LUMIÈRE
Rôle de la lumière solaire. — Les végétaux ne peuvent vivre sans lumière, les champignons exceptés.
La partie lumineuse du spectre solaire a une influence considérable sur la vie végétale; cette influence se traduit surtout par la quantité d'eau évaporée et par la décomposition de l'acide carbonique deTair; la lumière solaire est même l'agent indispensable de cette décomposition qui cesse pendant la nuit.
Sous l'influence de la lumière solaire, les parties vertes des plantes décomposent l'acide carbonique de l'air, s'assimilent le carbone et laissent dégager l'oxygène. Une surface de l décimètre carré décompose en une heure 7 centimètres cubes d'acide carbonique au soleil, et 3 centimètres cubes à l'ombre. En moyenne elle décompose S^'S à l'heure.
Dans la lumière solaire, on distingue, d'après leur action, les rayons lumineux, les rayons calorifiques et les rayons chimiques (1); on peut concevoir, à côté de ces trois spectres, un
(i) On a reconnu que les rayons de diverses couleurs du spectre solaire n'agissent pas tous de la même manière sur la végétation ; en plaçant une plante dans une petite caisse et en la promenant dans le spectre, on a constaté que les rayons jaunes et oranges jusqu'au rouge activent la végétation, tandis que les rayons violets et ultra-violets l'arrêtent.
MÉTÉOROLOGIE. 69
quatrième spectre, que nous appellerons spectre végétatif. N'a-t-on pas, en 1808, par un brouillard très intense, constaté que la décomposition de l'acide carbonique par les parties vertes des plantes, et par suite la végétation, n'étaient pas interrompues? Le brouillard et les nuages qui interceptaient les rayons lumineux étaient donc transparents pour les rayons végétatifs.
Quoi qu'il en soit de cette hypothèse, les rayons calorifiques, les rayons lumineux et les rayons chimiques sont des manifestations diverses d'un même rayonnement qui est la source du travail végétal. La température, telle qu'elle est indiquée par les divers thermomètres, dépend du rayonnement solaire, mais non uniquement ; elle n'en donne pas la mesure ; Vactinométrie a pour objet la mesure de l'intensité des rayons qui, émanant du soleil, parviennent jusqu'à nous.
La quantité absolue de lumière et de chaleur envoyée par le soleil à la terre est à peu près constante, mais la portion de ces rayons qui parvient jusqu'à nous est variable; l'air, surtout s'il est humide, et les nuages arrêtent en route une fraction notable des rayons qui nous sont destinés.
Aotinométrie. — L'actinométrie est envisagée différemment par les physiciens et les agronomes. Les premiers cherchent surtout à mesurer la quantité absolue des rayons qui nous arrivent directement du soleil ; leurs appareils sont de véritables calorimètres qui peuvent fournir des résultats rigoureusement comparables entre eux. C'est à l'aide de ces instruments que l'on doit étudier les lois de la transparence de l'atmosphère et l'influence des causes qui tendent à l'altérer. Mais cette méthode laisse entièrement de côté l'illumination du ciel et les rayons qui sont diffusés par les nuages ou les objets terrestres; elle est inapplicable pendant les temps couverts, c'est-à-dire pendant une grande partie de l'année.
Le météorologiste, qui se place au point de vue de la climatologie appliquée à l'agriculture, doit s'efforcer, au contraire, de mesurer la somme de rayons que le ciel nous livre par tous les temps, même pendant les pluies, parce que la végétation utilise tous ceux qu'elle reçoit. Les instruments et les méthodes sont donc d'un ordre tout différent.
La recherche des variations de la transparence de l'air a une grande importance, soit par elle-même, soit par ses applications à
la prévision du temps. La masse d'air traversée par les rayons solaires absorbe ou diffuse une partie de ces rayons avant leur arrivée jusqu'au sol ; mais les éléments qui entrent dans sa composition normale ou qui s'y trouvent accidentellement mélangés interviennent très inégalement dans l'affaiblissement des rayons directement transmis. La vapeur d'eau gazeuse toujours mêlée à l'air en proportion variable est douée d'un pouvoir absorbant beaucoup plus grand que celui de l'air pur, et comme elle agit spécialement sur certains rayons d'une réfrangibilité déterminée, elle épure, en quelque sorte, les rayons solaires. Il en résulte qu'un faisceau de ces rayons qui a traversé, soit une couche de vapeur d'eau, soit une épaisseur équivalente d'eau liquide, acquiert, par cela même, la propriété d'être moins affaibli par son passage au travers d'une seconde couche d'eau ou de vapeur d'eau.
M. Desains a démontré, d'autre part, que l'action de l'eau sur les rayons qui la traversent est indépendante de son état liquide ou gazeux ; qu'elle ne dépend que de sa masse. Il résulterait de cet ensemble de faits un moyen précieux d'évaluer avec une certaine approximation le poids total de vapeur d'eau contenue dans toute l'épaisseur de la couche atmosphérique, alors que les hygromètres ne peuvent accuser que celle qui est mêlée à la couche d'air en contact avec le sol. Aussi l'hygromètre ne peut-il que très imparfaitement renseigner sur les changements de temps qui se préparent et que la méthode actinométrique pourra faire connaître quand elle aura atteint un degré de précision suffisant.
L'actinométrie est fondée sur les propriétés connues d'absorption et d'émission de la lumière. Herschell, remarquant qu'un thermomètre noirci exposé aux rayons solaires monte plus vite qu'un thermomètre ordinaire, plaçait ce thermomètre noirci dans un ballon où le vide avait été fait; puis il l'exposait au soleil; la température s'élevait pour atteindre une limite fixe; à cet instant d'équilibre, il y a égalité entre les quantités de chaleur absorbées d'une part et émises de l'autre ; de plus, l'excès de température du thermomètre sur l'enceinte vide est proportionnel à la quantité de chaleur reçue par rayonnement solaire (Loi de Newton).
Cet excès de température donne donc une mesure de ce rayonnement ou degré actinométrique réel. On peut, d'autre part, calculer le degré actinométrique théoriqtce d'après la hauteur du soleil et
MÉTÉOROLOGIE
Fig. 24.
Tépaisseur de l'atmosphère. Leur différence mesure Tabsorption : tel est le principe de la méthode.
L'actinomètre se compose de deux thermomètres à mercure aussi semblables que possible et à réservoir sphérique. L'un des réservoirs a été noirci au noir de fumée, l'autre est nu. Chaque thermomètre est renfermé dans une enveloppe de verre où l'on a fait le vide sec ; il est important que la tige du thermomètre noir soit elle-même noircie jusqu'au dehors de l'enveloppe sphérique. La fraction des rayons solaires qui se trouve arrêtée par défaut de transmission du verre, est ici complètement négligeable.
Ces deux thermomètres sont placés à côté l'un de l'autre, à 2 mètres environ du solgazonné et loin de tout abri. Les deux enveloppes ont donc la même température; mais les deux thermomètres ne marchent d'accord que'dans l'obscurité. Dès que le jour s'élève, et même dans les jours où le ciel est complètement couvert, le thermomètre à boule noircie marque toujours une température T plus élevée que celle t du^thermomètre à boule non noircie. La différence T — ^est le degré actinométrique réel; c'est une première approximation.
Pour calculer le degré actinométrique théorique, on emploie la formule générale de Bougucr :
e=T— ^=Aj»« dans laquelle p représente le coefficient de transparence de l'atmosphère, A la différence des températures qui seraient marquées par les deux thermomètres aux limites de l'atmosphère et e l'épaisseur de l'atmosphère ; par conséquent A est la valeur de 6 pour e = 0.
Ce terme A est sensiblement constant, sa variation de l'été à l'hiver étant négligeable ; mais il est inconnu. On pourrait éliminer cette constante si p était également constant, au moins pour deux valeurs de e assez différentes pour que le calcul d'élimination ne fût pas trop incertain; ovp est variable avec les heures du jour même
le plus pur. Alors même, en effet, que la tension de la vapeur ne change pas d'une manière sensible dans la couche en contact avec le sol, le poids total de vapeur contenu dans les hauteurs de l'atmosphère est sans cesse changeant. Cette source de complications est particulièrement difficile à écarter dans nos climats tempérés ou dans le voisinage des mers. Aussi faut-il multiplier les séries d'observations et faire un choix de celles pendant lesquelles la transparence de l'air a éprouvé le moins de changements. A cet effet, il convient d'opérer à midi et à des heures équidistantes du milieu du jour : par exemple 6 heures et 9 heures du matin, 3 heures et 6 heures du soir; les valeurs de 6 doivent rester sensiblement égales pour une même hauteur du soleil, sauf un léger excès dans la matinée.
Parmi les données recueillies à l'aide des deux thermomètres conjugués dans le vide, on choisit celles qui ont été obtenues par des temps clairs, à ciel bleu sans nuages. En construisant une courbe ayant pour ordonnées les valeurs de 6 et pour abscisses les valeurs correspondantes de g, on obtient divers points d'une courbe irrégulière; on rectifie à la main cette courbe, ce qui revient à écarter un certain nombre de résultats influencés par des vapeurs souvent invisibles, bien que leur action sur l'actinomètre soit très marquée. A la suite de cet examen préliminaire il ne reste plus qu'un nombre restreint de résultats.
Dans la formule de Bouguer mise sous la forme
on remplace 6 et e par leurs valeurs successives et en éliminant A par différence, on en tire une série de valeurs de p.
On a trouvé pour l'instrument fonctionnant à l'Observatoire de Montsouris jt? = 0,875 et la valeur correspondante de A est A= 23^*5, cette dernière valeur change d'ailleurs pour chaque actinomètre qui doit être soumis à l'étalonage.
Le nombre moyen jt?= 0,875 est notablement plus élevé que celui auquel conduisent tous les actinomètres appliqués à la mesure directe des radiations solaires. Cela se comprend : tout voile, quelque léger qu'il soit, jeté sur le soleil, affaiblit sans compensation sa radiation directe; mais, pour nous, cet affaiblissement est en partie compensé par un plus fort éclairement du ciel.
Les degrés actinométriques n'ont donc rien d'absolu : ce sont des valeurs relatives proportionnelles aux sommes des radiations que le
soleil et le ciel envoient à l'instrument. Aussi, pour que le coefficient de proportionnalité soit le même pour tous les actinomètres, le plus simple est-il de les comparer entre eux d'une manière directe.
La valeur e de l'épaisseur de l'atmosphère est, d'autre part, donnée par la formule de Lambert :
&z=^h^ -j- 2rA + r* cos^^r — r cos;2r
dans laquelle z représente la distance zénithale du soleil, h l'épaisseur de l'atmosphère mesurée sur la verticale et prise égale à 80 rayons terrestres et r le rayon de la terre. La hauteur de l'atmosphère A est en réalité beaucoup plus grande que 80 rayons, mais au delà de cette distance, la densité de l'air est très faible, la sécheresse très grande et, par suite, l'action absorbante est négligeable.
Pour éliminer de la constante solaire la constante instrumentale qui la fait varier d'un instrument à l'autre, on remplace A par le nombre arbitraire 100, ce qui oblige à multiplier les diverses valeurs de 6 par le nombre obtenu en divisant 100 par la valeur de A correspondant à l'instrument (23,5).
On peut ainsi dresser des tables des valeurs de 6, c'est-à-dire des degrés actinométriques théoriques pour les diverses latitudes, à l'heure de midi. En comparant les valeurs de 6 aux valeurs correspondantes 6' des degrés actinométriques réels, on a la mesure de la
pureté de l'atmosphère (rapport -].
Résultats. — Pendant la période de 1872 à 1878 les valeurs men-
suelles de -• ont été à l'observatoire de Montsouris :
Mois.
Octobre . .
Novembre Décembre Janvier. . .
Février. . .
Mars
Valeurs
extrêmes.
0,41àO,o7 0,26 à 0,40 0,24àO,34 0,29à0,41 0,31 à 0,43 0,42à0,3o
moyennes.
Mois.
Avril
Mai
Juin
Juillet....
Août
Septembre
Valeurs
extrêmes.
0,4oà0,62 0,49 à 0,63 0,59 à 0,70 0,61à0,73 0,49 à 0,64 0,51àO,61
moyennes,
Dans la même période, le maximum des sommes mensuelles des
valeurs de 6' a été de 1.702 degrés (juillet 1873) et le minimum de 276 degrés (novembre 1872).
En réalité la quantité de chaleur et de lumière absorbée dans le passage à travers une couche d'air ordinaire de 1 mètre d'épaisseur varie de 0,3 à 1,3 0/0. Le passage à travers une épaisseur de 1,000 mètres des couches d'air de la nature de celles qui sont voisines du sol suffit pour amener l'extinction presque complète.
Il peut arriver que le rapport - soit supérieur à l'unité ; cette anomalie apparente est due à l'existence de nuages légers (cumulus) qui renvoient de la lumière au détriment des lieux sur lesquels ils portent ombre et donnent un éclairement supérieur à l'éclairement théorique.
Les poussières de l'air possèdent un pouvoir absorbant considérable; la pluie les entraîne en tombant, c'est pourquoi, après la pluie, l'atmosphère parait plus claire, les objets nous apparaissent avec plus de netteté, bien que l'air humide ait un pouvoir absorbant très supérieur à celui de l'air sec.
0' Il faut remarquer que le rapport - entre l'éclairement vrai et
l'éclairement théorique correspondant n'a qu'une valeur secondaire au point de vue agricole. Ce qui importe surtout, c'est l'éclairement vrai qui, directement mesuré par l'actinomètre, est indépendant de toute considération théorique sur la variation de transparence de l'air avec la hauteur du soleil. L'enregistrement de cette donnée, très désirable, est assez difficile à réaliser; on peut se servir, à cet effet, du radiomètre totalisateur de M. Hirn {Comptes rendus de V Académie des sciences, séance du H février 1884).
On doit à M. Cornu une nouvelle méthode d'actinométrie fondée sur l'étude des raies du spectre (Académie des sciences, 6 novembre 1882), et sur la comparaison des raies telluriques à intensité variable suivant l'état et l'épaisseur de l'atmosphère et des raies à intensité fixe (raies métalliques). M. Cornu a étudié les raies telluriques du groupe voisin de la raie D de Frauenhofer; il a trouvé que leur intensité était fonction de la quantité de vapeur d'eau contenue et de l'épaisseur de l'atmosphère; il a comparé ces raies aux raies métalliques voisines.
