivent leur origine à des courants électriques variables, et s’il en est ainsi, on n’arrivera certainement pas à mesurer la vitesse de propagation des perturbations même avec nos méthodes les plus exactes d’enregistrement.

3. £i nous passons aux courbes représentant les variations simultanées de l'intensité horizontale à notre station et à Potsdam, nous constatons bien vite qu’il n’est pas à beaucoup près aussi facile d’y trouver des parties semblables que pour les courbes correspondantes de déclinaison. Il en existe cependant quelques-unes, mais sur celles-ci une diminution de l’intensité à Haldde correspond très-souvent à une augmentation de l’intensité à Potsdam et vice versâ.

C’est ce qui semble surtout arriver quand les perturbations semblables se laissent constater simultanément aux deux stations, soit dans l’intensité horizontale, soit dans la déclinaison. Dans ce dernier cas, le plus simple est de supposer les perturbations magnétiques produites par

des courants alternatifs cheminant au-dessus des deux stations suivant

une trajectoire de courbure simple, sans inflexions.

KR. BIRKELAND.

M.-N. Kl.

Toutefois, il convient d’y insister, nos courbes montrent que même dans le cas d’un parallélisme parfait entre les perturbations de la déclinaison aux deux endroits, il arrive souvent que ces variations de la déclinaison sont accompagnées d’oscillations simultanées de l’intensité hori- D. zontale ayant une toute autre période.

En ce qui concerne la différence du temps d’apparition entre les perturbations semblables dans l’intensité horizontale à Haldde et à Potsdam, il parait clairement qu’elle ne se laisse pas plus que les perturbations de la déclinaison mesurer avec la précision d’enregistrement dont nous disposons. Sur 21 mesures que j’ai faites sur nos planches, je trouve des différences comprises entre — 2 sec. et —)- 15 sec. En moyenne la différence est de -f- 7 sec.

La figure 1 ci-jointe rend compte d’un cas intéressant de perturbation simultanée des trois éléments à Haldde et à Potsdam, le 24 février vers 6h 30 du matin, temps de Greenwich. L’en- 6 h - 7 h -G registrement était à mouvement lent,

Fig. 1. à 24 h par révolution du cylindre. La

sensibilité était la suivante : 1 mm. des ordonnées correspondait

La déclinaision augmente vers l’Ouest, lorsque les ordonnées vont en augmentant; de même les intensités vont en croissant avec les ordonnées sauf pour l’intensité horizontale à Haldde, où elle va en diminuant lorsque les ordonnées augmentent.

4 . On n’a, autant que je sache, jamais constaté une similitude et une simultanéité aussi parfaites des petites variations rapide's dans les éléments magnétiques sur deux points à beaucoup près si éloignés que Bossekop et Potsdam.

19 OI. No. I. PHÉNOMÈNES DE MAGNÉTISME TERRESTRE.

Nous discuterons plus tard la cause probable de cet accord, mais nous ferons remarquer dès maintenant que ces petites perturbations sont certainement en rapport intime avec les grands troubles magnétiques qui se manifestent généralement aux mêmes époques approximatives sur toute la surface du globe, mais avec de grandes divergences dans la grandeur des effets et quelquefois même avec un changement de sens d’un hémisphère à l’autre. En comparant les troubles observés de 1882 à 1889 dans les stations de Greenwich, Pawlowsk, Toronto, Pile Maurice, Zi-Ka-Wei, Melbourne et le Cap Horn, M. Ellis 1 conclut que les débuts du phénomène sont pratiquement simultanés, eu égard au degré d’approximation que comportaient les enregistreurs, et qu’il en est sans doute de même pour toute la surface du globe. Sur dix-sept jours choisis comme correspondants aux résultats les plus complets, l’écart moyen des heures est compris entre .± 3'. Comme nous verrons plus tard ces résultats ne peuvent pas être acceptés sans une certaine réserve.

5 . Ondes magnétiques. Je vais maintenant mentionner quelques cas d’oscillations magnétiques trés-régulières et d’une persistance relativement très grande, que nous avons observées à notre station de Haldde. tant dans la déclinaison que dans l’intensité.

On trouvera par exemple reproduits dans les figures deux cas différents de ces oscillations observés l’un (fig. 2) le 20 mars vers 22h 51m, heure de Greenwich, avec une période de 62 secondes et l’autre (fig. 3) ^ 19 mars vers n 1127m avec une période d’environ 130 secondes.

La première -série d’ondes se rapporte à l’intensité horizontale enregistrée à grande vitesse,

1 ^ la seconde se rapporte à la déclinaison enregistrée

3^11 V à petite vitesse. Ces figures sont une reproduction M 4 photographique des courbes originales dans le rap- V port de 4 à 3 et chaque millimètre dans les ordon-

Fig. 2.

Jro WxiiiuL 1 1 h. I KsjL.

>Çy

nées correspond ici à 41.icr^ C. G. S. dans la ^

Jbd'HvJL hiL !

figure 2 et à c/34 dans la figure 3.

Fig.

D’autres longueurs d’ondes ont aussi été observées à notre station de Haldde.

Ces ondes que nous avons vues si régulièrement développées à notre station sont évidemment

IS

analogues à celles découvertes par M. Eschenhagen à Potsdam, seulement chez lui la période d’onde tourne autour de 30 secondes.

W. Ellis, Proc, of the R. Soc., Vol. 52, p. 191, 1S92.

KR. BIRKELAND.

M.-N. Kl.

A l’observatoire magnétique de Potsdam, que je viens d’aller voir, on a eu l’obligeance de mettre à ma disposition tous les riches matériaux d’enregistrement à grande vitesse qui y sont déposés, afin que je pusse voir si je retrouverais là des longueurs d’ondes correspondantes à celles que nous avons trouvées à Haldde. J’ai donc fait un très grand nombre de mesures des périodes d’ondes à l’aide de ces matériaux. Seulement à Potsdam les ondes magnétiques ne paraissent jamais être si nettes et si persistantes que je les ai trouvées plusieurs fois à Haldde pendant 3 semaines, et même dans le cas où elles sont assez nettes, les ondes de Potsdam ne font pas l’impression d’être des ondes simples. Pour cette raison, plusieurs des valeurs obtenues pour la période d’onde moyenne dans les 112 cas où j’ai crû pouvoir faire une mesure ne méritent qu’une confiance limitée.