EXPLICATION SCIENTIFIQUE DES AURORES POLAIRES

Historique des théories anciennes.

Opinions superslilieuses. — Nous avons déjà parle du rôle qu'a joué le surnaturel dans les anciennes théories des aurores boréales : on V voyait les menaces des puissances divines en courroux et désirant donner aux. coupables humains un premier avertissement, en leur montrant dans le ciel des glaives Ilambovants et des armées se livrant bataille. Aujourd'hui ces explications éveillent en nous un sentiment de pitié, mais nous aurions tort de les juger trop sévèrement. Enchaînés par la croyance à une providence toujours prête à changer les lois naturelles, les hommes d'autrefois n'avaient pas de peine à admettre des explications qui nous semblent maintenant bien arbitraires. Si l'intervalle d'années qui nous sé[)are du w*^ siècle est considérable, ce qui est plus grand encore, c'est le nombre des progrès im|)orlants qui ont élargi l'horizon des connaissances humaines. L'aurore de cette époque, où nous avons le bonheur de vivre, commence avec les noms des Copernic, des Galilée, des Kepler, des Bacon, des Descartes, mais la lumière nouvelle ne pouvait alors se répandre si rapidement que de nos jours.

(/est pourquoi nous passerons sous silence les tentatives faites à cette époque [)our expliquer l'aurore boréale, et nous arriverons immédiatement au moment où l'on essaya pour la pre-

loo CHAPITRE Yll.

mière fois de rattacher ces phénomènes à des lois naturelles

connues.

Théorie de la réflexion. — Nous rencontrons d'aljord une explication que nous pourrions appeler la théorie de la réjlexion, car elle attribue le phénomène à la réflexion des rayons solaires. Se fondant sur ce que l'on aperçoit le phis souvent l'aurore boréale au moment où le Soleil est au-dessous de l'horizon, on prétendait (pie les rayons lumineux, se réfléchissant dans les couches basses de l'air, puis sur les flancs des montagnes couvertes déglace ou de de neige, finissaient par être dispersés dans l'atmosphère. Il n'est guère nécessaire de réfuter cette théorie, et il suffisait de visiter les régions arctiques pour reconnaître que, malgré l'abondance de montagnes de glace très importantes, les flancs de celles-ci sont loin de réfléchir la lumière avec la netteté qu'on veut bien leur attribuer.

On apprendra avec étonnement que cette théorie de cabinet, malgré plusieurs expéditions polaires, a fini ])ar apparaître de nouveau, et particulièrement dans l'un des numéros des iMitlheilungen du D' Petermann (XIP fasc, i^^"'^). Dans un autre numéro, nous trouvons une réfutation de la théorie naturellement démentie par l'auteur du premier article. Toute cette polémic[ue peut se recommander de confiance aux personnes qui ne sont pas ennemies d'un petit divertissement aussi amusant que scientificjue, car on a même été jusqu'à citer une expérience, d'après laquelle l'aurore boréale serait l'effet de la lumière solaire refléchie sur le dos des troupes de harengs qui sillonnent les flots des mers septentrionales.

Théorie des poussières cosmiques. — On a essayé aussi d'expliquer les aurores boréales, en les attribuant à des couinants de matière cosmique circulant à travers l'espace et venant frapper notre globe. Bien que ces tentatives soient plus sérieuses que les précédentes, elles ne témoignent point chez leurs auteurs d'un travail soigneux de pénétrer les propriétés essentielles de la lumière polaire. Le lecteur connaît certainement la lumière zodiacale, cet arc faiblement lumineux de forme parabolique, qui apparaît mieux dans le voisinage de Téquateur de la Terre a[)rès le coucher du Soleil. On a

EXPLICATION DKS AURORES POLAIRES. loi

expliqué ce pliénomène par retîet d'une rénexion de la lumière solaire sur un anneau de poussière cosmique se mouvant autour du Soleil. Nous ne doutons pas de l'exactitude de celte théorie, mais nous la regardons comme absolument incapable de s'accoupler aux aurores boréales. Le célèbre explorateur français Mairan (28), il V a déjà deux siècles, l'a énoncée le premier en se fondant sur ce que, le Soleil étant entouré dun pareil anneau, il n'est point impossible que ces poussières atteignent la Terre. Ce dernier point a d'ailleurs été signalé de nos jours par M. Ad. Nordenskiold. Ce savant a, pendant ses voyages aux régions polaires, constaté de la façon la plus évidente que la neige contenait une poussière de fer. Or c'est justement cette nature spéciale ferrugineuse de la poussière qui était nécessaire pour autoriser l'explication des aurores polaires au moven d'une pluie de poussière cosmique.

Le phénomène se passerait donc de la manière suivante : La poussière ferrugineuse venant des espaces planétaires atteint les limites de la sphère d'attraction de la Terre ; elle est alors entraînée vers la surface de celle-ci et tombe sous l'action de deux forces : la première est la force magnétique terrestre, qvii déposerait la poussière suivant les rayons de même direction que les bandes lumineuses de l'aurore polaire; conclusion qui, d'ailleurs, s'accorde complètement avec les lois du magnétisme; la seconde est la résistance de l'air, dont le frottement porterait les poussières cosmiques à la température du rouge. Dès l'abord, cette explication paraît vraisemblable et elle a trouvé son dernier défenseur dans M. Gronemann(28). Si ce savant avait observé les aurores dans leur véritable patrie, c'est-à-dire dans les régions polaires, ou bien s'il avait étudié avec plus de soin les observation^ des voyageurs, nous sommes convaincu qu'il n'aurait point soutenu une théorie qui, bien que vraisemblable à première vue, ne peut cependant se tenir devant une discussion sérieuse.

On a cru trouver une preuve importante de la théorie dans cette circonstance que la raie caractéristique de l'aurore boréale (n" :i du spectre ) était située très près de l'une des raies du fer.

En effet, ces deux raies ont des longueurs d'onde presque égales, car on peut considérer leur différence comme tout à fait comprise dans les limites d'erreur des observations.

Il y a |)eu de tenqjs, on croyait encore que la même raie se trou-

loa CHAPITRE Vil.

vait clans la lumière zodiacale, iDais on a démontré que celle cii - €onslance, qui servait de base à toute la théorie, était inexacte. En outre, si la raie en cjuestion était en réalité causée par la poussière ferrugineuse en suspension dans ratmosphère, ce qui n'est point prou\é, on ne saurait expliquer pourquoi elle se montre seule, tandis que le spectre du fer contient plus de loo raies. Si même on acceptait cette raie comme l'une de celles du fer, il n'en résulterait point que la température élevée où se trouve le métal fût produite par le frottement; elle pourrait être causée par un courant électrique, ce qui du reste n'est guère probable. Quant à nous, comme cette raie jaune est très près d'une raie existant dans le spectre de l'air raréfié, nous n'hésiterons jias à la considérer comme a])partenant à Tair.

Nous aurons encore plus de peine à admettre la théorie des poussières cosmiques, si nous suivons pas à pas la marche d'une aurore boréale. D'après cette théorie, le phénomène doit commencer en haut et se continuer en descendant puisque les particules de fer doiv.ent rougir en tombant. Or, c'est précisément le contraii'e qui a lieu. L'aurore manifeste d'abord une faible lumière et offre ensuite l'aspect de bandes diversement colorées et s'élançanl de bas en haut. Ce fait à lui seul prouverait l'inexactitude de la théorie.

Portons maintenant notre attention sur cette circonslance intéressante des flammes observées autour des sommets des montagnes au Spitzberg et en Laponie et la faible lumière de l'aurore polaire qui, vue plusieurs fois à Sadankylà et KuUala, était impossible à distinguer à l'œil nu, mais pouvait aisément s'observer au spectroscope. Rien de tout cela n'est expliqué par la théorie cosmique. Nous ne fatiguerons point nos lecteurs par l'énumération des nombreuses objections qui avaient lieu d'être faites contre cette théorie : nous pensons que l'on a tort de chercher à expliquer un phénomène appartenant entièrement à notre globe par des causes cosjuiques, avant qu'on ait Ijien clairement prouvé l'inqjossibilité de l'allribuer à des forces agissant sur la Terre. L'auteur d'une théorie doit étudier avec soin tous les travaux de ses devanciers, car, en agissant autrement, il s'expose à commettre des erreurs et il est évident pour tous que les quantités minimes de poussières de fer se trouvant dans l'atmosphère ne peuvent a\oir qu'une influence

EXPLICATION DES AURORES POLAIRES. io3

toul à fait secondaire sur les aurores l)oréalcs, si toutefois elle eu a une.

On a voulu égalemeni attribuer la hnnirre polaire à l'inllammalion de gaz émis par des volcans; nous ne nous arrêterons même pas à discuter cette Inpolhèse.

Théorie magnélique. — De i 8) { à i 8 \o, la question du niagnétisme terrestre occupait vivement les savants. \j Union magnétique de Gôttingue, à Ja tète de laquelle se trouvaient Gauss et VVeber, provoquait la construction de nombreux observatoires. Sans parler des progrès que les travaux de la célèbre Union faisaient accomplir à la connaissance des lois des variations magnétiques, on commençait à mieux comprendre la relation qui existe entre ces variations et l'aurore boréale; on reconnut ainsi que le sommet de l'arc lumineux produit parle phénomène était situé dans le méridien magnétique, tandis que la couronne passait par le zénith magnétique. Il n'y a donc pas lieu de s'étonner de ce que l'on cherchait à expliquer l'aurore polaire au moyen du magnétisme. Halley, en 1716, avait déjà émis cette idée, soutenue par Moscr et par plusieurs autres. On v adhéra bien davantage, lorsque Faraday découvrit cpi'il était possilde de provoquer des étincelles électriques au moyen de l'induction magnétique. (Cependant on n'a jamais réussi à présenter une théorie probable en se basant uniquement sur le magnétisme terrestre; on parle bien de « courants » et « d'émanations » magnétiques, mais on se garde de donner la définition exacte de ces mots ni le mode de production de l'action cpi'ils représentent. Néanmoins il est important pour notre sujet de nous occuper des rapports subsistant entre les aurores polaires cl le magnétisme terrestre.

Position de Varc de Vauvoie boréale. — Quand on regarde une aurore boréale d'un lieu d'observation situé à une latitude suffisamment méridionale, il arrive le plus souvent que le sommet de l'arc lumineux se trouve dans le plan du méridien njagnétique. ( hielle position l'arc de l'aurore boréale doit-il occuper pour que nous le voyions ainsi? Il doit s'étaler, comme un anneau plein ou partiel, situé autour du pôle magnéticjue, à une hauteur assez considérable. Dans ces conditions, le [)oint le plus élevé nous semblera

io4 CHAPITRE VII.

infailliblement être dans le méridien magnétique. Cette explication est due au célèbre physicien Hansteen.

Cette apparence est celle des fortes aurores seulement : le plus

grand nombre de celles que l'on observe dans les régions arctiques

A ne suivent pas toujours cette loi et peuvent former des anneaux de

* '^ grandeur variable, autour d'un centre placé d'une manière fortuite,

car dans ces régions l'étendue du phénomène est souvent produite

sur un espace assez restreint.

L'expédition française de la corvette la RecJiercha a déterminé, à Bossekop et à Jupvig, en Norwège, par un nombre considérable de mesures, la position de l'arc lumineux; le sommet a été en moyenne à 1 1" à l'ouest du méiùdien magnétique. Argelander,

à Abo, est arrivé au même résultat après une longue suite d'observations. On voit donc que le sommet de l'arc ne coïncide pas avec le méridien magnétique, et Bravais, qui était au nombre des savants abord de la Reche relie , en donne une explication. D'après lui, la direction du méridien magnétique n'est pas la même à la surface de la Terre et dans les hautes régions où se produit la lumière polaire, parce que cette direction au voisinage du sol peut être influencée par des causes locales sans action dans les positions élevées de l'atmosphère. L'idée est ingénieuse, mais nous refusons de nous y rallier. En effet, un examen plus détaillé des observations de Bravais nous montre que la position de l'arc est extrêmement variable, car sur 22G observations ZÇ> pour 100, cesl-ù-dire plus du tiers, atteignent 3o" à l'ouest du méridien magnétique.

Zi pour 100 tombent entre 10" et 20";

7 pour 100, entre o'^et 10° ; enfin, 4 pour 100 vont de o°à 26°àrest.

On sait tout aussi bien que la couronne ne passe pas toujours par le zénith magnétique.

En résumé, tout s'accorde pour nous prouver qu'on a trop exagéré l'influence du magnétisme terrestre sur l'aurore boréale. Nous essayerons dans la suite de montrer que cet agent intervient indirectement pour produire l'électricité dans l'air, pour exercer une force directrice sur les courants électriques qui donnent naissance à la lumière polaire, et enfin pour déterminer la position de la zone ) J maximum. Sous aucun prétexte il ne convient de le regarder comme

la cause directe de l'aurore boréale.

EXPLICATION DES AURORES POLAIRES. io5

Théorie électrique de Peltier et de de la Rive.

Sur l'origine de la théorie électrique. — Il serait difficile de citer le nom de l'observateur qui le premier pensa à attribuer la lumière polaire à reircL du courant électrique; il est certain que cette opinion a été exprimée par Canton dès I75r>., et ensuite par Munch et par plusieurs autres. Il y avait deux raisons pour qu'il en fût ainsi : on observait dans l'atmosphère des phénomènes électriques ne présentant point les formes connues du tonnerre et de l'éclair, et il était possible de produire des effets lumineux presque absolument identiques à ceux de l'aurore boréale au moyen d'un courant électrique circulant dans l'air raréfié. L'œuf électrique est une expérience de cours. Les explorateurs anciens ont pour la plupart adopté la théorie électrique, et parmi eux Bravais, à l'opinion duquel sa profonde connaissance des aurores boréales donnait un poids considérable.

Les conclusions que ce savant a tirées de ses observations sont le plus souvent conformes à celles généralement admises à son époque^ et tout particulièrement à celle de Hansteen, qui supposait que l'arc lumineux formait toujours une portion d'anneau autour du pôle magnétique.

Le mérite d'avoir donné à ces idées un peu vagues une forme scientifique appartient à Peltier et de la Rive. De la llive surtout, par ses recherches continues, a établi la probabilité de la théorie électrique d'une façon qui ne laisse guère place au doute; c'est certainement lui qui a le plus fait pour la solution de cet important problème de Physique météorologique.

Théorie de de la Rive. — Cette théorie peut se résumer ainsi : il résulte de toutes les observations que la Terre est un corps électrisé négativement et bon conducteur de l'électricité. Jusqu'à présent nous ignorons l'origine de cette électricité causée soit par l'état du globe à son intérieur, soit par des phénomènes se passant à la surface. Il n'y aurait rien d'étrange à ce cpie le contact de la masse londue interne avec la croûte refroidie donnât naissance à cet agent physique. D'autre part il se produit sur toute la surface du globe un phénomène, celui de la vaporisation de l'eau, cpii, lui aussi, crée

io6 CHAPITRE VII.

(le l'électricité soit directement, soit indirectement et par le frottement de la vapeur contre les molécules de l'air. Une condilion est cependant nécessaire : c'est que l'eau renferme des sels, comme par exemple le sel marin, ou de la poussière organique. C'est ainsi que la vaporisation est la source principale de celte électricité positive dont l'existence est manifestée par le tonnerre, les éclairs, et tous ces autres phénomènes étudiés par de longues séries d'observations. Il existe d'autres sources, telles que le frottement de l'air contre la surface de la Terre, le développement delà végétation, etc., mais leur importance est secondaire relativement à celle de la vaporisation. Par suite de l'inégale répartition de la chaleur sur le globe, la vaporisation, et par suite la production de l'électricité, se produisent avec un maximum d'intensité dans la zone lorride, mais ces phénomènes ont lieu partout où s'évapore l'eau impure. L'électricité ainsi créée est conduite par l'intermédiaire des vapeurs, d'abord de la Terre, qui est électro-négative, jusqu'aux régions supérieures de l'atmosphère, puis les vents rentrainent vers les pôles terrestres autour desquels elle se décharge sous forme d'aurores boréales. Cette manière de la décharge est favorisée par l'humidité permanente de l'air de ces régions qui, par sa conductibilité plus grande, permet une décharge lente au lieu delà décharge violente de l'éclair qui s'effectuerait si l'air était sec. Telle est la façon simple et ingénieuse dont de la Rive explique les causes des aurores boréales.

Dans le but de compléter cette théorie et de l'appuyer sur des bases expérimentales, de la Rive construisit un appareil destiné à montrer la décharge électric[ue s'effectuantdansl'air raréfié autour d'un pôle magnétique. Cet appareil consistait en une grosse sphère en bois; à chacune des extrémités d'un même diamètre on avait fixé deux cloches en verre dans lesquelles il était possible de raréfier l'air. La sphère contenait dans son intérieur un barreau aimant('' dont les pôles se trouvaient à peu de distance des cloches en verre. Celles-ci étaient percées et recevaient dans leur intérieur un fil métallique en communication d'une part avec une bobine Ruhmkorff, d'autre part avec un anneau métallique entourant les pôles de l'aimant sans le toucher. Dès qu'on mettait en action l'appareil ainsi disposé, on apercevait au milieu de l'air raréfié un faisceau lumineux s'élendant entre le pôle et l'anneau métallique.

EXIM.ICAT10N DES AURORES POLAIRES. 107

De la Rive démontrait ainsi plusieurs faits mlcressanls el pionvail, eriire autres, que la lumière subissait un niou\cment rotatoire sous 1 influenee du magnétisme.

Points essentiels de ht théorie. Trois r/iiestions.

Un examen détaillé des points essentiels de cette thécnie renfermés dans les questions suivantes nous fera voir les points dans lesquels la théorie de de la Rive est satisfaisante' et ceux dans lesquels il faut la modifier ou la changer.

1" L'aurore boréale est-elle en vérité un phénomène électrique?

■i" Quelle est la cause de réleclricité négati\e de la Terre et de l'électricité positive de lair?

3° Pour(pioi l'aurore boréale se produit-ell<" de [)référence autour des pôles de la Terre".*

Première question.

Courants électriques produits par l'aurore. — Les raisons qui plaident en faveur de l'origine électrique de la lumière polaire sont si nombreuses qu'elles ne permettent guère de doutes.

Les perturbations magnétiques indiquent clairement celte origine. Si l'on fait passer un courant électrique dans le voisinage d'une aiguille aimantée placée sur un pivot vertical et libre de tourner dans un plan liorizontal, celle-ci est déviée de sa position d'équilibre et tend à se mettre en croix avec le courant. Le moyen mnémotecb nique donné par Ampère permet de savoir d'avance la position qu'occuperont les pôles par rapjiort au courant.

En effet, si l'on imagine une poupée étendue dans le sens du courant, de telle sorte que ce courant lui entre par les pieds et lui sorte par la tête, la poupée faisant face à l'aiguille aura le pôle nord de celle-ci toujours à sa gauche.

Or ces mouvements ne manquent jamais d'aj)paraître, ainsi que nous l'avons dit plus haut, pendant les aurores boréales. Plus vives et plus étendues les aurores se présentent, plus grands sont les mouvements de l'aimant, plus violentes sont les tempêtes magnétiques. — Ces tempêtes peuvent avoir lieu sans que l'aurore soit visible, mais dans ce cas il est bien probable que le phénomène de l'aurore se passe à une distance hors de la portée de la vue. Cela est pi'ouvé par les effets que nous avons décrits à propos des fils télégraphiques, dans lesquels se créent des courants tellement puissants, qu'ils l'emportent sur ceux de la pile faisant fonctionnerl'appareil télégraphique; ces courants font jaillir des étincelles et donnent des commotions assez fortes. Or il n'est aucun agent phvsique,

ORIGINE KLECTIUQUE DE L'AURORE BORÉALE. io<,

sauf l'électricité et le magnétisme, capable de produire ces manifestations. On ne peut admettre le magnétisme, il ne; reste donc que l'électricité.

De tels mouvements des aimants ont en vérité ieur explication la plus simple dans des courants électricpies, cl comme l'aurore boréale est 1 ellet d'un courant dirigé de haut en bas, nous allons trouver les causes des tempêtes : soit dans ce courant lui-même, soit dans les changements que subit le courant terrestre sous l'action du courant précédent. Quoi qu'il en soit, nous voyons que l'aurore polaire donne toujours naissance à des mouvements électriques.

Ressemblance de l'aurore a\-cc la lumière électrique de V(dr raréjié. — L'aurore polaire ressemble d'une façon frappante à la lumière produite ])ar un courant éh'ctricjue dans l'air rarélié ou, plus généralement, dans un gaz quelconque rarélié. Mais d'où vient cette lumière? Parmi une foule d'autres elTets, le courant électrique provoque dans le circuit un développement de chaleur capable, dans certaines circonstances, de faire rougir des parcelles de matière comme dans l'arc voltaïque.

Si un tube contenant de l'air raréfié est traversé par un courant, le gaz s'échauHe, rougit et devient lununcux. C'est ce qui arrive pour la lumière polaire: le courant partant des régions élevées de l'atmosphère au sein d'un air raréfié et arrivant à la Terre fait rougir les particules gazeuses sur son passage. Plus l'air est raréfié, plus le passage du courant est facile, moins grand est le nombre des particules gazeuses à porter au rouge, et l'elTet lumineux en devient d'autant plus considérable.

Preuves de V analyse spectrale. — La meilleure preuve que l'aurore boréale est un phénomène d'incandescence nous est donnée j)ar l'analyse spectrale. Nous savons que la lumière polaire présente un spectre qui ne contient pas moins de douze raies, provenant nécessairement delà présence d'un gaz à l'état incandescent. Mais quelle source de chaleur pourrait causer cet eflfet dans les hautes régions de l'atmosphère où le froid est si grand? La seule , o

réponse satisfaisante se trouve dans J'électricité en mouvement, il ' ^"^ Les autres propriétés de l'aurore boréale sont toutes d'accord pour

no CHAPITRE VIII.

nous amener à la même conclusion. Il suffira, en effet, de citer la hauteur varial)le c|u'ell«^ atteint au-dessus de la surface terrestre, son apparition aux endroits restreints, surtout dans les régions polaires, l'observation de certaines aurores ayant leur origine dans les nuages, sa participation à la rotation de la Terre, pour montrer que le phénomène de l'électricité en mouvement appartient tout entier k notre atmosphère. On doit aussi mentionner la rareté remarquable des orages dans les régions polaires, ce qui indique que la décharge électrique a quitté la forme violente pour une forme relativement lente.

CHAPITKE I\.

ÉLECTllICITÉ ATiMOSPHÉRiQUE.

Exislcnce de V éleclr'icilé atmosphérique et les lois qu'elle suint. — H sera plus difficile de répondre à la. deuxième question, DU de nous rendre coni[)le de la source de rélcclricilé négative de la Terre et de Téleclricilé positive de l'atmosphère.

Ce n'est pas que la science ait négligé de travailler à la solution de cette question ; on a depuis longtemps déjà exécuté de nombreuses observations afin de déterminer les lois de l'électricité atmosphérique, et cependant on n'est pas encore en droit d'affirmer ^i l'air situé près de la Terre est réellement électrisé, ou bien si les phénomènes observés sont dus à l'inlluence de la Terre électrisée négativement. Toutefois, si l'on ne peut se montrer hautement affirmatif, rexistence de celte électricité présente du moins le plus haut degré de probabilité. Nous en donnerons plus loin une preuve dans le Chapitre sur les expériences de la Laponie. Les travaux récents, et particulièrement ceux qui ont été faits pendant l'hivernage de la dernière expédition suédoise au Spitzherg, en 1 8-2-i8-3, >()nl favoral)les à celte conclusion.

L'électricilé atmosphérique, mesurée relativement à sa quantité «■t à sa tension, montre dans la marche journalière deux maxima ri deux niinima, qui se présentent à des é|)0(pies inégales pendant les diverses saisons. Le premier minimum a lieu vers 4'' du matin et il est suivi d'un premier maximum à 8'' en été et à lo'' en hiver; l'électricité commence alors à diminuer jusqu'à 3'' du soir en été, et jusqu'à i '' du soir en hiver, moments où elle atteint un second minimum, moins facile à distinguer que le premier; a|)rès 3'' la tension augmente jusqu'à cj'' du soir en été et 6'' en hiver, où l'on

constate le deuxième maximum. Pendant Tannée, l'électricité atteint son maximum en hiver au mois de janvier et son minimum en été au mois de juin. Le maximum est environ i3 fois plus grand que le minimum. Du reste, il faut remarquer que de grands et rapides changements se montrent souvent dans l'état électrique de l'air : c'est pourquoi la question de la périodicité annuelle n'est pas encore bien constatée (loi b). Les résultats que fournissent les expéditions polaires internationales donneront probablement des preuves concluantes.

Obserçations danoises à (Jodtliaab. — Les observations danoises sont déjà connues dans leurs traits principaux; voici le récit de M. Paulsen (i(3) : « Les conditions météorologiques de Godthaab sont toutefois si défavoral)les,(jucla fréquence des brouillards d'été et l'abondance des nuages pendant toute l'année ne permettent point de, démontrer la régularité d'une période journalière. En revanche, on a pu constater, depuis le commencement des observations, au milieu de janvier, une différence extraordinairemcnt grande entre l'état électrique de l'air en hiver et en été. Ainsi pour les heures pendant Icscjucllcs la nébulosité a été audessous de 5 (max. lo), les résultats fournis par l'électromètre ont donné en moyenne :

Pour février, un écart de i 55 divisions.

mars i> j.'. »

avril » 5o »

mai » 6,5 »

juin » 3,tS »

juillet I) » f rinstrunienl était dérange).

août » 1,1 division.

Nous voyons ainsi que la quantité iréicctricité qui existe dans l'atmosphère est bien plus grande pendant l'hiver qu'à toute autre époque de l'année. Ces recherches n'ont pas montré ime liaison spéciale entre l'aurore boréale et l'état électrique de l'air.

Les observations de l'expédition polaire de Laponie ont donné des résultats qui ressemblent assez aux observations danoises.

Nous montrerons plus loin qu'une liaison intime entre l'état électrique de l'air et l'aurore boréale n'est pas nécessaire, parce que

ÉLECTRICITÉ ATMOSPHÉRIQUE. ii3

celle-là étant l'effet d'un courant ne dépend point de l'état électrique absolu, mais des variations du potentiel dans une direclion à peu près verticale. On reconnaît que les phénomènes observés au moins dans les zones froides indiquent bien l'existence d'un tel courant.

Origine de l'électricité atmosphérique.

Deuxième question.

L'opinion des physiciens sur l'origine de rélcctricité atmosphérique a été bien différente, comme nous allons le montrer.

Parmi les causes qui sont regardées comme productrices du phénomène, il y en a deux qui nous semblent les plus importantes.

1° L'induction unipolaire produite par le magnétisme terrestre et la rotation de la Terre;

2" La vaporisation à la surface de la Terre.

L'induction vmipolaire.

Phénomènes principaux. — Explications de M. Edlund. — Pour bien comprendre l'effet qu'exerce l'induction unipolaire sur les phénomènes de l'électricité atmosphérique, il nous faut connaître l'explication que M. Edlund a donnée de ce phénomène (28). Cette explication est indépendante de toute théorie électrique, c'est-à-dire qu'elle s'applique également si l'on regarde les phénomènes électriques comme étant produits par un seul fluide ou par deux.

Le phénomène principal est le suivant : soient un aimant cylindrique N.-S. ijig- 9) qui peut être animé d'un mouvement rapide de rotation, f cl f deux ressorts appuyant légèrement sur cet aimant et communiquant à un galvanomètre par l'intermédiaire des lils isolés e ele'. Dès que l'aimant est mis en mouvement, un courant se produit et l'aiguille du galvanomètre est déviée; on remarque:

1" Que l'intensité du courant dépend de la puissance de l'aimant et de la vitesse de rotation ;

2° Que la déviation de l'aiguille change avec le sens de la rotation et avec la position des ressorts qui glissent sur l'aimant.

Si l'on place autour de cet aimant un manchon en laiton disposé de telle sorte qu'il puisse prendre un mouvement de rotation au-

tour de l'aimant, on pourra à volonté faire tourner autour de l'axe commun de l'appai^eil, soit séparément ou ensemble, l'aimant et le manchon.

Les expériences indiquent d'une manière bien certaine le siège de l'induction unipolaire. Les principaux faits observés sont les suivants :

i" Si le manchon seul est mis en rotation de droite à gauche et que les ressorts appuient sur ce dernier, on obtient un courant dans la direction des llèches e el e' ; en changeant le sens de la rotation, la direction du courant change aussi. Le résultat est le même que si les ressorts ghssaient sur l'aimant.

2° Si le manchon et Taimant sont mis ensemble en rotation, le résultat reste le même.

3° Si l'aimant se meut seul, pendant que les ressorts pressent sur le manchon en repos, le galvanomètre n'accuse rien. On voit donc qu'il est indifférent que l'aimant soit entouré d'un manchon ou ne le soit pas, car, dans le dernier cas, la surface métallique de l'aimant joue le rôle du manchon.

On a essayé d'expliquer ces phénomènes singuliers par l'induction de l'aimant mobile sur le circuit, mais cette exphcalion laisse

ÉLECTRICITÉ ATMOSPHÉRIQUE. ii5

beaucoup à désirer. Nous donnerons la llicoric si simple de M. Edlund.

Puisque tous les corps contiennenl de léllier libre (ou les deux, fluides électriques et particulièrement le fluide positil"), celui-ci doit être entraîné par le corps mis en mouvement. En mettant ainsi un manchon cylindrique en rotation autour de son axe vertical, il résulte par l'entraînement de Tétlier (le fluide électropositif) une espèce de courant électrique. En se figurant le manchon divisé par des plans horizontaux parallèles, ou en anneaux minces, on peut regarder chaque anneau comme un courant circulaire. Sur le manchon tournant autour d'un aimant, on peut directement appliquer la loi bien connue de l'effet d'un pôle magnétique sur un élément du courant.

Alors tous les phénomènes de l'induction unipolaire s'expliquent facilement et sont les conséquences nécessaires de la théorie. M. Edlund a démontré que sa théorie concorde entièrement avec la Théorie mécanique de la chaleur. On voit aussi que l'on n'a pas besoin de regarder l'éther comme le véhicule des phénomènes électriques, car tout ce (pi'on en dit peut tout aussi bien être dit pour le fluide positif et, en tenant compte du sens, du fluide

négatif.

Application de la théorie de M. Edlund. — Voyons (piclle est l'application qu'a faite M. Edlund de l'induction unipolaire |)0ur l'explication des phénomènes électriques dans l'atmosphère. Pour simplifier notre exposition, nous supposerons la couche magnétique [Jig. 8) de la Terre remplacée par un aimant /iS {fig- lo), hypothèse permise puisque les phénomènes magnétiques de la Terre peuvent, en général, être regardés comme les effets d'un tel aimant. Quand la Terre tourne de l'ouest à l'est, chaque molécule d'éther dans l'atmosphère peut être regardée comme faisant partie d'un courant électrique circulaire, sur lequel l'aimant terrestre exerce son action. Le pôle magnétique sud de la Terre, situé au nord, essaye de conduire la molécule électrique ou d'éther ni' dans la direction m'x. Le pôle magnétique nord, situé au sud, agit en sens contraire dans la direction mg^ selon les lois connues. En composant les deux forces suivant la direction du rayon tcriestre, elles donnent une résultante (pii pousse la molécule suivant la

iiG CHAPITRE IX.

verticale. Cette force est constante en chaque point de la Terre ou de l'atmosphère, mais elle varie avec la latitude. Les llèches placées sur le cercle m m' m" représentent celte force en grandeur et en direction. Elle atteint son maximum dans les environs de

Fis. 10.

l'écjuateur, et diminue à mesure qu'on s'approche des pôles magnétiques, où elle est égale à zéro.

En cherchant la composante dans le plan horizontal, nous trouvons une force tangente au méridien, qui est nulle aux environs de l'équateur. Elle augmente d'ahord avec la latitude, puis diminue sans devenir nulle aux pôles magnétiques.

C'est ce qui arrive au nord et au sud en un point situé entre les pôles magnétiques et astronomiques. Dans l'hémisphère nord, l'éther (le fluide positif) est poussé par cette composante vers le nord; dans l'hémisphère sud, vers le sud.

Les petites flèches tangentes au méridien indiquent sa force et ses variations.

Il existe toujours une direction dans laquelle les forces en question donnent une résultante nulle. Cette direction coïncide avec l'axe de l'aiguille d'inclinaison en chaque lieu, c'est-à-dire, dans

cette direction aucune force ne tend à mettre en mouvement les molécules électriques ou d'éther.

Nous pouvons donc dire que la direction de la force totale qui pousse les molécules d'éther vers le haut l'orme des angles droits avec la direction de l'inclinaison.

Conséquences. — Nous allons tirer les conséquences immédiates de cette force de Tinduclion unipolaire et les diviser en deux groupes.

i" Il résulte de l'induction unipolaire une force qui entraîne le lluide électrique ou l'éther de la Terre vers l'atmosphère dans une direction à angle droit avec l'inclinaison magnétique. Chaque corps, quelles que soient ses dimensions, sHl se détache de la Terre par une cause cjuelconque dans cette direction doit donc être électrisé positivement.

2° Puisque l'induction unipolaire entraîne directement l'éther ou le lluide positif vers les hautes régions de l'atmosphère, elle contribue à la production de réleclricité atmosphérique.

Production directe de V électricité par l'induction unipolaire. — Pour pouvoir apprécier la grandeur de cette production directe de l'électricité^ il est nécessaire de prendre en considération l'électricité négative de la Terre, dont l'existence doit être regardée comme un fait prouvé.

Elle fait naître une force attractive dirigée suivant la verticale. Cette force croît, selon toute probabilité, avec la latitude.

Nous avons donc deux forces F et F', qui agissent sur la molécule électrique dans des directions contraires. Si nous supposons F, qui naît de l'induction unipolaire, plus grande que F', la molécule sera poussée vers en haut.

Cela arrive seulement à proximité de l'équateur, car, en d'autres endroits de la Terre, les deux forces donnent une résultante, dont la grandeur et la direction dépendent du rajiport de F à F' et de l'inclinaison. Comme nous l'avons vu, F est perpendiculaire à la direction de l'aiguille d'inclinaison. Cette résultante s'approche d'abord du plan horizontal, le dépasse et puis s'approche du plan vertical.

Si nous prenons encore en considération la grande résistance (pi'offrc l'air à l'électricité, surtout dans les couches basses, il

iiS CHAPITRE IX.

semble bien résulter que : la production de Félectricité par l'induction unipolaire ne peut pas être regardée comme la source principale de Télectricité atmosphérique. Nous verrons cependant plus loin que cette force exerce une influence indirecte des plus importantes.

La vaporisation.

Historique. — Les expériences célèbres de Pouillet démontraient que la vaporisation de l'ean bouillante impure ou chargée de sel marin produit de l'électricité, de telle sorte que la vapeur était électrisée positivement. Ces expériences ont été reprises et discutées plusieurs fois avec plus ou moins de succès, parce que leur exécution offre des difficultés assez grandes.

Cependant le fait a été bien démontré par M. Palmieri (36).

En évitant les causes d'incertitude des expériences de ses prédécesseurs, M. Palmieri remplit d'eau une capsule de platine, la place sur le plateau d'un électroscope condensateur et produit l'ébullition de l'eau en concentrant à sa surface, à l'aide d'une lentille, les rayons solaires. La capsule se montra électrisée négativement, d'où il suit que la vapeur d'eau était positive.

Dans une autre expérience il faisait bouillir l'eau à la manière ordinaire et, condensant la vapeur sur une capsule de platine, il trouvait toujours celle-ci chargée positivement.

Ces expériences semblaient concluantes, mais il est démontré, par les nouvelles recherches de Blake et de Kallisher, qu'il est nécessaire que l'eau soit bouillante et que, selon toute probabilité, l'électricité est produite par la friction des particules d'eau contre celles de l'air.

Nous résumons dans l'aperçu suivant les différentes opinions qui ont été émises sur l'origine de l'électricité atmosphérique.

Peltier admettait que toute électricité atmosphérique est produite par l'influence qu'exerce la Terre négativement électrisée. La cause de cette électricité négative pourrait bien se trouver dans' le contact de la croûte refroidie avec les parties échauffées de l'intérieur du globe. On sait en effet qu'un courant électrique j>rend naissance lorsque deux corps, possédant des températures différentes, sont mis en contact; l'expérience montre en général

que le courant produit marche du corps froid vers le corps chaud ; or, au fur et à mesure que l'on pénètre à l'intérieur du globe terrestre, la température s'élève. Le courant électrique ainsi produit devrait donc marcher de la surface vers le centre, et sur celle-là s'accumulerait le fluide négatif, le fluide positif étant repoussé vers l'intérieur. Celte manière d'envisager le j)hénomène fut plus tard acceptée par Lamont.

Saussure en voyait l'origine dans la condensation des vapeurs, phénomène inverse de celui que Pouillet donnait comme cause productrice.

Selon Sir W. Thomson, l'origine se trouverait dans des courants d'air verticaux portant l'clectricilé des couches atmosphériques près de la Terre aux régions plus hautes (ces couches étant souvent fortement électrisées).

M. Ed. Becquerel propose la théorie des particules d'hvdrogène incandescentes, électrisées par de violentes éruptions, qui seraient portées du Soleil jusqu'aux limites de l'atmosphère terrestre.

M. ^Jiihrv donne comme vraie cause l'efl'et de la radiation du Soleil sur la surface terrestre.

Enfin M. Luddens la trouve dans le frottement des vapeurs contre l'air sec.

Parmi ces opinions, celle de Peltier mérite une attention spéciale, surtout parce qu'elle est fondée sur un fait démontré : Fétat négatif électrique de la Terre. Tout en acceptant les conséquences de ce fait, il est nécessaire de prendre en considération les autres agents qui peuvent exercer une grande influence sur le phénomène.

Etal actuel de la question suwant M. Tait. — L'état actuel de la question est très bien défini par M. Tait (33) :

« En supposant que les nuages sont électrisés, tous les phénomènes ordinaires de l'orage sont facilement et directement expliqués par les lois connues de l'électricité statique. Nous trouvons là une base solide à nos connaissances, mais il est bien difl'érent si nous voulons regarder les choses de plus près et chercher la source d'électricité atmosphérique.

)) Une cause des difficidlés (pie nous y rencontrons est bien facile

à voir. C'est celte vaste échelle dans laquelle les phénomènes météorologiques s'accomplissent ordinairement. Les effets qui, dans une expérience de laboratoire, si bien arrangée qu'elle soit, peuvent échapper à l'attention de l'expérimentateur le plus sagace, auront peut-être dans la nature une importance extraordinaire. »

M. Tait cite ensuite, comme exemple, l'énorme travail mécanique que représente la chaleur nécessaire pour vaporiser l'eau. Pour produire la vaporisation d'un seul kilogramme d'ea^u, il faut une quantité de chaleur qui représente le travail d'un chevalvapeur, soit 'j5^^'^ pendant une heure. Cette chaleur est rendue quand la vapeur d'eau se condense, et le kilogramme d'eau, en s'étendant sur le sol, couvrirait une surface de i'"i ayant i""^ de hauteur.

Donc une couche de pluie de i"'" de hauteur représente un cheval-vapeur, pour une heure et par chaque mètre carré; mais pour un kilomètre carré il faudrait un million de chevaux pour une heure. Il n'y aurait pas assez d'espace pour un million de chevaux sur un kilomètre carré. Ce calcul montre que nous pouvons nous rendre compte des plus violentes tempêtes par l'énergie fournie par la condensation des vapeurs nécessaires à une pluie assez modérée.

La théorie moderne des gaz nous fait voir que les particules d'eau sont si minimes que leur nombre dans une goutte d'eau ^^mmc-^ va jusqu'à trois cents millions de millions de millions. Si chacune des particules avait été éleclrisée au même potentiel, et que toutes soient réunies en une seule, le potentiel de la goutte serait cinquante millions de millions de fois plus grand.

Nous croyons donc que, s'il existe une cause qui puisse électriser les particules à un potentiel si petit qu'il ne puisse pas donner signe de son existence sur nos électromètres les plus sensibles, une agrégation de ces particules à une goutte d'eau expliquerait la charge la plus grande d'un nuage orageux.

M. Tait rend compte des expériences qu'il a faites pour produire des effets électriques, par la précipitation des vapeurs d'eau sur des plaques métalliques en contact avec des électromètres. Guidé par l idée que le seul contact entre les molécules d'eau et celles de l'air serait capable de produire un potentiel faible, analogue à

celui que donnait rexpéricnce de Volta, il exécutait ces expériences avec soin, sans avoir pourtant une solution définitive, et son opinion est que, pour réussir, il faut faire ces expériences sur une grande échelle.

En parlant des expériences de Blake et Kallishcr, citées plus haut, M. Tait s'exprime ainsi : « Leurs expériences ont toujours été exécutées sur une échelle trop petite pour pouvoir donner des résultats tout à fait concluants. Ce que je viens de dire du nombre extraordinaire des particules de la vapeur dans une seule goutle de pluie prouve que toute la charge dans quelques décimètres cubes d'air humide échapy>erail à l'observalion.

.) La question en restera là jusfju'au moment où l'on trouvera les movens d'exécuter ces expériences bien délicates d'une manière qui seule promet le succès, c'est-à-dire sur une échelle plus grande que ne peut le faire un savant.

» La question est d'une importance réelle, non seulement pour la Science, mais aussi pour la vie pratique et doit être résolue par des movens que peut seule fournir une nation riche et puissante. »

La vaporisation et V induction unipolaire . — Puisque nous avons vu que chaque corps qui se détache de la Terre doit être électrisé positivement par l'induction unipolaire, il s'ensuit que la vapeur d'eau doit ôlre positive. La vaporisation devient donc, par l'intermédiaire de l'induction unipolaire, une source de l'électricité atmosphérique.

Celte conclusion importante nous semble trancher la question sur la cause véritable de l'électricité atmosphérique, et nous pouvons dire que le faible potentiel que suppose M. Tait dans les déductions citées plus haut se trouve théoriquement démontré.

Il y a deux forces qui donnent à la molécule d'eau un mouvement ascendant :

D'abord la vapeur d'eau a un poids spécifique moindre que l'air, à quoi nous ajoutons la force de diffusion des gaz;

Puis elle est entraînée par la même force qui fait mouvoir la molécule électrique, c'est-à-dire par l'induction unipolaire.

La force produite par l'électricité négative de la Terre. —

La molécule d'eau éleclrisée doit donc se mouvoir suivant la direction déterminée par la résultante de ces deux forces, c'est-à-dire dans une direction intermédiaire entre la verticale et une ligne à angle droit avec l'inclinaison.

Il en résulte que la surface terrestre doit être électrisée négativement sous Finfluence de ces deux forces. Cette électricité empêche le mouvement ascendant par son attraction sur les molécules d'eau électrisées et sur les molécules électriques (d'éther).

Comme nous l'avons dit, la force de l'induction unipolaire est nulle suivant la direction de l'axe de l'aiguille d'inclinaison; dès que l'attraction de l'électricité négative de la Terre a atteint une grandeur telle qu'elle tient en équilibre les forces auxquelles les molécules sont soumises, le mouvement ascendant cesse. Si maintenant l'attraction augmente par une cause quelconque, les molécules commencent à se mouvoir vers la surface de la Terre dans la direction de l'inclinaison.

Cojiclusions. — Nous avons trouvé une solution à notre deuxième question : l'électricité atmosphérique dans les hautes comme dans les basses couches de l'atmosphère doit avoir son origine principale dans la vaporisation qui, combinée avec l'induction unipolaire, produit des quantités considérables d'électricité. Ces masses d'électricité sont poussées vers les hautes régions de l'atmosphère par les deux forces qui résultent de la moindre densité de la vapeur d'eau et de l'induction unipolaire contre lesquelles agit l'attraction de l'électricité négative de la Terre, Le mouvement s'opère suivant une direction qui est la résultante de ces forces.

Ce résultat semble être en contradiction avec le fait connu que la quantité d'électricité atmosphéric{ue est plus grande en hiver qu'en été, lorsque le contraire devrait avoir lieu. La contradiction n'est cependant qu'apparente, car l'électricité de l'air dépend non seulement de la quantité de vapeurs développée, mais encore du pouvoir conducteur du milieu qui est plus grand lorsque l'air est humide. La cause de la diminution provient donc de ce que l'électricité est conduite en partie à la Terre et en partie dans les couches supérieures de l'atmosphère.

Quelles que soient les modifications que puissent apporter la

ÉLECTRICITÉ ATMOSPHÉRIQUE. i23

discussion ou les expériences futures dans les résultais auxquels nous sommes arrivés, les deux principes suivants resteront :

1° La Terre est un corps électrisé négativement et bon conduc- / leur de l'électricité; //

2" L atmosphère est elcclrisé positivement^ le potentiel croît ' avec la hauteur.