LE BAROMÈTRE ET LA PRESSION ATMOSPHÉRIQUE

En nous occupant de la hauteur de l’Atmosphère, nous venons déjà de remarc[uer que l’air est plus dense dans les régions inférieures de l’océan aérien, c’est-à-dire à la surface du sol où nous rampons, que dans les régions supérieures. L’air, quelque léger, transparent, fluide, qu’il nous paraisse, a donc un poids réel. Chaque mètre carré de la surface du globe supporte une pression considérable, que nous allons tout à l’heure évaluer, et qui correspond à la hauteur et à la densité de la colonne d’air d’égale section posée sur lui.

Pour les anciens, l’air intangible, impondérable, invisible, n’existait pas. Ce n’était rien ! Ils ne se doutaient pas qu’en fait on le voit dans le bleu du ciel et qu’on peut le peser aussi bien que tout autre corps. Ils n’ignoraient certainement pas les effets tle la pression atmosphérique, qu’ils avaient remarqués dans les vents, les ouragans, les tempêtes; mais cette force, que chacun éprouvait sans songer à l’apprécier, ne fut déterminée que vers le milieu du xvii® siècle.

Legrand-duc de Toscane, ayant eu, en iGjo, la fantaisie alors piincière de voir des jets d’eau sur la terrasse de son palais, voulut y faire monter l’eau d’un bassin voisin à l’aide d’une pompe aspirante ; mais les fontainiers de Florence trouvèrent qu’il était absolument impossible d’amener l’eau au-dessus de 32 pieds. Le duc écrivit à l’illustre Galilée, depuis longtemps persécuté et presque octogénaire, sur ce singulier refus de l’eau d’obéir aux pompes. On disait alors que si l’eau s’élevait dans les corps de pompe, c’était parce que la nature avait « horreur du vide ». C’était un peu l’explication du médecin de Molière déclarant que si l’opium fait dormir, c’est parce qu’il y a en lui une propriété dormitive! On s’est longtemps contenté de ces cx])lications qui n’expliquent rien. Pourtant, il était difficile de supposer que la nature n’eùt horreur du vide que jusqu’à 32 pieds ! Galilée pensa que la pression de l’air devait intervenir dans l’ascension du liquide; mais cette explication exigeait néccssaircmcn t que l’air fût pesant. Pour vérifier le fait, il expulsa l’air d’une bouteille, en faisant bouillir dans son intérieur une petite quantité d’eau ; la bouteille, hermétiquement fermée, lut pesée vide, et son poids augmenta lorscpi’en la débouchant il |)ermit à l’air de la remplir.

L’ATMOSPll KRE

Torricclli, rélève cl l’iimi de (lalilée, résolut entièrement le problème en établissant (jue la colonne d’eau de la pieds fait équilibre à la pi-ession de l’iV tmosplièrc ()risc dans toute sa hauteur.

C’est donc le refus de l’eau à s’élever au-dessus de di.x mètres dans les corps de pompe qui révéla à Torricelli le poids de l’Atmosphère.

Le compatriote de Galilée, éloignant comme son maître toute idée de cause occulte, exposa que le poids de l'air du réservoir foree l'eau à monter dans le tube dont on soutire l’air, et cela jusqu’à ce que le poids de l’eau élevée dans le tube équivaille celui de l’air pesant sur une section égale du réscrvqir. 11 arriva, par une simple conséquence de ce raisonnement, à créer le Baromètre.

Pour exercer des pressions égales, les colonnes liquides doivent avoir des hauteurs qui soient en raison inverse de leur densité; donc, un liquide qui pèserait deux fois plus que l’eau ferait équilibre à l’Atmosphère avec une colonne de i6 pieds, et le mercure, qui pèse à peu près i3 fois Ct demie (i3,G) plus que l’eau, doit faire équilibre avec une colonne égale à 32 pieds divisés par i3,G, ce qui donne 7G0 millimètres. C’est une conséquence facile à v.érilier. On prend un tube de verre d’un mètre de longueur, fermé par un bout; on le remplit de mercure, ct ensuite, après l’avoir bouché avec le doigt (flg. i5), on le retourne verticalement pour en plonger l’extrémité dans une cuvette remplie de même liquide. Aussitôt qu’on enlève le doigt, le mercure intérieur descend de plusieurs centimètres, puis il s’arrête (lig. iG) ; l’équilibre est établi, la colonne liquide qui reste suspendue dans le tube est une véritable balance, car son poids, c’est-à-dire sa hauteur, fait précisément équilibre à la pression atmosphérique. C’est le poids de Pair sur le mercure de la cuvette qui tient en équilibre la colonne.

A ce tube de mercure ainsi posé verticalement sur une cuvette de mercure, Torricelli donna le nom de baromètre, c’est-à-dire d’appareil indiquant le poids de l’air (du grec baros, poids, et /«é//-o/;, mesure).

Le baromètre se compose donc essentiellement d’un tube de mercure plongé dans une cuvette. Nous verrons plus loin quelles sont ses nond:)rcuses applications; ici, l’important était de définir son principe. Ce baromètre réduit à ses plus simples conditions s’appelle le baromètre normal (lig. iq).

L’invention du baromètre jiar Torricclli date de l’année iGja.

Quatre ans plus tard, en iG/jG, Pascal renouvela l’expérience en France par un véritable baromètre à eau, ct même par un baromètre éi vin. C’était à Rouen : son tube avait environ t5 m. 20 de long, ct pour s’éviter la difficulté insurmontable à cette éjioquc, d’en épuiser l’air directement, il le fit sceller à un bout, le remplit devin, et ferma l’autre bout par un bouchon. Alors, à l’aide de cordes et de poulies, le tube fut redressé verticalement, et l’extrémité inférieure fut plongée dans un vase d’eau. Au moment où l’on enleva le bouchon qui la tenait fermée, toute la colonne liquide s’abaissa dans le tube jusqu’à ce que son sommet fût à environ 10 m. 5G au-dessus du niveau de l’eau du vase. L’espace qui était au-dessus était privé d’air. Ainsi la colonne liquide faisait à elle seule équilibre à la pression atmosphérique : d’où il conclut (pi’une colonne d’eau (ou de vin de même densité) de 10 m. jG de hauteur pèse

com me

■ Fig, i5. — Torricelli inventant le baromètre (iGi'aj.

si elle était recouverte d'uiie couche tl'eau (h; lo m. .)() de hauteur; et nous, qui vivons au milieu de l'océan de l'air, nous suhissons la même ])rcssion.

Si c’est la pression de l’air f[ui cause I élévation du mercure ou de l eau, en s élevant à diverses hauteurs dans l’Atmosphère, le poids de la colonne de mercure soulevée, et par conséquent la grandeur de cette colonne, doit diminuer gratluelhunent

L’ATMOSPHERE

de quantités correspondantes aux couches d’air laissées au-dessous de soi. L’expérience fut exécutée sur le Puy de Dôme d’après les instructions de Pascal, jiar son beau-frère, Florin Périer, le iq septembre iG/iH. A Clermont, au couvent des Minimes, le mercure s’arrêta à o m. 722, tandis qu’au sommet de la montagne, à i 000 mètres environ au-dessus du couvent, il descendit à o m. G37. Aujourd’bui le fait se constate tous les jours depuis (pi’un observatoire a été installé au sommet du Puy de Dôme. L’expérience fut répétée par Pascal môme, sur la tour Saint-Jacques, à Paris. (La hauteur de cette tour étant de 02 mètres, la différence de hauteur du baromètre est d’envii’on 5 millimètres.)

Fig. 16. — Le lulie j)lcia de mercure, Fig. 17. — Le tube dans la cuvellc.

Les résultats furent décisifs, et l’on eut dans le baromètre un moyen facile et sûr de mesurer le j)oids total do rAtmos[)bère et les variations de la pression qu’elle exerce en divers tcnq:)s et en divers lieux à la surface tki glol)0.

Ainsi, c’est de iG/io à iG'jb que fut démontrée la pression atmosphérique, parla construction du baromètre et les expériences auxquelles les chercheurs se livrèrent immédiatement.

Par une coïncidence très fré([uente dans l’histoire des sciences, tandis qu’on étudiait en Italie et en France les indications du baromètre, on s’occupait en Hollande de constater j)récisément le |)oids de Pair, mais par une tout autre méthode.

fhi iGoo, Otto de Guéi'icke, bourgmestre do Magdehourg, invente la machine j)ncumatique, par hupielle on peut soulircr l’air contenu dans un récipient, et faire le vide pi'Osque ahsol U.

POIDS DE L’ATMOSPHÈRE TERRESTRE I9

La même année, l’ingénieux inventeur imagine de peser un g’lol)e de verre, d’abord en lui laissant l’air ([u’il contient, puis en lui enlevant cet air par la machine pncuma-

Fig. 18. — Expérience faite à Rouen par Pascal pour constater la pression aluiosplu'ricjuo au moyen

d’un grand baromètre (lO/jG).

ti([uc. Le globe vide d’air est trouvé moins lourd ([tic plein d’air, avec une dilfércncc de ; I gr. 29 pour cliatjLic litre dont se compose ht ca|)acité du glohe;

L’AT^FOSPllKRE

Déjà Aristote avait soupçonne que l’air est pesant. Pour s’en assurer, il avait pesé une outre d’abord vide, puis gonllée d’air; car, disait-il, si l’air est pesant, l’outre doit être plus lourde dans le second cas que dans le premier. L’expérience n’ayant pas conlirmé ses prévisions, il en avait conclu que l’air n’a pas de poids. Cependant, plusieurs pliilosoj)hes de l’antiquité admettaient la matérialité de l’air comme un fait. Ainsi l’école d’Lpicure comparait les effets du vent à ceux de l’eau en mouvement, et regardait les éléments de l’air comme des corps invisibles; Lucrèce en parle longuement. Toutefois, pendant le règne de la pbilosopliic péripatéticienne, on admit que l’air était sans poids, et un petit nombre seulement de philosophes ne partagèrent pas cette erreur.

Nous venons de voir qu’en répétant d’une manière judicieuse l’expérience d’Aristote, Otto de Guéricke a prouvé le poids réel de l’air. Si Aristote avait trouvé le contraire, cela tient au changement de volume de l’outre dans ses deux essais; car tout corps pesé dans un Iluidc perd en poids une quantité égale au poids du Iluidc déplacé. L’outre employée par Aristote eut été plus lourde pesée dans le vide. Supposons eju’on y introduisît par insufflation environ 3o décimètres cubes d’air, son poids augmentait de 4 grammes environ, mais en même temps l’outre s’était gonflée ; son volume s’était accru de 3o décimètres cubes, et déplaçait un volume d’air d’un poids égal, de telle sorte que sa perte en poids était également dé 4 grammes, et qu’en définitive son poids restait le même ; mais dans l’expérience d’Otto de Guéricke le vase avait toujours la même capacité, qu’il fût vide ou plein d’air; et sa perle en poids par l’air déplacé étant la même dans les deux cas, on devait trouver une différence qui démontrât la pesanteur de l’air.

Otto de Guéricke imagina en môme temps les Jtcinisplièrcs de Map<lcl)OHrg;, ainsi nommés do la ville où ils furent inventés, et qui consistent en deux hémisphères creux, de cuivre, de 10 à 12 centimètres de diamètre (fig. 21). Ils s’emboîtent hermétiquement l’un dans l’autre. L’un des hémisphères porte un robinet qui peut se visser sur la platine de la macliine pneumatique, et l’autre un anneau qui sert de poigaiée pour le saisir et le tirer, faut que les deux liemisplièi es, étant en contact, comprennent entre eux do l’air, on les sépare sans difficulté, car il y a équilibre entre la force expansive de l’air intérieur et la pression extérieure de l’Atmosphère ; mais une fois (jiie le A ide est fait, on ne peut plus les séparer sans un effort considéiahle. Dans une de ses ex[)érionces, le saA’ant bourgmestre fit tirer chaque hémisphôie ])ai (jUülrc forts cheeau.r (et non pas huit ou douze, comme le montrent beaucoup de figures populaires) sans |)arvcnir a les séparer : le diamètre était de Gj centimèties . ce qui donne le chiffre de ^5 ^28 kilogrammes pour la jiressioii atmospliéi npie exeiice dans la direction de la résislance.

La jiression de l'Atmosphère sur un centimètre carré de surface est équivalente au

POIDS DE L'ATMOSPHÈRE TERRESTRE

Fig. 20. — E.'cpériencc barométrique de Pascal, sur la tour Saint-Jacques, à Paris (1648).

poids d’une colonne de mercure dont le volume est de 7(3 ccnlimèlres cubes, ce t[ui corrcs|)ond à i kilogr. o'3'3.

Il est facile (et curieux) d'en conclure (|uc, ht su])crficie du corps d’un homme de taille moyenne étant d’un mètre carré et demi, c’est-à-dire de i3ooo ccntimètrt's

L’ATMOSPlIKRE

carrés, chacun de nous porte une charge de i5 aoo kdogrammes ! Si nous ne sommes pas écrasés sous cette énorme pression, c’est parce qu’elle n’agit pas seulement dans le sens de la verticale; l’air nous entourant de tous côtés, sa pression se transmet sur notre corps dans tous les sens, ■et par suite se neutralise. L’air pénètre librement et avec sa pression tout entière dans les cavités les plus profondes de notre organisme; dès lors nous supportons du dedans au dehors la même charge que du dehors au dedans, et par suite ces poids s’équilibrent exaetement.

On démontre facilement eette pression atmosphérique par l’expérience bien eonnue du creve-vessie .

Prenons un manchon de verre fermé hermétiquement, à sa partie supérieure, par

une membrane de baudruche, et dont l’autre extrémité s’applique exaetement (flg. 23) sur le récipient de la machine pneumatique. Aussitôt qu’on commence à faire le vide dans ce manchon, la membrane se déprime sous la pression atmosphérique qu’elle supporte, et Inentôt crève avec une détonation causée par la rentrée subite de l’air.

L’inverse arrive si l’on diminue la pression extérieure. En plaçant un oiseau sous le vide de la machine pneumatique, nous voyons son corps se gonfler, le sang en jaillir avec violence, et peu après le petit être périr, boursouOé, victime d’une sorte d’explosion inverse de la précédente.

Ce fait est encore confirmé, comme nous le verrons plus loin, par les ascensions à de gi'andcs hauteurs. Quand on atteint des régions où l'air est notablement raréfié, les mcmbi-cs se gonllcnt et le sang tend à s’échapper de l’épiderme par suite du mampie d’équilibre entre sa pro])rc tension et celle de l’air extérieur.

On s’amuse parfois à constater la pression atmosphérique par une expérience fort

POIDS DE L’ATMOSPHÈRE TERRESTRE

simple : On remplit exactement J'ean nn verre, et l’on pose à la partie supérieure une feuille de papier; en y applic[uant la paume de la main, on peut le renverser sans c[ue le li([uide tombe : ce qu’il faut attribuer à la pression normale ([ue l’Atmosphère exerce sur la feuille de papier (fig. a/j). Le rôle de cette feuille est d’empèclicr le mouvement individuel des molécules liquides, qui sans elles obéiraient séparément à l’action de la pesanteur, en même temps que l’air s’introduirait dans le verre. Toutefois, si l’ouverture était suffisamment petite, l’adhérence du liquide contre les parois produirait le même effet et la feuille deviendrait inutile.

C'est ainsi, par exemple, que bien que l’on pratique une petite ouverture sous un tonneau plein, le liquide ne ^2. — iicnusphèrcs

s’écoule pas, et il faut, pour que l’écoulement ait lieu,

(( donner de l’air » à la partie supérieure par une seconde ouverture. Le petit tube appelé pipette, qui garde le vin tant que le doigt reste appliqué au-dessus, fonctionne par le même principe.

Nous venons de dire que là où l’on fait le vide, la pression de l’air atmosphérique est d’environ i kilogr. o33 par centimètre carré. C’est cette pression qui retient aux rochers les mollusques qui ont fait le vide sous leur coquille. La mouche pompant l’air et se collant au plafond nous en fournit un autre exemple. Les ventouses appliquées sur les membres n’agissent que par le même principe, et à chaque pas l’observation peut nous montrer un fait organique fondé sur les effets de la pression atmosphérique.

Fig, 24. — Pression atmosphérique sous un verre renversé.

Tels sont les faits généraux et les expériences qui ont démontré la réalité du poids de l’air et sa valeur numérique, et donné naissance à l’instrument destiné à la mesure permanente de ce poids : au baromètre. 11 importe, maintenant, d’appliquer ces tiotions à l’étendue de l’Atmosphère, que déjà nous avons essayé d’aj)précier dans le chapitre précédent.

Au fond de 1 océan aérien, la pression soutient en moyenne la colonne barométrique à la hauteur de 7G0 millimètres, quel que soit d’ailleurs le diamètre du tu lie.

Fig. 23. — Pression atmosphérique.

Piupture d’équilibre.

L’At:\[OSPiiere

Des expériences plusieurs fois répétées par les physiciens les plus habiles, et dont on a vérifié la complète exactitude, ont montré que le poids de l’air à o degré de température, et sous une pression de 760 millimètres, est au poids d’un volume égal de mercure dans le rapport de l’unité à loaoq, c’est-à-dire que loaoq millimètres cubes d’air, par exemple, pèsent autant que i millimètre cul)e de mercure. 11 suit de là qu’il faut s’élever de loàoq millimètres, ou do to mètres et demi, pour que le mercure s’abaisse de i millimètre dans le tube du baromètre. Si la densité des couches d’air était partout la même, on pourrait facilement déduire du résultat précédent, non seulement la hauteur d’un lieu quelconque dans lequel le baromètre aurait été observé, mais encore la hauteur totale de l’Atmosphère. 11 est clair, en effet, que si un abaissement de I millimètre dans la hauteur du baromètre correspondait à un déjîlacement vertical de 10 m. Soq, un abaissement de 7G0 millimètres, qui est la hauteur totale du baromètre, devrait correspondre à 10 m. 009 pris 760 fois, ou à 7 98G mètres.

Telle serait la hauteur de l’Atmosphère si la densité restait la même avec la hauteur; mais comme ces couches fluides pèsent les unes sur les autres : les plus basses sont les plus comprimées, les plus denses, tandis que les plus élevées, ne supportant aucune pression, peuvent s’étendre au loin. Il résulte de là qu’il faudra parcourir en hauteur, pour faire baisser le mercure du baromètre de i millimètre, un espace qui dépassera d’autant plus 10 m. Soq qu’on se trouvera dans une couche d’air plus rare ou plus élevée.

Pour obtenir la hauteur d’une montagne, deux personnes, munies d’instruments comparés, font au même instant, l’une au sommet et l’autre au pied, l’observation de la hauteur du baromètre ; elles ont soin d’observer en même temps les thermomètres qui sont enchâssés dans les montures de ces instruments, et ceux qui sont destinés à donner la température de l’air libre. Deux observations suffisent à la rigueur; mais, lorsqu’on le peut, il est bon de multiplier les déterminations, parce (|u’on augmente alors les chances de compensation des erreurs.

Un observateur isolé et muni de bons instruments peut aussi déterminer la dilférence de niveau de deux stations peu éloignées, avec une exactitude suffisante, s’il a l’allen tion d’observer le thermomètre et le l)aromèLre dans la station inférieure au moment du départ et à son retour. La comparaison de ces observations lui donne, en effet, la marche horaire des deux instruments.

Nous avons vu qu’au niveau de la mer et à zéro degré de température, il faut s élever de 10 mètres et demi pour voii‘ le mercure s’abaisser de i millimètre. En s’élevajit à 21 mètres, le mercure sera abaissé de 2 millimètres, et ainsi de suite, pour une faible hauteur; mais la diminution dépréssion ne tarde j)as à devenir rapide, et 1 intervalle augmente vite pour une différence de i millimètre.

Nous avons essayé do représenter par une courbe et ])ar une teinte cette décroissance si i;q)ide du jioids de l’Atmosphère. Dans la figure 2.), la ligne horizontale qui forme la base leprésente l’état du baromètre au niveau de la mer {~(io millimètres). Chaque ligne horizontale re])rodnit la hauteur relative du baromètre suivant 1 élévalion, ix'présentée elle-même pai’ la verticale. On voit par la teinte qn a 2 Goo mètres la

POIDS DE L’ATMOSPHERE TERRESTRE

pression est déjà diminuée d'un quart, qu’à 5 5oo elle l’est de moitié, et qu’à qoooellc l’est des trois quarts! L’extrémité supérieure représente la plus grande hauteur atteinte en ballon par les aéronautes allemands Siering et Berson, le 3i juillet rqoT.

L’Atmosphère est sans cesse en mouvement, par ses dé|)lacements partiels, hori' zontaux, verticaux et obliques, à la surface du globe. Il en résulte que le poids de l’air sur un lieu donné, ou la hauteur du baromèlrc varie sans cesse. La chaleur solaire donne naissance à des variations diurnes et à des variations niensucllcs régulières, dont l’intensité diffère suivant les latitudes. Le déplacement des grands courants donne naissance à des variations étendues sur d’immenses surfaces.

A propos du poids général de l’Atmosphère, nous ne pouvons clore ce chapitre sans signaler ce poids numérique luimême.

La pression atmosphérique est de I o33 grammes par centimètre carré, ou de io3 kilogrammes par décimètre carré, ou de io33o kilogrammes par mètre carré.

Une surface de lo mètres carrés, supportant un poids d’air cent fois plus grand que le précédent, représente io33ooo kilogrammes. Une surface de loo mètres carrés supporte io3 3ooooo; et une surface de looo mètres carrés, io33ooooooo: lo milliards 33o millions de kilogrammes d’air.

Or, la surface totale du globe est d’environ 5io millions de kilomètres carrés. En multipliant le nombre précédent par 5io millions, on obtient le poids colossal de 5 quintillions 2G8 quatrillions de kilogrammes. A cause des plateaux qui s’élèvent sensiblement au-dessus du niveau de la mer, nous pouvons admettre, en nombre rond, 5 quintillions (Pascal n’avait trouvé que 4 quintillions). C’est le poids réel de toute l’atmosphère terrestic.

Le volume de la Terre est de lOyp à/jo millions de kilomètres cubes. Si la Terre était un globe d’eau à sa densité maximum de \ degrés, elle pèserait 1 ojq o'\o ([uintillions de kilogrammes; mais comme les matériaux constitutifs du globe terrestre sont 5,:’)G fois plus denses que l’eau, nous devons multiplier le nombre [)récédent par .3,. jG pour avoir le poids de la Terre, en kilogrammes. Ce poids est donc, en nombi'c rond, de six mille se.xtillions (G 000 000 000 000 000 000 000 000) de kilogrammes.

Colonne 'barozootrirrno aa tàvQW delaix\U)

Fig. aS. — Diagramme de la décroissance rapide de la pression atmosphérique selon la hauteur. Colonnes barométriques pour diverses hauteurs.

L’ATlMOSPlIi: RE

On voit que le poids de rAlinosj)lièrc est à peu ])rès la millionième partie du poids de la planète, ou, plus exactement, la onze cent millième partie.

Si toute cette masse d'air se tiouvait agglomérée en une seule boule, elle pèserait autant qu’une boule de cuivre massive de près de loo kilomètres de diamètre! C'est le poids de 730000 kilomètres cubes de fer. Comme i litre d'eau pèse précisément I kilogramme, le poids de l’Atmosphère est égal à celui de cinq millions de kilomètres cubes d’eau.

Le ])oids de l’air est donc loin d’ètre insignifiant, et nous nous expliquerons facilement plus tard les terribles ravages du vent- et des ouragans dont nous aurons à nous entretenir.

Nous vivons au fond de cet océan aérien, supportant une pression de i5 5oo kilogrammes pour la surface totale de notre corps, qui est d’environ un mètre carré et demi, pression dans laquelle nos organes sont absolument en équilibre, attendu qu’elle est la môme pour toutes les molécules intérieures de notre corps. Nos organes, nos poumons, notre cœur, notre cerveau, se sont formés sous cette pression et agissent en elle. Si on la diminue, comme par exemple lorsqu’on s’élève à une grande hauteur dans les airs, la pression habituelle intérieure, telle que celle du sang dans les artères et dans les veines, n’est plus contre-balancée, et elle tend à produire des congestions funestes. 11 semble que l’organisme humain — qui paraît le plus résistant de tous — ne puisse pas dépasser la hauteur des cimes les plus élevées des montagnes, soit qooo mètres d’altitude, — exceptionnellement, comme nous l’avons vu, dans quelques expériences aérostatiques très courtes.

GIIAPITllE V