CHAPITRE II

LA CHALEUR DANS L’ATMOSPHERE

L’CSINE ET LA FORCE. — LA VAPEUR D EAU. — FONCTION DE L'ATMOSPHÈRE DANS L’ABSORP- TION DE LA CHALEUR. — LES ATMOSPHÈRES PLANÉTAIRES. — DÉCROISSANCE DE LA TEMPÉRATURE SUIVANT LA HAUTEUR.

De rimmense rayonnement calorifique incessamment émané du foyer solaire, il importe maintenant de saisir et d’apprécier à sa valeur la quantité qui est en jeu dans l’Atmosphère et en organise la circulation.

La météorologie n’est qu’un grand problème de physique : il s’agit de déterminer les lois qui règlent la manière dont se distribuent dans notre Atmosphère la chaleur, la pression barométrique, la vapeur d’eau et l’électricité, le tout en relation avec les mouvements que la chaleur solaire engendre dans la couche superficielle solide, liquide et gazeuse de notre globe. Ce problème, si vaste qu’il soit, n’est au fond qu’une application des lois les plus connues de la physique ; les difficultés de la solution tiennent plutôt au grand nombre des causes perturbatrices et aux réactions incalculables des effets sur les causes, qu’à une véritable lacune dans la théorie générale. De là, la nécessité de nombreuses données expérimentales pour arriver à la solution.

L’Atmosphère est en réalité une immense machine, à l’action de laquelle est subordonné tout ce qui a vie sur notre planète. S’il n’y a dans cette machine ni rouages, ni pistons, ni engrenages, elle n’en fait pas moins le tra,vail de plusieurs millions de chevaux, et ce travail a pour but et pour effet la conservation de la vie.

Tous les mouvements de l’Atmosphère sont la conséquence de la propriété qu’ont les gaz de se dilater par la chaleur. Ces variations de volume, et par conséquent de densité, troublent à chaque instant l’équilibre qui tendrait à s’établir dans l’air atmosphérique. L’air, échauffé dans les zones équatoriales, s’élève dans les régions supérieures pour aller j-edescendre près des pôles ; là, il se refroidit, revient à l’équateur et recommence son mouvement de circulation. Le travail ainsi accompli par l’Atmo- S])hére est immense. Nos flottes sillonnent la mer sur les ailes des vents, et le souffle gracieux des zéjihyrs ainsi que la tourmente des ouragans sont l’effet de la puissance solaire emmagasinée dans cette gigantesque usine à gaz.

A celte propriété de l’air s’en ajoute une autre non moins importante : celle de dissoudre la vapeur d’eau, qui, s’élevant en quantité prodigieuse aux environs de l’équa-

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leur, est ensuite distribuée sur toutes les latitudes en pluie vivifiante. Ainsi s’accomplit un autre travail non moins puissant et non moins vaste : la distribution des eaux pluviales sur la surface du globe. Les eaux courantes qui font mouvoir nos machines ont été d’abord élevées dans les airs par ce puissant engin ; de là elles ruissellent sur les montagnes en forme de pluie et vont couler dans nos lleuves pour se rendre enfin à l’océan lui-même, d'où elles sont parties. Ceux qui ont visité les chutes gigantesques du Niagara en gardent un émouvant souvenir; elles ne sont cependant qu’une fraction absolument insignifiante de ce qui se passe journellement dans l’Atmosphère.

Le Soleil est le premier moteur duquel dépendent tous les mouvements du système planétaire, non seulement pour la régularité des orbites que décrivent les diflérents astres, mais aussi pour les phénomènes physiques ou physiologiques qui s’accomplissent à leur surface. Sur la Terre, en particulier, les mouvements atmosphériques, le cours des eaux, le développement de la végétation, la production de force qui résulte des combustions et de la nutrition des animaux, tous ces phénomènes sont dus à l’influence des radiations solaires.

Ce qui peut nous paraître mieux organisé encore, c’est la manière dont cette force calorifique se trouve, pour ainsi dire, emmagasinée dans les végétaux, non seulement dans ceux qui, encore vivants, servent à nos usages et à notre alimentation en même temps qu’ils ornent et embellissent notre demeure ici-bas, mais aussi dans ceux qui, ensevelis depuis plusieurs millions d’années dans les entrailles du globe, en sortent maintenant pour nous échauffer et pour produire la force motrice nécessaire à notre industrie. Chaque plante est une véritable machine dans laquelle s’élaborent les substances éminemment combustibles qui servent à nous fournir, en l’absence du Soleil, la chaleur et la lumière, ou à produire, en nous servant d’aliment, la force et la chaleur vitale dont nous avons besoin. C’est donc du Soleil, en dernière analyse, que dépendent tous les phénomènes de la nature et notre existence elle-même.

Dans le rayonnement solaire, ce qui frappe tout d’abord, c’est la lumière qui nous éclaire et la chaleur qui nous échauffe ; mais, outre ces deux ordres de phénomènes, il y en a un troisième non moins important : ce sont les actions chimiques qui accompagnent les deux autres ; Aussi doit-on distinguer trois ordres d’actions dans l’œuvre solaire : les rayons lumineux, les rayons calorifiques et les rayons chimiques. Les premiers donnent à la nature la beauté d'une jeunesse éternelle ; les seconds donnent au monde sa force et sa valeur ; les troisièmes tissent la trame sans cesse renaissante de la vie planétaire.

Chacun sait que, pour analyser un rayon de Soleil, on le fait passer à travers un prisme triangulaire de verre : la réfraction sépare les couleurs, comme nous l’avons vu en étudiant l’arc-en-ciel. Mais le spectre visible ne représente pas tout ce qui existe dans un rayon de Soleil. Le ruban multicolore se continue, à chaque extrémité, par un ruban invisible. Les ondes dont la longueur est comprise entre 7G8 et 3G() millionièmes de millimètre sont capables de faire vibrer notre nerf optique’ : ces vibrations

‘ Les recherches de M. Langley, en 1886, ont écarté cet intervalle de 81 à 36 cent-inilllémes pour les rayons perceptibles à l'œil humain.

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sont comprises entre 394 trillions et 738 trillions par seconde; elles produisent ainsi la sensation de la liinuère ; la diversité des couleurs ne dépend que de la long’ueur des ondes; les plus grandes se trouvent dans le rouge et elles vont en décroissant vers le violet. A gauche de l’extrémité rouge du spectre, il y a les ondes longues et lentes de la chaleur. A droite de l’extrémité violette, il y a les ondes courtes et rapides de l’action chimique. Notre œil ne voit ni les premières ni les secondes; on les reconnaît en employant des préparations photogéniques ou des substances impressionnables.

En réalité cependant, il n’existe dans la nature qu’une seule et unique série d’ondes, dont la longueur va constamment en décroissant, à partir de l’extrémité du spectre calorill{[ue obscur juscpi’à rextrémité du spectre chimique dans sa partie invisible. Entre ces deux extrêmes, il n’y a qu’une portion très limitée qui jouisse de la pro- [)riété d’exciter notre nerf optique.

Les rayons lumineux sont les seuls que nous voyions. Les rayons calorifiques et (diimiques agissent, mais sans (pie nous les percevions. Nous vivons au milieu d’un immense monde invisible.

Le jiouvoir éclairant des dilïérents rayons consiste dans l’aptitude plus ou moins grande (ju’ils possèdent d’exciter le nerf oj)ticpie de l’homme. 11 est probable cpie la faculté de jiercevoir les phénomènes lumineux n’a pas les mômes limites pour tous et (ju’elle est beaucoup plus étendue chez certains animaux ([ue chez l’homme, soit du c(')té du rouge, soit du côté du violet. Déjà, les fourmis nous le prouvent ; on a découvert cpi’ellcs voient dans l’ultra-violet, obscur pour l’œil humain. L’eau pure possède un pouvoir absorbant très considéralile pour les rayons thermicpies. Les humeurs que contient l’œil diffèrent peu de l’eau pure, et c’est là ce (pii rend l’organe de la vue insensible aux rayons calorifir{ucs.

L’étendue des ondes lumineuses sensibles à l’œil correspond ordinairement à ce qu’on ap})elle en acoustique une octave, de sorte que l’homme n’est mis en relation avec la 'nature que })ar une très faible partie des radiations solaires. Et cependant (pielle immense variété de sensations et ([uelle beauté de contrastes ! Sans entrer dans les considérations esthétirpies, il est impossible de ne pas faire ici une remarque importante : on a cru j)cn(lant longtemps (pie la radiation lumineuse était le seul mode d’action du Soleil sur le monde; cependant elle est très secondaire et peu importante, conqiarée aux autres radiations, (^ue sont donc les impressions produites sur la matière délicate de notre rétine, si nous les comparons avec les modifications que la ( haleur fait éprouver à tous les corps et avec les actions moléculaires que produisent les rayons chimirpies ?

Les gaz possèdent la faculté d’absorber les rayons calorifiques^ et par conséquent notre Atmosphère absorbe une portion très considérable de ces rayons. Les ondes les plus longues sont celles (pii sont le jilus facilement absorbées ; aussi un grand nombre de rayons moins réfringents (pii tombent sur notre Atmosphère sont arrêtés et ne parviennent pas jus([u’à nous.

L’Atmosphère terrestre, en absorbant une jiortion si considérable des rayons

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solaires, ne les anéantit pas, elle les tient en réserve j)onr les employer j)lns tard à notre avantage. Elle agit ])resc[iie exaetenient comme nne.s'e/vr, laissant arriver jusqu’à

l'icr. 77. — J’oiit ne svsU'iiic de ci fciilalioii des ('aii,\ csl di'i à la (dialciir solaire.

la Terre les rayons ealorifiqucs lumineux du Soleil et s’o|)posant ensuite à ce (pi’ils s'en retournent se perdre dans l'espace. La radiation nocturne est eonsidérahleimm t diminuée par la présence de l’air atmos[)liéii(pie, et i)ar là se ti’ouve raUmti et modéré

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le refroidissement du globe et des plantes qu’il nourrit. La vapeur d’eau agit avec une très grande efficacité, et une couche humide ayant cjuelques mètres seulement d’épaisseur arrête le refroidissement nocturne autant que le fait l’Atmosphère tout entière.

Mais le spectacle qui doit le plus nous frapper ici, c’est l’absorption de calorique qui accompagne la transformation de l’eau en vapeur. L’eau s’évapore en masse considérable, surtout dans les régions équatoriales, et elle absorbe ainsi une grande quantité de chaleur de vaporisation qui demeure latente. 11 faut autant de chaleur pour vaporiser un kilogramme d’eau que pour échauffer d’un degré 537 kilogrammes d’eau ! La vajîeur d’eau absorbe cette énorme proportion de chaleur, qu’elle restitue du reste intégralement quand elle repasse à l’état liquide par la pluie. Cette chaleur a pour destination d’être transportée vers les latitudes les plus lointaines, et d’établir dans l’enveloppe atmosphérique qui entoure le globe une égalité de température que la radiation directe serait loin de produire par elle-même.

Cette masse énorme de chaleur passe pour ainsi dire incognito de l’équateur aux pôles, transportée par l’action de la va[)eur, et cette vapeur, en se transformant en eau et en glace, laisse échapper toute la chaleur qu’elle avait absorbée, contribuant ainsi à adoucir le climat de ces régions désolées. Les rayons solaires sont comme un agencement de poulies et de cordes, tirées sans cesse par des mains invisibles, occupées à élever des seaux d’eau jusqu’à la hauteur des nuages. Le commandant Maury fait remarquer qu’on n’aurait jamais obtenu un pareil résultat avec un gaz proprement dit, car, pour transporter par l’af/’ seul la même quantité de chaleur, il aurait fallu l’échauffer jusqu’à la température des fournaises.

Ainsi se distribue la chaleur dans l’Atmosphère. Ainsi se préparent les nuages et les pluies dont nous parlerons bientôt.

On sait que l’épaisseur d’Atmosphère traversée augmente rapidement avec l’obliquité des rayons solaires et qu’elle est 35 fois plus épaisse à l’horizon qu’au zénith. 11 en résulte que le Soleil paraît de i 3oo à i 4oo fois plus lumineux au zénith qu’à l’horizon.

Nous avons vu tout à l’heure que ce n’est pas l’air lui-même, c’est-à-dire le mélange formé des gaz oxygène et azote, qui absorbe le plus de chaleur, mais la mpeur cHeau qui existe dans l’air, dans des proportions d’ailleurs très variables.

Les rayons lumineux passent presque en entier et pénètrent jusqu'au sol ; les calorifiques sont, au contraire, absorbés dans une forte proportion. Si donc l’Atmosphère empêche une bonne partie de la chaleur solaire d’arriver à la surface de notre globe, parcompensation elle jouit de la propriété de retenir celle qui est parvenue à l’échauffer. Sans l’Atmosphère et sans la vapeur d’eau qu’elle renferme, le rayonnement du sol s’effectuant presque sans obstacle vers l’espace interplanétaire, la déperdition serait énorme, comme il arrive du reste dans les hautes régions. Aussitôt le Soleil couché, un refroidissement rapide succéderait à la chaleur intense des rayons solaires, et il y aurait entre les maxima et les minima de température, soit diurnes, soit mensuels, des différences énormes. C’est ce qui arrive sur les plateaux élevés du Thibet et ce qui explique la rigueur des hivers et l’abaissement des lignes isothermes dans ces régions.

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Tyndall a dit avec beaucoup de justesse : « La suppression pendant une seule nuit d’été de la vapeur d’eau contenue dans l’Atmosphère qui couvre l’Angleterre (et cela est vrai pour tous les pays de zones semblables) , serait accompagnée de la destruction de toutes les plantes que la gelée fait périr. Dans le Sahara, où le sol est de feu et le vent de flamme^ le froid de la nuit est souvent très pénible à supporter. On voit, dans cette contrée si chaude, de la glace se former pendant la nuit. »

L’humidité n’est pas répandue en proportion égale dans toute la hauteur de l’Atmosphère. La ç\\tAv.\xv traverse d' autant mieux V air qu il renferme moins d'humidité. L’air reste froid, en laissant passer la chaleur.

Lorsqu'on a dépassé les régions inférieures de l’Atmosphère et en général l’altitude de 2000 mètres, on ne peut s’empêcher de constater l’accroissement très sensible de la chaleur du Soleil relativement à la température de l’air ambiant. Ce fait ne m’a jamais plus impressionné que dans une ascension aéronautique, le 10 juin 1867, lorsque, nous trouvant à sept heures du matin à une hauteur de 3 3oo mètres, nous avons eu pendant une demi-heure i5 degrés de différence entre la température de nos pieds et celle de nos têtes ; ou, pour mieux dire, entre la température de l’intérieur de la nacelle (ombre) et celle de l’extérieur (Soleil). Le thermomètre à l’ombre marquait 8 degrés; le thermomètre au Soleil, 23 degrés. Tandis que nos pieds souffraient de ce froid relatif, un ardent Soleil nous brûlait le cou, les joues, et en général les parties du corps directement exposées à la radiation solaire.

L’effet de cette chaleur est encore augmenté par l’absence du plus léger courant d-’air.

Dans une ascension postérieure à celle-ci, j’ai éprouvé en même temps la différence singulière de 20 degrés entre la température de l’ombre et celle du Soleil, à l\iSo mètres d’altitude. Le premier thermomètre marquait — 9°, 5 au-dessous de zéro ; le second, -)- io“,5. Cependant ce fait me frappa moins que le premier, parce que javais appris à l’étudier

Ces résultats, observés en ballon, doivent être mieux dégagés de toute influence étrangère que ceux qui proviennent d’observations faites sur les montagnes, car, dans ce dernier cas, la présence des neiges et du rayonnement agit inévitablement, tandis que les observations aéronautiques s’accomplissent en des régions absolument libres.

On voit par ces considérations que les températures terrestres ne dépendent pas seulement de la quantité de chaleur reçue du Soleil, mais encore et surtout de la différence des pouvoirs absorbants de l’air sur les rayons des sources lumineuses et obscures. Il en est de même dans les autres planètes, et l’influence des atmosphères est telle, que, malgré son rapprochement du Soleil, Mercure peut jouir d’une température égale à celle de la Terre, si la couche de gaz c[ui l’entoure est constituée en conséquence, de même que .Jupiter peut posséder à sa surface des climats aussi chauds que les nôtres, malgré son éloignement.

La vapeur d’eau répandue dans l’xVtmosphère joue le principal rôle au point de vue de la distribution de la température. Dans l’Atmosphère tranquille qui enveloppe la sphère terrestre, il y a sans cesse une action lente et silencieuse, qui s’opère invisi-

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bleinent devant nos yeux aveugles et qui est si formidable que nul calcul humain ne saurait la représenter. Comparés à l’œuvre permanente de cette puissance, l’oxygène et l'azote ne sont plus rien, et les millions de tonnes d’acide carbonique qui brûlent dans la vie végétale et animale disparaissent comme une ombre.

Vapeur d’eau légère et transparente qui s’élève du lac limpide, brouillard qui flotte sur les mers, rosée du matin sur les fleurs, nuages blancs ou orangés du ciel, pluie ou neige, torrent de la montagne, source gazouillante au fond des bois, laiisseau qui murmure ou fleuves géants qui traversent les nations, depuis la source chaude minérale jusqu’au glacier suspendu au front des Alpes, depuis la petite goutte d’eau que saisit riiirondelle rasant la rivière jusqu’à la nuée noire et horrible chargée d’éclairs, tout cet ensemble, tout ce vaste système de la circulation de l’élément liquide à la surface du globe, représente le fonctionnement d’une usine fantastique dont les travaux du pandémonium de V^ulcain au fond du Tartare ne nous donneraient encore qu’une idée affaiblie, fleprésentons-nous la France sillonnée de rivières innombrables faisant marcher des millions de moulins, couverte d’un réseau serré de chemins de fer occupé par des milliers de locomotives circulant nuit et jour : tout le bruit, tout le mouvement, tout le travail accompli par ces moulins et ces machines infatigables ne représenterait qu’un jeu d’enfant à côté du travail accompli par la nature dans le système de circulation des eaux.

Les brillants rayons du Soleil enlèvent chaque année aux mers, sous forme de vapeurs, une masse d’eau évaluée à 721 trillions de mètres cubes.

La quantité énorme de chaleur qui produit cet effet pourrait fondre par an f i milliards de mèti’cs cubes de fer, c’est-à-dire une masse dont le volume égalerait plusieurs fois celui du massif des Alpes!

Voilà le travail gigantesque f[ui s’accomplit par la force de la chaleur solaire. Mais le travail inlinitésimal (jui se j)roduit par la même cause infatigable n’est pas moins merveilleux.

Un mouvement perpétuel s’accomplit incessamment dansla nature entière, mouvement inapprécié et auquel on ne songe guère ; et cependant ce mouvement est si considérable, que si nos sens nous permettaient de le percevoir, nous en serions véritablement effrayés. A chaque instant mille chocs d’intensité variée viennent Irapper notre corps. Sommes-nous à la campagne, au milieu des prairies ou sur le versant d’un coteau boisé ? L’air, qui toujours marche, constitue à l’état de vent et de brise insensible un premier mouvement général nous baignant d’une vasteeffluve. La chaleur solaire, ou simplement la tcm[)ératurc aml)iante, élève autour de nous des couches de densités différentes se succédant suivant les lois du calorique. La lumière croise devant nous, à travers nos yeux, derrière nous, sur nos tètes, en tous sens, des millions de rayons agissant sur l’éther invisible par des vibrations si rapides, que chaque seconde en renferme des trillions pour un seul rayon, et cela incessamment. Les couleuis des olqets ([ui nous entourent, des plantes, des fleurs, du ciel, des eaux, entrecroisent leurs fluctuations rapides et innombrables. Les bruits, lointains ou rapprochés, dévclo])pent dans l’air les ondes sonores successives qui, semblables à des

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cercles, décrivent mille courbes invisibles, entremêlées, mais non confondues. L’oiseau qui chante, le gland qui tombe du chêne séculaire, le bûcheron qui lraj)j)e, la laveuse <à la fontaine créent autant de mouvements ondulatoires. La chaleur pio})re de notre corps meme forme en nous un centre de rayonnement, et incessamment des quantités définies de chaleur s’échappent de toute notre personne, quantités qui s’accentueraient tout de suite au thermomètre. Dans notre organisme, d’ailleurs, le battement de notre cœur ne s’arrête pas une seconde, la circulation du sang dans nos artères et son retour au cœur par les veines se perpétuent sans oubli, en même temps quejiar le jeu alternatif de notre respiration, nos poumons s’occupent de distribuer à notre corjis la quantité d’oxygène qui lui convient.

Sommes-nous dans notre chambre tranquillement étendus dans un fauteuil, les pieds sur les chenets, un livre dans les mains, les mêmes mouvements que nous venons de rappeler s’accomplissent autour de nous et dans- nous. Nous ne pouvons tcndi’c le talon au feu sans qu’un système de mouvements invisibles s’établisse immédiatement entre notre pied et le charbon llamboyant. On ne peut toucher du doigt le clavier du piano sans qu’une série d’ondes sonores s’envolent dans notre appartement (et souvent même à de trop grandes distances pour les voisins!). On ne jieut causer, même à voix basse, sans que l’air soit traverse de vibrations sphériques. Kt ainsi nous vivons, sans nous en douter, au milieu de myriades de myriades de mouvements, constamment effectués et incessamment renouvelés dans l’Atmosphère au sein de laquelle nous respirons, vivons et agissons.

Si la nature, dit A. de Humboldt, avait donné la puissance du microscope à nos yeux et une transparence parfaite aux téguments des plantes, In règne végétal serait lui-même loin d’oftrir l’aspect do l’immobilité qui nous semble être un de ses attributs. A l’intérieur, le tissu cellulaire des organes est incessammen t parcouru et vivifié par les courants les plus divers. Tels sont les courants de rotation qui montent et c[ui descendent, en se ramifiant, en changeant continuellement de direction. Tel est le fourmillement moléculaire, découvert par le grand botaniste Robert Brown, et dont toute matière, pourvu qu’elle soit réduite à un état do division extrême, doit certainement présenter quelque trace. Qu’on ajoute à ces courants et à cette agitation moléculaire les phénomènes do l’endosmose, do la nutrition et de la croissance des végétaux, ainsi que les courants formés par les gaz intérieurs, et l’on aura une idée des forces (|ui agissent, presque à notie insu, dans la vie en apparence si paisible des végétaux.

Ainsi travaille sans cesse la chaleur solaire absorbée par l’air atmosphérique sous lequel cetteq)lanète respire.