PHÉNOMÈNES DE MAGNÉTISME TERRESTRE

Ce système de lignes équipotentielles se laisse expliquer en admettant qu’il circule dans les couches supérieures de l’atmosphère des courants galvaniques qui, dans l’hémisphère boréal et vues d’en haut,' se meuvent la nuit, dans le sens des aiguilles d’une montre, et, le jour, dans le sens opposé, et inversement pour l’hémisphère austral. Dans sa conférence du 19 décembre 1899 devant la Société Electrotechnique 1 de Berlin, M. von Betzold représente la Terre comme étant, dans les couches supérieures de l’atmosphère, encerclée dans son mouvement diurne par 4 pôles magnétiques placés symétriquement par rapport à l’équateur vers le 40^ degré de latitude. De ces pôles il faut s’en imaginer deux du côté du jour et deux du côté de la nuit, les pôles du côté jour étant de même nom que le pôle magnétique de l’hémisphère considéré, ceux du côté nuit de nom contraire. De plus, l’action exercée sur le côté jour est plus concentrée que celle exercée sur le côté nuit, c’est-à-dire que, si elle est due à des courants, ceux du jour sont plus forts et plus concentrés dans un espace plus restreint. En même temps la force de ces pôles, ou des systèmes de courants qui les remplacent, varie avec la saison. Ils atteignent dans notre hémisphère leur force maximum en juin, leur force minimum en décembre; le contraire a lieu pour l’hémisphère austral. Enfin il convient de mentionner que les pôles du côté jour passent au méridien environ cinq quartsd’heure avant la culmination du Soleil, c’est-à-dire qu’ils sont en avance sur celui-ci.

Les calculs de Schuster ne sont pas valables pour les régions polaires. En outre il faut observer que la carte dressée par Betzold d’après les chiffres de Schuster représente uniquement la situation telle qu’elle était en 1870. Et la carte ne peut pas, même dans ses détails les plus grossiers, être considérée comme valable pour toutes les années; elle devra montrer en réalité des différences considérables, surtout pendant les années extrêmes de la période des taches du Soleil.

Si l’on faisait pour l’année 1899—1900 des calculs analogues à ceux faits par Schuster pour 1870, on tirerait au clair si les courants de Schuster- Betzold peuvent être réellement considérés comme étant en rapport intime avec les tourbillons les plus intérieurs vers les basses latitudes, du grand système de courants indiqué au § 20.

La comparaison des diagrammes de vecteurs de Bossekop pour 1899 —1900 (fig. 1, pl. II) avec ceux des vecteurs pour la même localité en 1882—83 (fig. 2 et 3, même planche) montre que les tourbillons en question peuvent changer extraordinairement de place d’une année à l’autre.

Elektrotechnische Zeitschrift 1900, livraison S.

KR. BTRKELAND.

M.-N. Kl.

Nous avons donc ici devant nous les courants tels qu’ils se comportaient au voisinage d’un minimum des taches du Soleil et au voisinage d’un maximum.

Si nous cherchons à comparer tous les diagrammes des directions de courants en différents endroits pour 1882—83, diagrammes construits pl. II, de la même façon dont nous avons discuté les diagrammes pour 1899 —1900, pl. VIII, nous ne réussirons pourtant pas à constater d’une façon certaine quelle a été la position des tourbillons de courants pendant la période 1882—1883.

Il faudrait nécessairement, pour cela, se procurer des diagrammes correspondants pour un plus grand nombre de stations que nous n’en possédons.

Il semble toutefois résulter des matériaux dont nous disposons que, pendant la période en question, les deux tourbillons de courants, à supposer qu’ils existent, ont été plus éloignés l’un de l’autre qu’en 1899— 1900 du côté où dans les deux tourbillons les courants sont dirigés vers le Sud, tandis qu’ils ont été relativement plus rapproches du côté où £es courants allaient vers le Nord.

De plus les » centres « des tourbillons doivent avoir cheminé à des latitudes très-méridionales, de telle sorte que le Fort Rae lui-même s’est

trouvé fort au Nord de ces »centres«. Celui des tourbillons dont le mouve-

ment est opposé à celui des aiguilles d’une montre doit avoir été situé le plus au Sud.

Il serait du plus haut intérêt de rattacher les uns aux autres des diagrammes de vecteurs de courants analogues aux miens et construits sur le plus grand nombre possible de points différents, et séparément pour le semestre d’été et celui d’hiver. Si l’on voulait bien les construire pour l’année 1899—1900 pour toute la durée de la journée et me les envoyer, je me chargerais avec plaisir de dresser une carte bien autrement exacte et complète de la marche des courants dans l’atmosphère que je n’ai pu le faire jusqu’ici à l’aide des matériaux malheureusement insuffisants que j’ai eus actuellement à ma disposition.

Espérons que l’année 1902 fera époque pour l’extension de nos connaissances relatives à ces courants, plusieurs expéditions vers le pôle austral devant se livrer alors à l’étude des phénomènes magnétiques dans les régions antarctiques, en même temps que des enregistrements exacts auront lieu dans un grand nombre d’autres observatoires.

Il est à désirer que quelques stations puissent également fonctionner la même année dans les régions boréales.

1901 . No. I. PHÉNOMÈNES DE MAGNÉTISME TERRESTRE. 39

22. Sur un globe magnétique tournant dans un faisceau de rayons cathodiques.

En 1896, j’ai émis l’hypothèse que le Soleil émet de longs faisceaux de rayons cathodiques qui sont en partie, dans l’atmosphère terrestre, l’objet d’une succion de la part des pôles magnétiques, chaque fois qu’un des faisceaux en question frôle notre planète d’assez près. 1 J’ai cherché à expliquer ainsi la relation existant entre les taches du Soleil d’une part, les aurores polaires et les perturbations magnétiques de l’autre.

Dans deux mémoires publiés depuis lors, j’ai traité de quelques phénomènes se rattachant de très-près aux mêmes questions. 2

D’après les résultats précédemment exposés de notre expédition des aurores boréales, il semble qu’il doive y avoir un intérêt considérable à examiner quels phénomènes on observera en exposant un globe magnétique à des radiations cathodiques dans de l’air raréfié. Il serait surtout intéressant de s’assurer s’il ne se développe pas autour d’un pareil globe des courants répondant dans une certaine mesure aux courants électriques qui, suivant toute probabilité, cheminent dans les couches supérieures de l’atmosphère, ainsi qu’il a été dit aux §§ 19 et 20.

J’ai jusqu’à présent fait deux séries d’expériences pour tirer cette question au clair. Dans ces expériences je me suis servi de tubes à décharge de formes et de dimensions variées.

L’électro - aimant sphérique qui devait représenter la Terre était entouré d’une mince écorce en laiton, recouverte d’une couche de cyanure double de baryum et de platine. Elle avait dans la première série d’expériences un diamètre de 40 mm., et de 75 mm. dans la seconde.

1 Archives des Sciences phys. et nat., Genève, juin 1896.

2 Même revue, Sept. 1898; voir aussi mon mémoire: Recherches sur les taches du Soleil et leur origine, Videnskabsselskabets Skrifter, Christiania 1899.

M.-N. Kl.

Le noyau en fer doux de l’électro-aimant avait dans les dernières expériences la forme représentée par la fi g. 5 ci-contre. Le fer de l’un des pôles était creusé à la fraise à peu près en conformité avec la carte de Neumayer, représentant les lignes isodynamiques sur l’hémisphère boréal. Une' différence de hauteur de 1 mm. entre les plateaux successifs gravés sur la sphère avait été choisie pour correspondre à une différence d’intensité de 0.02 C. G. S. sur la carte en question. On admet donc ainsi qu’il y a autour du pôle Sud de l’électro-aimant une répartition d’intensités répondant qualitativement dans une certaine mesure à la répartition du magnétisme autour du pôle boréal de la Terre. Au point de vue quantitatif, nous ne pouvons malheureusement pas nous procurer des conditions magnétiques conformes, le diamètre du globe en question n’ayant que 75 mm., c. a. d. étant 17.io 7 - fois plus petit que celui du globe terrestre.

Gar, pour que le rapport entre la courbure des rayons cathodiques et celle du globe devînt convenable, il faudrait que le rayon de courbure de ces rayons fût pour chaque point réduit dans la proportion de 17.10 7 : 1 par rapport à celui des rayons que nous supposons arrivant des espaces cosmiques et infléchis sous l’action du magnétisme terrestre. Pour cela, il faudrait que l’intensité du champ entourant notre sphère magnétique fut 17.10 7 fois plus grande que l’intensité analogue autour de la Terre, le rayon de courbure des rayons cathodiques étant inversement proportionnel à l’intensité du champ. Nous ne pouvons donc, et il s’en faut de beaucoup, rendre notre sphère assez fortement magnétique, car, comme on le sait, le maximum d’intensité de champ qu’on ait observé entre les pôles d’un puissant électro-aimant avec armature polaire terminée en cône n’est qu’environ 60000 fois plus grajid que l’intensité aux pôles d’intensité les plus forts de la Terre.

Nous devions donc nous contenter de rendre notre électro-aimant aussi fort que possible; heureusement la structure purement extérieure que nous observerons dans les phénomènes lumineux ne semble pas varier bien essentiellement avec la force magnétique, pourvu que celle-ci ait déjà atteint une grandeur considérable.

La sphère électro-magnétique était dans mon expérience exposée à un courant de rayons cathodiques à peu près parallèles. Comme source d’électricité chargée de développer ces rayons, nous nous servions soit d’une machine à influence à 20 feuilles, soit d’une bobine de Ruhmkorff. Avec la machine à influence, on obtient un courant continu et par suite un potentiel de décharge relativement minime, même quand le gaz du tube de décharge est très-raréfié; on a par suite l’avantage d’obtenir des

1901. No. I. PHÉNOMÈNES DE MAGNÉTISME TERRESTRE.

rayons cathodiques faciles à dévier par des forces magnétiques, 1 en même temps qu’ils sont faiblement absorbés par le gaz très-raréfié du tube.

Aussitôt qu’on met l’électro-aimant sphérique en activité, les rayons cathodiques, qui avaient d’abord donné lieu à une phosphorescence régulière de l’hémisphère tourné vers la cathode, sont écartés de la surface de la sphère, sauf en certaines endroits des régions polaires.

On voit ici, au pôle nord comme au pôle sud, les rayons aspirés former un coin de lumière à structure rayonnée pouvant s’observer distinctement jusqu’à 5 cm. de la sphère, et se précipitant obliquement vers le globe.

Ces deux coins lumineux vont frapper la surface de la sphère et s’y manifestent par deux étroites bandes phosphorescentes, une au voisinage de chaque pôle.

Chacune d’elles s’étend à peu près le long du parallèle d’environ 70 0 , à partir du point de la sphère dans le méridien duquel la cathode culmine et jusque très-avant dans le côté soir du petit modèle de la Terre, la cathode étant supposée représenter le Soleil.

Il n’y a pas de lueurs analogues du côté matin et matinée de la sphère.

Les coins lumineux en question se maintiennent sans grande variation pendant la rotation diurne de la »petite Terre«, seulement la surface de la sphère est frappée à une latitude un peu plus méridionale que de coutume, lorsqu’il est midi dans les régions entourant le pôle d’intensité maximum.

Outre les coins lumineux que l’on voit toujours aspirés vers les régions polaires de l’électro-aimant sphérique, j’ai pu parfois observer jusqu’à 3 tourbillons de courants autour de la sphère; ils se manifestent par des ^anneaux lumineux bien définis voisins de sa surface. L’un de ces anneaux est équatorial et enceint le petit modèle de la Terre presqu’à la façon d’un anneau de Saturne. Les deux autres font un demi-tour autour de chacun des deux pôles, pour obliquer ensuite vers les régions équatoriales.

A quelques oscillations près, ces anneaux lumineux conservent leur place dans l’espace pendant la rotation de l’électro-aimant sphérique autour de son axe, mais leur position dépend dans une forte mesure de l’état magnétique de la sphère

On peut observer, au sujet de ces anneaux lumineux, mais surtout avec l’anneau équatorial, un phénomène excessivement intéressant.

1 Le rayon de courbure des rayons est directement proportionnel à la racine carrée de la différence de potentiel entre les électrodes du tube de décharge, la force magnétique étant supposée invariable.

KR. BIRKELAND.

M.-N. Kl.

On voit que la surface de l’électro-aimant enduite de cyanure double de baryum et de platine devient parfois fortement phosphorescente juste au-dessous de l’anneau lumineux situé en-dehors d’elle. Ceci est surtout frappant du côté de la sphère opposé à la cathode, côté qui reste donc dans tous les cas situé dans l’ombre.

Cette phosphorescence de la surface de la sphère est évidemment due à des rayons cathodiques qui sont probablement émis par les particules gazeuses servant de véhicule à l’électricité et appartenant à l’anneau lumineux voisin, situé à l’extérieur de la sphère.

Ce phénomène pourrait peut-être s’expliquer en rapprochant ces

faits des différentes observations relatées par Goldstein au sujet de la structure des rayons cathodiques. 1

Il trouve que les rayons cathodiques de l’espèce K z , comme il les appelle, partent de tous les points des rayons /C 2 , et de chacun de ces points dans toutes les directions possibles.

Il admet que cette émission diffuse de rayons K z émane de toutes les particules d’air frappées par des rayons K 2 .

Comme nous le verrons par ce qui suit, les phénomènes observés sur les anneaux lumineux que je viens de mentionner nous donnent des indications quant à l’origine des arcs et des draperies des aurores boréales.

Je n’ai malheureusement pas pu photographier tous les remarquables phénomènes lumineux observés au cours de ces expériences, mon dernier tube de décharge s’étant brisé par accident, juste au moment où j’allais commencer à les photographier. Pour cette raison je décrirai ces expériences dans un mémoire à part quand je les aurai approfondies, et je remettrai donc à plus tard le compte-rendu des conditions et dispositifs que j’ai trouvés les plus convenables.

23. Nous avons vu dans la discussion précédente de nos résultats d’observation que l’idée que les fortes perturbations magnétiques se manifestant par des effets semblables sur de vastes portions de la surface terrestre sont provoquées par des courant électriques, nous a conduit à admettre l’existence dans les couches supérieures de l’atmosphère de puissants tourbillons de courants à intensité variable, mais à lignes de courants de configuration relativement fixe, dont nous avons cherché, au § 20, à préciser la position. Nous avons précédemment écarté l’objection principale que Y on pouvait opposer à notre hypothèse première,

1 Sitzungsberichte der koniglich preussischen Akademie der Wissenschaften, Berlin, XL, October 1897.

1901. No. I. PHÉNOMÈNES DE MAGNÉTISME TERRESTRE.

à savoir que les perturbations sont dues à des courants. L’observation qui a montré que les perturbations se manifestent en apparence à des moments bien différents aux différentes stations dispersées à la surface de la Terre, ne peut plus être invoquée contre notre hypothèse, depuis que nous avons prouvé que les lignes de courants dont il s’agit subissent un mouvement de translation à chaque recrudescence des courants.

Pour expliquer les perturbations magnétiques, on admettait depuis longtemps assez généralement déjà l’existence de courants électriques soit dans le sol, soit dans l’atmosphère.

Une des tentatives les plus intéressantes que l’on ait faites pour expliquer les phénomènes par des courants telluriques est due à Wijkander, dans sa discussion des observations magnétiques faites pendant l’expédition arctique suédoise en 1872—73. 1

Il admet qu’il y a une zone de perturbations dans les régions polaires et que les diverses parties de cette zone entrent périodiquement dans l’état favorable à une production abondante de courants électriques. Ainsi la variation diurne dépend, d’une manière plus ou moins indirecte, de la position du Soleil.

»Le matin, les courants terrestres en général partent du centre de perturbation; le soir, il se font vers ce même point. Bien que ces courants, loin d’être continus, se fassent par secousses et avec des changements fréquents de direction, les observations prouvent qu’ils ne sont point des exceptions, mais qu’en règle générale ils se font toujours sentir avec plus ou moins de force. «

Nous voyons ainsi qu’il y a aussi eu en 1872 —1873 dans la même journée deux directions marquées de courants, allant en sens à peu près opposé. Afin de comparer la direction des courants telluriques signalés par Wijkander à nos directions de courants électriques aériens pour 1882—1883, il faut se rappeler qu’on peut s’imaginer les premiers remplacés par des courants atmosphériques dirigés dans chaque cas en sens contraire à celui du courant tellurique supposé; car les perturbations dans les éléments horizontaux s’expliquent aussi bien dans les deux cas.

Dans les tout derniers temps, on s’est cependant de plus en plus habitué à admettre que les causes des perturbations magnétiques sont des courants électriques dans l’atmosphère, sans qu’on soit cependant fixé bien clairement sur les conditions physiques de pareils courants, et

1 Aug. Wijkander, Kgl. Svenska Vetenskaps-Akademiens Handlingar, B. 14, No. 15, Stockholm 1876.

KR. BIRKELAND.

M.-N. Kl.

jusqu’ici on ne savait en outre que très peu de chose sur la marche habituelle des lignes de courants.

A la suite des recherches de Schuster et de Betzold, il semble que, sans nul doute, les variations diurnes du magnétisme terrestre ne peuvent être attribuées qu’à de semblables courants dans l’atmosphère. Ultérieurement, Ad. Schmidt, 1 en admettant l’existence de tourbillons de courants se déplaçant dans les couches supérieures de l’atmosphère, a rattaché les unes aux autres diverses particularités bien connues des orages magnétiques.

Nous nous permettons de citer ci-après quelques-unes des intéressantes conclusions du remarquable travail de ce savant:

»On reconnait qu’aux instants où se produisent de fortes variations à changements rapides, les forces perturbatrices observées sur les points voisins convergent à peu près vers un même point ou émergent d’un même point, tandis qu’aux époques de repos relatif, ils se rapprochent du parallélisme, suggérant ainsi l’idée d’un centre d’action éloigné. On voit encore qu’en général les points de convergence cheminent avec une vitesse dont l’ordre de grandeur se rapproche assez de i kilom, par seconde, mais que, souvent aussi, ils restent stationnaires. «

A l’appui de son opinion, et afin d’en rendre mieux compte, il s’attache à quelques exemples typiques, p. ex. l’orage magnétique du 28 février 1896, qui fut poursuivi exactement pendant une heure de 6 à 7 h , temps de Greenwich, à l’aide des observations internationales simultanées faites à l’instigation d’Eschenhagen. Les points d’observation étaient Kiel, Wilhelmshafen, Potsdam, Utrecht, Gottingen, Kew, Darmstadt, Paris, Vienne et Pola.

Il dit encore plus loin:

» Certains résultats obtenus par Wild, Wijkander et autres, sur la position des centres de perturbation les plus importants et les plus actifs, et en outre les constatations déjà faites sur la périodicité diurne des perturbations, et sur leur fréquence variable suivant les directions, permettent de conclure que les tourbillons de courants qui les ont provoquées sont liés de préférence à certaines places déterminées des grands systèmes de courants qui donnent lieu à la variation diurne, à peu près comme pour les minima partiels dans la répartition des pressions atmosphériques, qui se produisent de préférence sur le bord des grandes dépressions. Une des premières besognes auxquelles on devra s’attacher sera de

1 Ad. Schmidt: Ueber die Ursache der magnetischen Stürrne. Meteorologische Zeitschrift Sept. 1899.

1901 . No. I. PHÉNOMÈNES DE MAGNÉTISME TERRESTRE.

se fixer plus exactement sur cette relation, et sur la nature et les allures des tourbillons perturbateurs, leur grandeur, leur intensité, leur vitesse, leur direction de marche etc. Ces constatations contribueront d’ailleurs aussi dans une large mesure à élucider la question de savoir s’il y a différence de principe entre la variation diurne habituelle et les perturbations élémentaires, ou si peut-être il n’y aurait pas une connexion essentielle entre eux, basée sur des transitions continues, ce qui semble en tout cas prouvé au moins en ce qui concerne • leur extension dans l’espace et dans le temps. Les rapport existant avec les petites variations de courte durée découvertes par Eschenhagen (celles qu’il appelle les ondes élémentaires), variations qui par leur nature périodique semblent se distinguer nettement des perturbations proprement dites, seraient aussi un objet méritant examen. «

Comme on le voit, M. Schmidt prévoit que les tourbillons perturbateurs de nature relativement locale qu’il a examinées dans une région relativement restreinte de la Terre, font partie d’un système plus vaste de courants; il présume qu’ils se rattachent au système indiqué par Betzold d’après les calculs de Schuster.

Nous avons vu toutefois que le phénomène primaire auquel se rattachent les perturbations magnétiques et les ondes magnétiques régulières, et avec lequel il est permis de croire que la variation diurne du magnétisme terrestre se trouve aussi dans une certaine relation, semble constituer un système énorme de courants variables dans les couches supérieures de l’atmosphère, courants qui semblent avoir leur point de départ dans les régions polaires.

Dans les belles recherches de Carlheim-Gyllenskold sur la forme analytique de l’attraction magnétique de la Terre exprimée en fonction du temps, 1 l’auteur cherche la cause physique de changements séculaires de l’aimantation de la Terre dans une réaimantation continuelle produite par un système de courants électriques cheminant dans les couches supérieures de l’atmosphère.

Il pense que ces courants sont induits par suite du magnétisme terrestre dans les couches supérieures de l’atmosphère, supposée animée d’un mouvement de rotation uniforme dans le sens contraire à celui du mouvement diurne.

Partant de cette hypothèse, Gyllenskold rend compte par son analyse de la partie principale des changements dans l’aimantation de la

1 Astronomiska Iakttagelser och Undersôkningar. 5, no. 5. Stockholm 1896.

KR. BI RK K LAND.

M.-N. Kl.

Terre; mais rien ne prouve que ce soient là les lois exactes régissant ce phénomène.

Il serait du plus haut intérêt de rechercher jusqu’à quel point les courants électriques dont on peut constater expérimentalement l’existence dans l’atmosphère sur toute la Terre par la méthode que nous avons suivie, suffiront aussi à expliquer les changements séculaires du magnétisme terrestre.

1901. No. I. PHÉNOMÈNES DE MAGNÉTISME TERRESTRE.

Appendice.

24. Les aurores polaires. On sait depuis longtemps qu’il existe une certaine liaison entre les perturbations magnétiques et les aurores boréales.

Cette liaison ne semble toutefois ni simple, ni directe. En effet, il est clair que ce ne sont pas tout à fait les mêmes conditions qui donnent lieu simultanément aux plus fortes perturbations magnétiques et aux plus fortes aurores boréales. Mais il est certain que quand un de ces phénomènes se manifeste avec une grande intensité, l’autre apparait à coup sûr, sans qu’on puisse pour cela trouver entre eux aucune proportion bien prononcée dans l’intensité.

J’indiquerai succinctement ci-dessous la notion de la nature et de l’origine des aurores polaires à laquelle semble aboutir la discussion des observations et des résultats de notre expédition des aurores boréales.

Les matériaux accumulés par les observations ininterrompues faites par les membres de l’expédition, chacun à son tour, seront publiés ultérieurement de concert avec ceux de nos photogrammes magnétiques qui présentent de l’intérêt à ce point de vue.

Cependant, nous allons le voir de suite, tandis que les perturbations magnétiques dépendent surtout de la quantité totale des courants électriques qui sont en jeu à chaque instant donné dans les couches supérieures de l’atmosphère, et à proximité du lieu d’observation, les aurores semblent surtout dépendre de la densité des courants en question.

On peut en effet prouver expérimentalement que, lorsque des courants électriques se manifestent dans les hautes couches de l’atmosphère avec une concentration suffisante, on se trouve, dans les régions polaires, dans les conditions voulues pour la production de phénomènes lumineux analogues aux aurores polaires dans toutes leurs formes différentes.

KR. BI RK EL AND.

M.-N. Kl.

Dans la description des anneaux lumineux observés autour d’un électro-aimant sphérique placé dans un faisceau de rayons cathodiques, j’ai mentionné à la fin du § 22 un phénomène qui a servi de point de départ aux expériences qui vont nous prouver ^exactitude de notre assertion.

Comme on s’en souviendra, j’ai observé un rayonnement , diffus de lumière cathodique par les différentes parties des anneaux lumineux nettement circonscrits autour du globe magnétique. Cette observation peut s’expliquer de la même manière que diverses autres dues à Goldstein sur la structure et les propriétés des rayons cathodiques.

D’après ce savant, nous pouvons admettre que des particules gazeuses frappées par des rayons cathodiques peuvent à leur tour émettre diffusément de nouveaux rayons analogues.

J’ai d’ailleurs trouvé antérieurement que les rayons émis par une cathode dans un champ magnétique suffisamment puissant semblent se développer uniquement dans la direction des lignes de force magnétiques. La fig. 1, pl. XI, est la photogravure d’un phénomène de cet ordre s’observant lorsqu’une cathode en forme de croix de Malte est placée au milieu d’une tube de décharge sphérique, le plan de la cathode étant perpendiculaire aux lignes de force magnétiques. En général, il se forme dans le gaz raréfié du tube une colonne lumineuse prononcée, dont la section est partout en forme de croix. Cette colonne part de la cathode à la fois avec des rayons convergents vers l’aimant jusqu’au moment où rencontrant le verre de la paroi, ils y dessinent une croix lumineuse en réduction, et avec des rayons divergents s’éloignant de l’aimant jusqu’à leur rencontre avec la paroi opposée, où ils dessinent une croix lumineuse agrandie.

Plus le gaz est raréfié dans le tube, moins la colonne lumineuse est visible dans l’espace à l’intérieur du tube, mais plus en même temps le dessin de la croix phosphorescente sur le .verre devient intense. Dans l’expérience à laquelle se rapportent les phénomènes lumineux de la fig. 1, le gaz était fortement raréfié, afin de montrer clairement que la colonne lumineuse en question était bien formée par des rayons cathodiques, les croix lumineuses dessinées sur le verre étant alors en effet de couleur jaune verdâtre.

Mais en même temps, la colonne elle-même devenait indistincte, d’abord parceque son pouvoir lumineux est faible dans un gaz trèsraréfié, et parceque les espaces obscurs de Crookes des deux côtés de

1 Archives des Sciences phys. et nat. Genève, juin 1896.

1901. No. I. PHÉNOMÈNES DE MAGNÉTISME TERRESTRE.

la cathode ont une étendue de plusieurs centimètres en raison de la faible pression.

Cette expérience m’a conduit à croire que quand des particules d’air émettent des rayons cathodiques dans un champ magnétique, les rayons ne se développeront, là aussi, que le long des lignes de force magnétiques. Cette hypothèse a été entièrement confirmée, mais avant de décrire les expériences faites à ces fins, je vais rendre compte de quelques expériences antérieures, qui ont servi à tirer mieux au clair le régime des rayons cathodiques sous l’influence des forces magnétiques.

Ainsi la fig. 2 pl. XI, rend compte des phénomènes lumineux présentés par un tube de décharge en forme de poire, sous l’action d’un électro-aimant cylindrique disposé en avant du tube et suivant son axe, de telle façon que les rayons cathodiques se propagent vers un pôle magnétique. 1

On voit comme quoi les rayons sont concentrés par l’action de l’aimant.

Plus instructive encore, en ce qui concerne les détails de ce phénomène de succion par un pôle magnétique, est l’expérience représentée par la fig. 3, où l’on s’est servi d’un tube de Crookes ordinaire à croix de Malte.

En suivant les changements qui ont lieu dans les taches lumineuses disparaissant et se reformant alternativement sur le fond du tube avec les ombres qui s’y dessinent à mesure que l’aimant se rapproche, j’ai réussi 2 à accorder avec les résultats de mes expériences la théorie de ces phénomènes exposée d’abord par Poincaré, conformément à l’hypothèse de Crookes sur la nature des rayons cathodiques.

M. Poincaré a montré par ses calculs que chaque rayon doit suivre une ligne géodésique sur un cône de révolution conjugué au rayon considéré et ayant son sommet au pôle magnétique.

En développant le cône d’un de ces rayons cathodiques, on obtiendra donc une trajectoire rectiligne. D’après cela le rayon se rapproche de l’aimant jusqu’à une distance minimum, pour rétrograder ensuite en suivant toujours le même cône de révolution. —

Je vais maintenant décrire un élégant phénomène lumineux, dont l’apparence est reproduite en photogravure par la pl. XII. L’expérience ainsi effectuée a montré comme quoi un gaz fortement raréfié, quand on

1 Quelques auteurs attribuent cette dernière expérience à M. Swinton. Mes expériences étaient cependant déjà publiées dans diverses revues antérieurement aux communications faites par M. Swinton.

2 Arch. des Sciences phys. et nat. Sept. 1898.

Vid.-Selsk. Skrilter. M.-N. KL 1901. No. 1. 4

So

KR. BIRKELAND.

M.-N. Kl.

le fait traverser par des courants électriques suffisamment intenses dans un champ magnétique, émet des rayons cathodiques secondaires qui s’enroulent autour de lignes de force magnétiques, tant dans leur propre direction que dans le sens opposé, de façon à former un tapis continu de rayons le long du courant, lorsque celui-ci a quelque étendue linéaire.

La forme du tube de décharge ressort de la figure. L’anode et la cathode sont fondues dans deux petites boules de verre réunies entre elles par un tube dont le diamètre intérieur pris au milieu ne dépasse pas 3 millimètres. Sur une longueur de 6 centimètres la partie moyenne du tube a été passée à la meule de façon à ne laisser qu’une gouttière demicylindrique.

Extérieurement à cet étroit tube intérieur on a soudé un large manchon ellipsoïde en verre.

Dans l’expérience à laquelle se rapporte la figure, la pression du gaz dans le tube de décharge répondait à 0,012 millimètres de mercure. Les courants de décharge étaient produits par une machine d’influence à 20 feuillets, venant de chez Leuner à Dresde, et étaient envoyés dans le tube suivant la direction indiquée par la figure. Quand on faisait l’expérience sans aimant, il se produisait des phénomènes de décharge du genre habituel : en tout cas il n’y avait rien de saillant à remarquer. Si par contre on faisait agir un puissant électro-aimant cylindrique placé sous le tube et à une certaine distance de celui-ci, le pôle sud en haut, les décharges donnaient lieu à un mince rideau de rayons, rappelant d’une façon frappante les draperies de l’aurore boréale.

Nous allons d’abord décrire ici les phénomènes tels qu’ils sautent directement aux yeux ; ils sont indubitablement dûs à des courants venant de la cathode. Plus importants encore au point de vue de l’explication des aurores polaires sont certains autres phénomènes dûs à des courants venant de l’anode, mais qui ne deviennent clairement visibles que dans certaines conditions expérimentales particulières.

La photographie du phénomène reproduit par la pl. XII est prise à droite en haut par rapport à la normale au rideau mince élevée en son point médian. On a procédé de la sorte pour bien faire voir sur l’image combien ce rideau est mince, n’ayant même pas ici i millimètre d’épaisseur.

On voit clairement le rideau lumineux couper la paroi interne du manchon ellipsoïde, en haut en avant et en bas en arrière du contour du tube, si l’on veut bien se reporter à notre point de vue.

La photographie est prise au moyen d’un puissant objectif, avec un temps de pose de io secondes, sans diaphragme.

1901 . No. T. PHÉNOMÈNES DE MAGNÉTISME TERRESTRE.

La raideur et la rectitude des rayons du rideau ne se manifeste pas aussi bien sur notre planche que dans la photographie originale.

Lorsqu’on laissait l’électro-aimant pôle nord en haut, avec la même direction du courant dans le tube de décharge, le courant était rejeté dans l’espace circonscrit par le gros manchon en verre, au lieu d’être, comme tout à l’heure, forcé de rester enfermé dans l’étroite gouttière demi-cylindrique.

Dans ce cas, on peut cependant aussi observer des rayons — de fines aiguilles lumineuses quelquefois bien distinctes —, le long des lignes de force magnétiques dans la mesure où ils peuvent se développer dans l’espace intérieur limité par le manchon ellipsoïde. Toutefois ces rayons sont peu lumineux dans le cas actuel, mais en revanche ils remplissent la majeure partie de l’espace situé en avant de la gouttière demicylindrique, entre celle-ci et le manchon ellipsoïde.

Il ne se forme donc plus ici de rideau lumineux : là seulement où le courant négatif quitte l’étroit tube intérieur, il se produit un faisceau intense de rayons le long des lignes de force magnétiques.

Lorsque le pôle sud de l’électro-aimant est tourné en haut, de façon à former un rideau lumineux, on voit aussi que celui-ci est plus fortement lumineux du côté tourné vers la cathode que du côté tourné vers l’anode. Dans notre photogravure, plusieurs des rayons les moins lumineux sont effacés vers le pôle positif. Il semble d’après cela que ce soient précisément des rayons émis par l’électrode négative qui donnent l’éveil aux rayons secondaires formant le rideau. Peut-être, comme Goldstein croit l’avoir prouvé par ses expériences, sont-ce les particules gazeuses frappées par les rayons cathodiques qui émettent diffusément de nouveaux rayons.

Si les rayons émis par la cathode réussissent à ramper le long de la paroi du tube interne, sans se laisser dévier vers le verre par les forces magnétiques intenses, de telle sorte qu’ils cessent de se propager, cela est dû soit directement à une répulsion électrostatique, soit à une espèce ou l’autre de réflexion des rayons contre le verre.

Ce ne sont toujours pas les particules vitreuses de la gouttière demicylindrique qui émettent à l’état diffus les rayons formant le rideau lumineux : c’est là ce qu’on peut conclure de l’expérience précédente, où Pélectro-aimant avait son pôle nord en haut, le courant de décharge étant alors rejeté dans l’espace circonscrit par le gros manchon externe. On observait alors en effet, le long des lignes de force magnétiques, des rayons lumineux traversant l’espace libre situé à l’intérieur du récipient,

M'.-N. Kl.

et il y a lieu de croire que ces rayons étaient principalement diffusés par les particules gazeuses servant de véhicule au courant de décharge.

Si aux lieu et place de la machine à influence, on emploie comme source de courant une forte bobine de Ruhmkorff avec interrupteur de Wehnelt, on obtient un rideau complet, également développé vers le côté positif : mais il se produit en même temps tant de lumière dans le manchon extérieur que le phénomène ne se manifeste pas à beaucoup près d’une façon aussi distincte.

Il est possible de concevoir encore d’une autre façon la formation des rideaux lumineux. On peut en effet imaginer que les rayons de la cathode réussissent peu à peu à dépasser les bords de la gouttière demicylindrique pour être ensuite immédiatement forcés de se propager le long des lignes de force magnétiques en s’enroulant autour d’elles. L’ensemble des rayons donne ainsi lieu au rideau à structure rayonnée.

Nous arriverons sur ce point, par les expériences qui vont suivre, à une conception plus arrêtée.

Pour ce qui est de la couleur du rideau lumineux en question, nous constatons qu’elle varie fort avec la pression du gaz et, dans une certaine mesure, avec l’intensité du courant de décharge.

Dans de l’air soumis à une pression relativement considérable, et plus élevée que celle sous laquelle les rayons cathodiques se manifestent par une phosphorescence des parois du tube de décharge, le rideau lumineux a une couleur gris-jaunâtre.

A une pression un peu plus basse, la couleur devient plutôt rougeâtre. Qand le gaz du tube est fortement raréfié, les rayons du rideau deviennent blancs, avec un ton bleu-violet, mais les rayons proprement dits, apparaissant d’une façon distincte, • sont nettement entourés d’un manteau lumineux de couleur orange, avec délimitation peu prononcée. Ceci apparait surtout bien lorsque le pôle nord de l’aimant est tourné vers le haut, de telle façon que le courant de décharge se trouve lancé dans l’espace en avant de la gouttière demi-cylindrique. Comme je l’ai déjà dit, outre quelques faibles aiguilles lumineuses ou fils apparaissant dans tout l’intérieur du tube, il se produit aussi un faisceau lumineux intense à l’extrémité négative de la gouttière demi-cylindrique; cette radiation est magnifiquement colorée, l’intérieur en bleu-violet-blanchâtre, et entourée d’un manteau lumineux distinct de couleur orange.

J’ai observé ces phénomènes non-seulement dans l’air, mais aussi dans l’hydrogène, l’argon et l’hélium : Ces deux derniers gaz avaient été gracieusement mis à ma disposition par M. W. Ramsay.

1901 . No. I. PHÉNOMÈNES DE MAGNÉTISME TERRESTRE.

Voici un extrait de journal d’observations au sujet de cette expérience :

Avec /’ hydrogène. Déjà avec une pression atteignant 0^1^0785, il se produisait un rideau lumineux, les rayons étaient distincts, minces et monochromes — lilas presque blanc —. Il y avait une grande différence de pouvoir lumineux du côté négatif au côté positif, mais le rideau apparaissait presque partout.

Après un coup de pompe, on mesura une pression de 01111110465. Le rideau lumineux plus saillant qu’auparavant, mais toujours à peu près de la même couleur. A la pression de o mm 029, la couleur était un peu plus bleuâtre. Il se produit alors à l’extrémité négative une forte phosphorescence verte du tube, due à des rayons cathodiques.

A la pression de 0.0184, le rideau était plus régulier et plus large. Puissants rayons cathodiques.

A o mm o 109 le rideau commençait à se rétrécir à l’extrémité positive.

Après un coup de pompe, le rideau devint encore plus étroit ; après un coup encore, la diminution continua, et la lueur s’affaiblit.

Avec Vargon. A la pression de 0.025, le rideau était certes développé, mais sans structure rayonnée distincte, sa couleur rose. A l’extrémité négative du tube, il y avait de la lumière négative bleuâtre sans rayons cathodiques susceptibles de provoquer la phosphorescence du verre. A 0.0160 le rideau était élargi. Les rayons violet-clair au milieu, et entourés d’un manteau rouge.

A 0.0096, les rayons du rideau devenaient encore plus distincts. Les rayons cathodiques se révélaient par la phosphorescence de l’extrémité négative du tube.

A o mm 0065, les rayons étaient plus intenses et plus distincts, mais le rideau moins large qu’auparavant.

Après un coup de pompe, la situation restait à peu près la même; après un coup encore, le rideau lumineux avait une largeur considérablement réduite.

Avec Vhélium. Sous une pression de o.mmi2, on observait un rideau lumineux étroit et gris sans rayons distincts. A 0.065, rideau était un peu plus large. A 0.0445, * e rideau était beaucoup plus large; il offrait une coloration verte prononcée.

A 0.0305, c’est tout juste si on distinguait des rayons dans le rideau, qui continuait à s’élargir. A o mm 0179 le rideau couvrait presque entièrement la gouttière demicylindrique.

A une pression de o mm 0132, on constatait de la lumière cathodique, et le rideau était d’une structure plus fortement rayonnée qu’auparavant.

Sous o mm 00847 de pression, le rideau était bien prononcé, mais il y avait en-dehors de lui beaucoup de lumière dans le tube. Rayons cathodiques marqués.

A une pression de o mm 00563, il y avait des rayons cathodiques plus forts et une structure plus distinctement rayonnée. La couleur verte bien distincte qu’avait au début le rideau dans l’hélium, avait plus tard diminué et finalement disparu. La couleur est devenue d’un gris-violet tirant sur le blanc.

On donna encore 3 coups successifs de piston, et le rideau devint de plus en plus étroit et de plus en plus indistinct.

Comme il a été dit au § précédent, M. Goldstein a montré que lorsqu’on fait des décharges dans des gaz raréfiés, les rayons K 2 émettent de chacun de leurs points des rayons diffus K 3 partant dans tous les sens.

Il dit à leur sujet 1 :

KR. BIRKELAND.

M.-N. Kl.

»Les rayons diffus ont dans beaucoup de cas une couleur tout-à-fait différente de celle des rayons émettants K 2 ; dans l’oxygène, les rayons K 2 sont violets, les rayons K s , suivant la plus ou moins grande raréfaction du gaz, jaunes, jaune-verdâtre ou gris; dans l’acide carbonique, la lumière K 2 est bleu-clair, K z blanc verdâtre; dans l’hydrogène, K 2 bleuâtre, K s blanchâtre et ainsi de suite. «

Comme je l’ai déjà signalé, on peut, dans des conditions spéciales d’expérience, observer à l’extrémité positive de la gouttière demi-cylindrique des phénomènes lumineux présentant bien plus d’intérêt que le rideau qui vient d’être décrit comme se produisant à l’extrémité négative de la gouttière.

Si en effet on affaiblit le courant de décharge en tournant lentement les plateaux de la machine à influence, en même temps qu’on rend la force magnétique assez puissante, on voit sortir par l’ouverture du tube interne, large de 3 millimètres, un 'ou plusieurs rubans lumineux qui se déroulent en spirales plus ou moins parallèles, sur une longueur considérable. J’ai estimé que la longueur totale de certains de ces rubans pouvait atteindre 30 centimètres.

Pendant mon expérience, le tube de décharge était placé juste audessus de l’aimant cylindrique de telle sorte que l’axe du tube se trouvait placé perpendiculairement à celui de l’aimant. L’aimant avait une longueur de 60 cm. avec un noyau en fer doux de 10 cm. de diamètre.

Les rubans lumineux dont je parlais il y a un instant se développaient dans un plan passant par l’axe du tube et perpendiculaire à celui de l’aimant : ils avaient une forme tout-à-fait aplatie, et semblaient composés d’un grand nombre de rayons lumineux serrés les uns contre les autres, et parallèles en chaque point aux lignes de force magnétiques. La longueur de ces rayons pendant en nappes variait beaucoup avec l’intensité de la décharge et la force de l’aimant. Ils avaient le plus généralement une longueur de 4 à 5 cm. à l’embouchure même du tube étroit; vers l’extrémité du ruban la longueur des rayons pouvait être de 1 à 2 cm.

Les rubans lumineux formaient évidemment la continuation d’un étroit cordon lumineux blanc, qui se tenait serré contre la paroi du tube intérieur étroit et du côté où le courant était refoulé par la force magnétique.

Si le tube de décharge est placé près de l’aimant, les rubans lumineux tourbillonnent à l’intérieur avec de nombreuses circonvolutions en spirales serrées, et on y observe des mouvements désordonnés. Parfois il peut, dans ces conditions, se produire un phénomène nouveau, en ce

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1901. No. I. PHÉNOMÈNES DE MAGNÉTISME TERRESTRE. * ' -

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que le long des lignes de force magnétiques, plusieurs grosses colonnes assez fortement lumineuses surgissent comme des éclairs ou des dards dans tout l’espace circonscrit par le manchon extérieur en verre. Ces colonnes s’élèvent librement dans l'espace et sont nettement séparées par des gaz relativement obscurs; je les ai vues à i cm. les unes des autres. Elles se produisent surtout bien lorsqu’on intercale un petit interrupteur d’étincelles dans le fil conducteur arrivant au tube de décharge.

Si le tube de décharge est situé plus haut relativement à l'aimant, les rubans se développent plus tranquillement ; on les distingue plus nettement les uns des autres, quand il y en a plusieurs, et ils se déroulent en plusieurs tours de spirale jusqu’au moment où ils sont arrêtés par le verre.

Un des phénomènes les plus remarquables qu’on puisse observer avec ces rubans et les rayons en girandoles dont ils semblent être constitués, c’est leur sensibilité vis-à-vis des actions électrostatiques.

Si l’on met le doigt sur un point du manchon ellipsoïdal au voisinage du plan dans lequel se développent principalement les rubans lumineux, on voit immédiatement ces rubans être attirés et se rapprocher, parfois de plusieurs centimètres, du point où l’on a posé le doigt.

Si au contraire, on met le doigt sur le verre en un point situé en prolongement des rayons composant les rubans, on voit ces rayons se raccourcir dans la direction du doigt, alors que, par exemple, ils étaient assez longs pour traverser de part en part l’espace renfermé dans le manchon ellipsoïdal, il se peut qu’ils se trouvent maintenant raccourcis de 2 à 3 cm. dans la direction du point où l’on a posé le doigt.

Si l’on faisait dévier un peu le tube de décharge, de telle façon que son axe ne fût plus perpendiculaire à celui de l’aimant, on voyait les rubans lumineux se répartir à peu près entre deux plans, l'un passant par le centre de l’embouchure du tube intérieur étroit et perpendiculaire à l’axe de l’aimant, et l’autre par l'axe du tube perpendiculairement au plan des deux axes.

Si l'on rend le courant de décharge de plus en plus fort en tournant de plus en plus rapidement les plaques de la machine à influence, on voit disparaître peu à peu l’impression de rubans distincts laissée par les décharges ayant eu lieu avec un courant faible; les rubans se multiplient en devenant de moins en moins distincts, et se jettent de plus en plus confusément de côté et d’autre, si bien que finalement l’espace tout entier semble rempli par les décharges.

On observe alors que les rayons ou aiguilles lumineuses qui traversaient d’abord les rubans semblent s’élancer dans tout cet espace, mais

KR. BIRKELAND.

M.-N. Kl.

surtout bien distinctement au voisinage et au côté positif de l’embouchure du tube étroit. Par un examen peu approfondi, on ne voit dans ce cas à l’extrémité positive de la gouttière demi-cylindrique qu’un nuage lumineux, comme à la pl. XII.

Ces phénomènes sont en effet très-fugitifs et d’une faible intensité lumineuse, et ne se laissent pas photographier.

On comprendra sans peine, par la description qui précède, à quel point et combien nettement les phénomènes lumineux ici observés rappellent les différentes formes d’aurores boréales, rubans, rideaux, fils : même les dards dans une couronne ont ici leurs analogues dans les colonnes lumineuses qui se produisent tout-à-coup lorsque le tube de décharge est voisin de l’aimant.

S’il me fallait reproduire quelques-uns des rubans que j’ai observés, mes dessins ressembleraient beaucoup aux dessins des bandes-types d’aurores boréales que l’on trouve reproduits dans plusieurs relations d’expéditions polaires; je pourrai ainsi renvoyer tout spécialement à la fig. 50 des »Beobachtungs-Ergebnisse« de la station polaire autrichienne à Jan Mayn, Tome II, i^e partie.

Pour obtenir de la façon la plus convenable les bandes aurorales artificielles dont j’ai parlé plus haut j’ai fait construire un tube de décharge représenté par la fig. 6 :

La cathode était placée dans un tube en verre de 3 cm. de diamètre, replié deux fois à angle droit, avant de déboucher dans un récipient sphérique ayant 15 centimètres de diamètre. Cette disposition était adoptée afin qu’aucune espèce de rayons cathodiques ne pût pénétrer dans la grosse sphère. 1

L’anode était disposée dans une petite sphère de 4 centimètres de diamètre, à laquelle était soudé un étroit tube en verre ayant 5 millimètres de diamètre intérieur.

Ce tube débouchait tout près du centre de la grosse sphère à laquelle il était soudé comme l’indique la figure. Celle-ci indique également la position de l’aimant : c’était le même puissant électro-aimant cylindrique que j’ai déjà mentionné auparavant, et qui dans la présente expérience avait son pôle sud tourné vers le haut.

Le courant parcourant le tube de décharge était fourni par une machine ordinaire de Holz avec rotation lente du disque de verre.

Le tube de décharge doit être vidé d’air assez complètement, de telle sorte que les parois intérieures et les électrodes soient bien exemptes de gaz occlus.

1 Goldstein : Ueber die Structur des Kathodenlichts, 1 . c. f p. 907.

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

Au cours de l’expérience, la pression du gaz doit être telle que la différence de potentiel entre les électrodes soit voisine de ioooo volts.

Fig. 6. Bande aurorale artificielle.

On voit par la figure comment sous Faction des forces magnétiques le courant positif de décharge prend la forme d’une bande, qui vue par en haut, s'enroule en une spirale de sens normal. Si l’on retourne les pôle de l’aimant, la spirale tourne à rebours. Les aiguilles lumineuses qui rayonnent de la bande de lumière le long des lignes de force magnétiques peuvent souvent être plus longues et plus prononcées que ne le montre la figure.

Lorsque le courant de décharge devient plus fort, on voit souvent une série de bandes lumineuses s’enroulant en spirales les unes à côté des autres.

Si l’on fait tourner le tube de décharge autour d’un axe situé dans le plan du dessin perpendiculairement à l’axe de l’aimant, la bande lumi-

KR. BIRKELAND.

M.-N. Kl.

neuse continuera à se produire à peu près de la même façon qu’auparavant, mais avec des allures notablement plus irrégulières. La bande se produit même plus facilement, lorsque le petit tube partant de l’anode est placé obliquement par rapport à Taxe de l’aimant.

J’ai pu dans une sphère de 22 centimètres de diamètre obtenir une bande lumineuse spirale d’une longueur totale de plus de 70 centimètres.

On peut aussi s’arranger de telle sorte que l’anode circulaire soit elle-même placée au centre de la grosse sphère, et l’on évite ainsi de conduire le courant positif à travers le mince tube de verre. Sous l’influence de l’aimant on voit alors encore se développer sans difficulté une belle bande lumineuse simple, à structure rayonnée, partant d’un point de l’anode et s’enroulant en spirale autour d’elle, tout comme la bande lumineuse déjà mentionnée.

Dans cette expérience, ni la force magnétique ni le courant de décharge ne doivent être trop forts, car alors le courant positif rayonnerait de chaque point du contour de l’anode, et il en résulte autour de celleci une auréole de rayons d’une forme singulière. Lorsque l’anode est formée d’une petite croix de Malte, cette auréole est un phénomène trèsbrillant.

Les bandes aurorales artificielles que je viens de décrire sont en général très-mobiles et très-changeantes. Dans certaines conditions convenables seulement, il y a une tranquillité relative et la bande se développe alors avec une beauté ravissante.

Les rayons qui s’y forment varient de longueur, jouent et dansent comme les »merry dancers« des bandes aurorales.

La bande produite présente alors une telle analogie avec les bandes aurorales, qu’en assistant à cette expérience le doute est impossible : on voit jusqu’à l’évidence que le deux phénomènes sont apparentés de trèsprès.

La rotation dans les spirales lumineuses des bandes est en sens inverse de celle qui se produirait, si la force magnétique eût agi sur un conducteur de courant flexible; ce qui est bien singulier. Ceci prouve clairement que cette rotation doit être due à quelque action secondaire, et non à l’action primaire de la force magnétique sur le courant de décharge.

Cette anomalie remarquable se laisse encore constater d’une autre manière.

Le tube de décharge représenté fig. 6, est retourné de telle sorte que le petit tube qui partait précédemment de l’anode devienne perpendiculaire à l’axe de l’aimant, après quoi le courant de décharge est

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changé de sens de façon à ce que la bande positive de courant aille maintenant du tube recourbé au gros ballon.

On voit alors de l’embouchure du tube étroit, au centre du ballon, jaillir le long de Taxe de l’aimant une colonne lumineuse intense, formée de rayons négatifs : cette colonne est immobile et raide. Dans cette colonne négative se fond bientôt la bande positive qui s’est élargie dans l’intérieur du ballon par radiations secondaires d’aiguilles lumineuses distinctes, tombantes et dansantes, longues de 5 à 6 centimètres.

La bande finit par être totalement absorbée par la colonne lumineuse négative, mais le ruban ne se dirige pas en droite ligne sur la colonne : il s’en approche en formant une petite spirale. Cette spirale, qui change de sens lorsqu’on intervertit les pôles de l’aimant, est aussi de sens contraire à celui auquel donnerait lieu un conducteur de courant flexible, qui serait soumis à l’action de la force magnétique.

Nous nous trouvons ici en face d’un phénomène qui semble éclairer un des points difficiles rencontrés précédemment.

Nous avons au § 19 discuté la raison possible qui fait que le courant électrique dans l’atmosphère de notre hémisphère oscille de gauche à droite par chaque recrudescence du courant, pour un observateur regardant dans le sens de ce courant.

On se fût attendu, en raison du magnétisme terrestre, à une oscillation en sens inverse.

Il se peut que la raison de l’oscillation que l’on a observée soit de nature secondaire, comme celle qui fait tourner en sens contraire à nos prévisions les spirales de notre expérience.

Le résultat principal de ces expériences est qu’avec de faibles decharges à travers des gaz raréfiés dans un champ magnétique, le courant positif se propage à travers l’espace en rubans distincts bien limités.

Les rubans de courants laissent rayonner à leur tour des rayons cathodiques secondaires, ou en tout cas des rayons apparentés, et subissant comme eux l’influence des forces magnétiques. Les rayons émis à titre secondaire se développent en effet uniquement le long des lignes de force magnétiques, ainsi que j’ai montré antérieurement que le faisaient les rayons cathodiques.

Il semble ressortir du résultat ci-dessus que les molécules gazeuses qui transportent le courant électrique dans des gaz raréfiés émettent toujours des rayons cathodiques diffus. Ceci peut être considéré comme une

KR. BIRKELAND.

M.-N. Kl.

généralisation des conclusions de Goldstein, que les masses gazeuses frappées par des rayons cathodiques émettent les radiations secondaires à l’état diffus.

25. Nous avons trouvé que dans les régions polaires, dans les couches les plus élevées de l’atmosphère, cheminent de puissants courants électriques qui semblent souvent, dans les localités où l’on a pu étudier leur allure, suivre de près, d’une façon très-frappante, la même direction que la ceinture maximum des aurores boréales (voir p. 28).

Par les recherches décrites au § précédent, nous avons de plus établi comme excessivement probable que sous l’influence du magnétisme terrestre de pareils courants électriques doivent donner lieu à des phénomènes lumineux tout-à-fait analogues à ceux qu’on constate dans les aurores des régions polaires.

Pour cette raison, nous allons chercher à préciser, en nous basant sur l’expérience acquise au cours de nos essais, dans quelles conditions spéciales on doit supposer que se produisent les principales formes différentes d’aurores boréales, et nous verrons que toutes les propriétés caractéristiques de la lumière polaire se laissent expliquer très-naturellement en partant de notre manière de voir.

Pour chacune des formes d’aurore boréale que nous allons énumérer plus bas, et entre lesquelles on fait généralement une distinction, les caractères et les propriétés les plus essentiels vont être relatés conformement aux travaux d’autres observateurs et plus spécialement à ceux de Cari Weyprecht. 1

Bandes . Phénomènes irréguliers, très variables dans leur forme, laissant presque constamment l’impression d’une bande allant à la dérive dans l’atmosphère, beaucoup plus longue que large, et recourbée généralement en boucles et en plis. Elles se composent soit de matière lumineuse inégalement répartie, soit de rayons pressés les uns contre les autres, et dont les intervalles sont remplis de matière lumineuse.

Les bandes peuvent s’étendre dans n’importe quelle direction, cependant elles ont une tendance marquée à se diriger à peu près vers l’Est- Ouest magnétique.

Si dans les bandes, on trouve des rayons développés distinctement, parallèles aux lignes de force magnétiques, et ordonnés en séries, ces

1 Die Nordlichtbeobachtungen der Oesterreichisch-Ungarischen Arctischen Expédition

1872—74. WieD 1878.

1901. No. I. PHÉNOMÈNES DE MAGNÉTISME TERRESTRE.

rayons sont le plus souvent développés dans le sens du zénith, de telle sorte que la bande elle-même forme la large lisière inférieure de la série de rayons. Parfois cependant, les rayons dépassent aussi de beaucoup le bord inférieur et sont tournés vers le sol. Des vents violents semblent exercer une influence sur les bandes; surtout après une tempête, celles-ci semblent excessivement déchiquetées avec des modifications continuelles de forme et de position.

Conformément à ce que nous avons appris par nos essais, il semble naturel de concevoir une bande d’aurore boréale comme un phénomène lumineux se produisant lorsqu’un rameau limité et suffisamment concentré d’un courant électrique de même espèce que le courant positif d’un tube de décharge s’élance entre les couches supérieures de l’atmosphère à peu près parallèlement à la surface de la Terre. Les rayons qui s’échappent des bandes vers le zénith et parfois vers le sol sont des phénomènes secondaires dûs à ce que les masses d’air traversées diffusent des rayons négatifs qui, contraints par le magnétisme terrestre, se rangent en rideaux lumineux à structure rayonnée, tout comme dans nos expériences. Les transformations et les soubresauts parfois très-rapides que Y on peut observer dans les bandes, surtout après une tempête, peuvent être supposés d’après nos expériences provoqués par des influences électrostatiques. En effet, d’une part, les rayons diffusés par les bandes (et dont la longueur dans le sens vertical peut souvent être estimée à plusieurs dixaines de kilomètres) provoquent dans l’atmosphère même des charges électrostatiques qui réagissent à leur tour sur les bandes, et d’autre part, le frottement considérable qui se produit entre les couches aériennes pendant une tempête donnent lieu dans l’atmosphère à des décharges électriques fortement variables.

Quant à savoir dans quelle direction les rayons se développeront de préférence, vers le zénith ou vers le sol, cela dépendra certainement en tout premier lieu de la densité des couches atmosphériques, mais peutêtre encore bien plus de l’action électrostatique exercée par la Terre.

Arcs. Ils sont en relation très-intime avec les bandes aurorales. Ce sont des phénomènes à peu près réguliers, affectant à peu près la forme de l’arc-en-ciel, qui montent ou qui descendent du Nord ou du Sud magnétique, du zénith ou vers le zénith.

L’arc se produit de préférence au début d’une aurore boréale; ses pulsations tranquilles et sa longue durée constituent ses caractères essentiels. La largeur des arcs varie depuis Y arc ayant l’épaisseur d’un fil, jusqu’à la masse lumineuse occupant à peu près la moitié du firmament.

KR. BIRKELAND.

M.-N. Kl.

Les arcs sont le plus souvent nettement délimités sur leur bord inférieur, sans contours précis vers le haut, lorsque leur lumière se trouve régulièrement répartie sans laisser voir de rayons.

La direction générale des arcs est à peu près la même que la direction moyenne des bandes, et est le plus souvent à peu près perpendiculaire au méridien magnétique.

Ainsi que les bandes aurorales, les arcs peuvent être considérés comme des lueurs produites dans les couches les plus hautes de l’atmosphère par des courants électriques suffisamment concentrés et délimités, parallèles à la surface de la Terre.

Pour décider si la direction, l’intensité et la position des courants électriques dans l’atmosphère, autant qu’on en peut juger à l’aide des perturbations magnétiques, sont en rapport avec la production et la direction des arcs auroraux, j’ai comparé les courants simultanés avec les observations d’aurores boréales qui ont été faites par notre expédition en 1899—1900, et j’ai en outre mis en œuvre une partie des matériaux recueillis en 1882 — 1883 à Bossekop et à Jan Mayn.

Pour résumer ces recherches, je dirai seulement que les aurores boréales intenses et très-mobiles coïncident clairement en tous lieux et en tout temps avec des perturbations magnétiques intenses et à alternances rapides.

Dans ce cas, il y aurait lieu d’admettre que les courants qui se manifestent sont assez fortement concentrés le long de certaines lignes de courants en oscillations de translation.

En ce qui concerne les formes d’aurore les plus fréquentes, arcs et bandes, il semble que les arcs se montrent à la fois pendant des perturbations magnétiques de faible et de forte intensité. Bien souvent, il était impossible de rien décider quant à la position de la ligne moyenne de courant relativement à l’arc auroral, mais lorsque la chose était possible, on a constaté qu’on voyait toujours l’arc là où le courant a passé, et que le plus souvent sa direction est à peu près celle du courant.

Il convient cependant de faire remarquer ici que si, sur un point donné, on observe un arc auroral éloigné, p. ex., très-haut vers le Nord, la branche de courant très-dense que nous supposons donner naissance à l’arc ne pourra souvent pas être supposée agir sur les magnétomètres du lieu d’observation aussi fortement que d’autres courants ayant peutêtre moins de densité, mais une grande intensité totale, et cheminant dans les couches atmosphériques dans le voisinage immédiat.

De pareils cas se sont pour sûr présentés assez fréquemment à Bossekop pendant l’hiver de 1899 à 1900.

1901. No. I. PHÉNOMÈNES DE MAGNÉTISME TERRESTRE.

Les bandes aurorales avec mouvements et les rideaux semblent ne se former que sous l’influence d’un fort courant à variations continuelles.

Des variations subites des perturbations magnétiques et par suite aussi des courants électriques de l’atmosphère semblent très-souvent être concomitantes avec une scission des bandes aurorales ou des arcs, ou avec la formation soit de nouvelles bandes, soit de nouveaux arcs.

Lorsqu’on voyait par les perturbations que le courant cheminait au Nord de Bossekop et au Sud de Jan Mayn, les aurores boréales observées à Bossekop se sont montrées dans le Nord, tandis qu’à Jan Mayn, on les voyait généralement au Sud.

Il résulte des diagrammes des vecteurs de courants, pl. II, qu’aux stations polaires de 1882—1883, les courants les plus puissants avaient une forte tendance à aller vers l’Est ou vers l’Ouest, ce qui semble s’accorder bien avec le fait que les arcs se développent principalement dans une direction à peu près perpendiculaire au méridien magnétique. A Bossekop, le point culminant des arcs auroraux se trouve d’ailleurs le plus souvent assez à l’Ouest de méridien magnétique; ceci concorde bien avec la constatation que, dans cette localité, les courants ont une direction soit Sud-Ouest soit Nord-Est.

Le mouvement spécial aux arcs auroraux et aux bandes aurorales, perpendiculairement à leur direction longitudinale vers le Nord ou vers le Sud magnétique, est un phénomène analogue aux oscillations transitoires des lignes de courants, lors de chaque recrudescence, qui comme nous l’avons vu, se manifeste dans les courants électriques cheminant dans les couches supérieures de l’atmosphère entre les stations de Pawlowsk et de Toronto.

Nous avons trouvé qu’a ces latitudes la translation latérale des lignes de courant peut généralement avoir lieu avec une vitesse correspondant à 100 kilom. par minute. Les bandes aurorales qui, dans les régions polaires, passent à côté du zénith, se déplacent souvent, à ce qu’il semble, avec une vitesse de 300 m. par seconde.

Les migrations annuelles et undécennales des arcs et des bandes, ou la translation vers d’autres latitudes de leur zone de plus grande fréquence, doivent, si notre conception est correcte, être accompagnées de translations annuelles et undécennales analogues du courant électrique dans les couches supérieures de l’atmosphère. Ces questions ne sont pas encore assez approfondies, et il faudra déduire des perturbations magnétiques la direction des courants et leur position dans les années voisines des maxima et des minima des taches du Soleil.

KR. BIRKELAND.