THÉORIE ACTUELLE DE L'AURORE POLAIRE

Distribution de l'électricité atmosphérique.

Electricité des nuages. — Les considérations clans lesquelles nous sommes entrés vont nous permeltre de donner une explication scientifique de l'aurore boréale.

La totalité de l'électricité positive, qui, ainsi que nous l'avons vu, tire son origine directe ou indirecte de la vaporisation par l'intermédiaire de l'induction unipolaire, est distribuée de la façon suivante dansTatmosplièrc. Une partie, probablemcnlla moindre, reste dans les coucbes inférieures et se manifeste par les phénomènes de l'électricité atmosphérique que nous avons précédemment décrits. Une autre partie demeure dans la vapeur d'eau condensée dans les régions des nuages ; on reconnaît sa présence par les grands pliénoi'i mènes du tonnerre et de l'éclair, immense étincelle électrique jaillissant entre deux nuages ou d'un nuage à la terre. La décharge électrique est violente, parce que le nuage est bon conducteur et qu'il permet ainsi à une grande quantité d'électricité de franchir instantanément l'espace intermédiaire. Si nous supposons deux couches nuageuses situées au-dessus l'une de l'autre, l'électricité s'y distribuera comme le montre la y?^". 16. La couche supérieure sera électrisée négativement en haut et positivement en bas, et il en sera de même pour la couche inférieure.

Cette distribution, produite par l'influence du conducteur supérieur qui est positif et la Terre qui est négative, a pour conséquence une décharge violente entre les deux nuages. Le plus souvent la décharge produite en haut et en bas des deux nuages est lente, parce que l'air raréfié des hautes régions de l'atmosphère conduit

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assez bien rélcclricilé, que la terre présente une foule de points saillants qui facilitent beaucoup récoulenient du fluide, enfin par suite de l'humidité contenue dans les couches basses de l'atmosphère. Ccj)cndant il arrive que la décharge est violente, et nous

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l'appelons la y'o«f//x'. D'autre part, Téclair de chaleur nous montre que la décharge de l'électricité négative du nuage supérieur est susceptible d'atteindre un assez puissant degré de violence; on sait en effet que ce phénomène est un coup de foudre s'effectuant à une telle distance de la terre et dans un air si raréfié, que nous nej pouvons en entendre le bruit.

La région des nuages s'abaisse en même temps que le conducteur atmosphérique à mesure qu'on s'approche des contrées polaires. Il en résulte que dans ces contrées les orages éclatent avec une violence extrême peu d'instants avant de cesser tout à fait, car la décharge se fait le plus souvent entre le nuage et la Terre. 11 est vrai qu'ils sont assez rares, car on n'en constate jamais au-dessus de -o" de latitude nord.

/ilectricilé du conducteur atmosphérique. — Une troisième portion de l'électricité produite par les causes susdites est conduite par la vapeur elle-même dans les hautes régions de l'atmosphère, où elle atteint le conducteur atmosphérique sur lequel elle se distribue, de telle sorte qu'en moyenne la quantité d'électricité répandue sur chaque unité de surface de l'un et de l'autre conducteur est de 9 pour loo plus considérable aux environs des pôles qu'à l'équateur. Dès lors la force attractive réciproque, c'est-à-dire celle avec laquelle les deux électricités tendent à vaincre la résistance

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de la couche d'air isolante, est au moins de 20 pour 100 ou 4- plus

grande aux environs des pôles qu'à l'équateur.

Remarquons que l'état électrique négatif de la terre pourrai 1 développer par influence de l'électricité positive sur le conducteur atmosphérique dont le fluide négatif serait repoussé vers les limites extrêmes de l'atmosphère. La distribution resterait cependant la même.

Si la première cause prédomine, il arrivera qu'aux endroits où les causes de la production de l'électricité agissent avec le plus d'éneroie, c'est-à-dire dans la zone torride, il s'établira de bas en liant un courant d'électricité positive qui prendra un signe contraire à mesure qu'on s'approchera des pôles. Inversement, si la seconde cause prédomine, il se fera en tous les points de la terre un courant d'électricité positive, se dirigeant de haut en bas et dont l'existence croîtra d'autant plus qu'on se rapprochera davantage des régions polaires.

Courant qui produit V aurore boréale. — C'est ce courant électrique de haut en bas qui est la cause de Vaurore boréale. Considérons ce qui se passe dans une zone environnant le pôle nord de la Terre. En bas se trouve la terre négative, en haut le conducteur atmosphérique qui est positif, et dans l'intervalle une couche d'air isolante dont la résistance doit être vaincue. Admettons que l'électricité ait atteint un potentiel tel que la force d'attraction soit exactement équilibrée par cette résistance; il se fera une neutralisation, si les quantités d'électricité portées par les conducteurs sont augmentées, ou bien si la résistance est diminuée.

Ce dernier cas se présentera si la zone est atteinte par un vent de sud apportant de la vapeur d'eau qui, par suite du peu d'élévation de la température, se condensera en diminuant ainsi la résistance de i'air ou, ce qui revient au même, en augmentant son pouvoir conducteur. La neutralisation ne peut devenir violente, parce que l'électricité doit venir d'un vaste espace d'air raréhé, bon conducteur, il est vrai, par rapport à l'air à la pression ordinaire, mais pourtant insuffisamment conducteur pour permettre à une grande quantité de fluide de s'écouler au même instant. Si le conducteur atmosphérique conduisait aussi bien que les métaux, la décharge aurait lieu instantanément par un seul éclair.

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Le courant commence donc à s'écoulci' lentement des couches inférieures de l'air raréfié vers laTei-re; l'équilibre électrique est rompu dans tout l'espace environnant où afflue une nouvelle quantité d'éleclricité qui vient remplacer celle qui s'est écouh-e. C'est dans cet espace rempli d'air raréfié qu'apparaissent alors des rayons lumineux, conséquence du courant qui en général n'est point assez fort pour les produire dans les couches peu élevées de latmosphère. En amenant un courant électrique, mobile dans toutes ses parties, dans le voisinage du pôle d'un barreau magnétique, ce |^ courant se placera, par rapport au pôle, dans une position telle que la force magnétique sur lui sera nulle.

Les rayons de l'aurore boréale ne sont autre chose que ces courants mobiles et, par conséf[uent, sous l'influence du magnétisme terrestre, ils doivent se dis[)Oser de façon à rester ])arallèles à la direction de la force totale du magnétisme terrestre; ils deviennent donc parallèles à l'aiguille d inclinaison. A mesure qu'ils s'élèvent, ils doivent se rapprocher les uns des aiities, parce que des courants ayantmême direction s'attirent mutuellement, et cette attraction augmentera dans les régions les plus hautes, puisque l'intcnsiti!; du courant sera plus grande par suite de la diminution de la résistance. Ainsi s'explique la disposition si remarquable des rayons de l'aurore boréale. Mais le magnétisme terrestre ne peut aucunement être considéré comme la cause de la lumière polaire; il se borne à la production de l'induction unipolaire et à disposer dans un certain ordre les rayons lumintux déjà existants.

Nous comprenons aisément pourquoi les aurores boréales peuvent avoir lieu sur des espaces très restreints; car, si la résistance de l'air n'est diminuée que sur un espace minime, le courant électrique sera resserré entre les mômes limites. Un nuage passant entre le conducteur supérieur et la Terre ne diminuera la résistance que sur un espace égal à celui qu'il occupe. Le courant passe du conducteur atmospliéri(pie vers les bords supérieurs du nuage, qui d'ordinaire s'illuminent, et ensuite par la masse du nuage, pour se diriger alors vers la terre, mais sans produire d'eflets lumineux. Un brouillard entourant un pic de montagne manifeste un efTet identique, et, comme nous l'avons fait remarquer précédemment, on observe souvent de faibles phénomènes lumineux, autour des somnicls des montagnes pendant les brouillards.

D'après la loi qui régit le développement de la chaleur dans un circuit électrique, il peut se produire des phénomènes lumineux dans l'air sous une pression suffisamment élevée, et même à la pression ordinaire, si la résistance de cet air se trouve diminuée par la présence de l'eau à l'état de vapeur ou de fines gouttelettes, ainsi qu'elle existe dans un brouillard.

Pendant son long trajet du conducteur atmosphérique à la terre, le courant rencontre des couches d'air à des pressions inégales et à des états hygrométriques difl'érents; il en résulte qu'en certains points la résistance a une telle valeur, que le phénomène lumineux se manifeste, tandis qu'en d'autres points il ne peut pas apparaître (').

C'est ainsi qu'on explique l'apparition, si fréquemment constatée dans les régions polaires, de plusieurs arcs lumineux situés les uns au-dessous des autres, donnant à l'aurore des formes aussi variables et aussi bizarres que celles représentées par nos planches et figures.

Il résulte de l'étude à laquelle nous venons de nous livrer que l'effet capital est l'existence d'un courant électrique, se dirigeant de haut en bas, tandis que le phénomène lumineux n'est qu'un effet secondaire. Mais est-il possible qu'un tel courant puisse exister sans produire de lumière? Nous répondrons affirmativement, surtout en nous rappelant l'expérience du tube de Geissler placé dans le voisinage d'une sphère électrisée et isolée. Le phénomène lumineux cesse toujours à une certaine distance de celle-ci ; mais le courant n'en continue pas moins, bien qu'il soit entièrement affaibli. Il est permis d'en conclure qu'un courant peut en effet exister sans produire de phénomènes lumineux, et en effet les expériences avec des appareils d'écoulement dans la Laponie en affirment l'existence d'une manière évidente.

Causes qui exercent une influence sur la position mutuelle des conducteurs. — Dans cet immense laboratoire de la nature, il existe plusieurs causes qui font que ces phénomènes ne se passent point aussi régulièrement que nous venons de les décrire.

Nous avons vu que la température exerce une influence importante sur la position du conducteur atmosphérique, par rapport à la

(') En meltant de l'eau dans un tube de Geisslcf, ou obtiendra encore un phénomène lumineux sous une pression de 149""".

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terre. Il est rare qu'elle offre la valeur iiiovemio t|iie nous lui avons allribuée ; tantôt elle monte au-dessus, tantùtellc tombe au-dessous, et alors le conducteur s'élève ou s'abaisse proportionnellement.

Il est probable que ces changements n'ont lieu que dans les couches basses de l'atmosphère, mais c'est alors que leur effet présente le plus d'importance, parce que l'air y possède sa densité maximum. Si la température dans les contrées polaires s'abaisse jusqu'à — ^o'\ ce qui n'est point rare, le conducteur descendra vers la surface terrestre, la tension électrique s'augmentera et les conditions seront meilleures pour un courant de haut en bas.

Nous avons une preuve de ce fait dans des expériences faites avec les appareils d'écoulement en Laponie. Les rayons sur les sommets des montagnes n'apparaissaient qu'à la condition que la température fût basse. Si la température s'élève, le conducteur fera de même, et le résultat contraire se produira. Les variations de la température exercent donc une inlliience capitale sur l'apparition des aurores polaires, et cette influence deviendra encore plus frappante lorsqu'on se rappellera que l'état hygrométrique et le pouvoir conducteur de l'air qui en est la conséquence sont en liaison intime avec la température.

Il est une autre circonstance qui agit sur le conducteur atmosphérique en le forçant à s'abaisser autour des pôles. En effet, le pouvoir conducteur de l'air existe déjà d'une manière très significative avec les o'",o4o ou o'",o5o de pression. Cette qualité se fait également sentir aux environs de l'équateur; mais, comme la force attractive est au moins de 20 pour 100 plus grande aux environs des pôles, il est évident que dans ces conditions l'électricité doit pénétrer plus bas dans les dernières localités.

La théorie que nous venons d'exposer est, dans ses points essentiels, la même que celle de de la Rive, mais elle renferme des vues nouvelles très importantes. Par une expérience directe l'origine électrique de l'aurore boréale est prouvée. L'accumulation de l'électricité autour des pôles est envisagée comme due au système des deux conducteurs concentriques, la surface terrestre et le conducteur d'air, où intervient aussi la force tangentielle de l'induction unipolaire. L'appareil de l'aurore boréale démontre qu'un courant électrique peut traverser les couches atmosphériques à la pression ordinaire sans produire la lumière ; mais, après avoir atteint

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les couches d'une faible pression, ce phénomène apparaît. Enfin le courant qui produit l'aurore, dans la nature, a été mesuré directement.

Concordance entre la théorie et les faits observés.

Causes des tempêtes magnétiques. — Dans plusieurs circonstances pendant le cours de notre étude, nous avons constaté la parfaite concordance qui existe entre la théorie et les faits observés. Revoyons encore quelques points.

Les tempêtes magnétiques doivent, sans la moindre hésitation, être attribuées aux effets de ces courants électriques qui donnent naissance aux aurores polaires. Les tempêtes se produisent de deux façons différentes. Le courant direct de haut en bas fait nécessairement dévier l'aiguille de la boussole de déclinaison à l'ouest, si celle-ci est située au sud de l'endroit où le courant s'est établi, et à l'est dans le cas contraire. Lorsque le courant atteindra la terre, il occasionnera des perturbations du courant tellurique et celles-ci dévieront l'aiguille à l'ouest si elles consistent en un renforcement de courant allant du nord au sud et à l'est dans le cas contraire. Ces conclusions découlent naturellement de la loi régissant l'action du courant électrique sur l'aiguille aimantée, et il en résulte que les mouvements de l'aiguille doivent être assez capricieux pendant ime tempête magnétique, et que leur nombre ainsi que leur intensité doivent augmenter à mesure que nous nous rapprochons de la zone maximum, puisque c'est dans ces régions que le courant électrique, qui en est la cause, est le plus fréquent et le plus intense. L'existence probable d'une zone située au sud de la zone maximum des aurores boréales, où les courants tclluriques présentent le plus de force et le plus de variations, nous fait voir la cause de l'intime liaison qui doit se trouver entre les deux phénomènes. On voit aisément qu'ils peuvent s'étendre sur toute la Terre ou se borner à des localités restreintes. Les courants électriques et les autres effets observés dans les fils télégraphiques s'expliquent aussi aisément.

A'alure de la lumière de l'aurore boréale. — Quant aux qualités de la lumière de l'aurore boréale, sa vivacité, sa variabilité,

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ses nuances, ses formes diverses, on s'en rend compte par l'action du courant et par les variations éprouvées par la couche d'air à travers laquelle il marche. Ainsi, par exemple, une bande ondoyante, comme celle de la PI. 111.^ est l'eflct du courant traversant une couche d'air où riiumidité et la raréfaction produisent un pouvoir conducteur tel que la chaleur développée devient suffisante pour V faire rougir les particules d'air et d'eau. En haut et en bas, cet état spécial n'existe pas et la lumière s'évanouit.

La couronne boréale est le résultat de la vue en perspective et du rappi-ocIieineiiL des rayons dans les réglons supérieures.

La zone maximum ; des isothermes et des isoclines. — Les j)articularités offertes par l'aurore boréale, au point de vue de son étendue géographique, dérivent aisément des rapports intimes entre le phénomène et les variations de température.

En jetant les veux, sur une Carte, on constate que la zone où le nombre annuel des aurores boréales est maximum comprend tous les points où les températures annuelles moyennes sont conq)rises entre o° et — io°.

La concordance est parfaite dans l'hémisphère occidental, mais dans l'hémisphère oriental les isothermes descendent au-dessous des limites de la zone. C'est ce qui arrive surtout en Sibérie, bien (pi'on puisse l'attribuer à ce que, dans ces régions inhabitées, on connaît mal la tenq^ératurc moyenne et la limite exacte des bords de la zone.

Nous avons fait voir qu'il résulte de l'induclion unipolaire une force poussant léleclrieité dans l'atmosphère, et dirigée rectangulaircment à la force totale du magnétisme terrestre ou la direction de l'inclinaison. Il est évident que plus cette force devient petite, c'est-à-dire plus l'inclinaison tend vers 90", plus sera faible la résistance offerte à l'électricité parle conducteur atmosphérique pour atteindre la surface terrestre dans la direction verticale. Aussi voit-on que les lignes d'inclinaison de '-o" ou 80° à l'hémisphère nord sont près d'être parallèles aux bords de la zone maximum. La force magnétique totale intervenant aussi, il sera bien diflicile de conclure quelle est, de ces deux causes, la température ou les forces magnétiques, celles qui exerceront la plus grande influence. Les oscillations que subissent aux limites les

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variations de la zone maximum, si bien envisagées par M. S. Troniholt, nous amènent à croire à l'influence prépondérante de la température, c'est-à-dire à la hauteur plus ou moins grande du conducteur d'air. Puisque la résistance principale off^erte au courant allant de ce conducteur à la Terre dépend des propriétés physiques de la couche atmosphérique et que la température exerce la plus grande influence sur ses propriétés, nous sommes à plus forte raison amenés à admettre, comme cause la plus efficace, la température variable sur la Terre.

Autres particularités. — Quant aux autres particularités se rattachant à la distribution géographique des aurores, elles sont faciles à expliquer. Le courant produisant d'autant plus facilement la lumière que l'air est plus raréfié, il en résulte que l'aurore boréale s'observe le plus fréquemment à une hauteur s'approchant des limites extrêmes de l'atmosphère. On se rend ainsi compte de la hauteur assez grande fixée par les calculs, pour l'extrémité supérieure des rayons polaires. Remarquons cependant que les mesures prises ne sont qu'approximatives et peut-être même sont inexactes; mais si, contre notre opinion, une hauteur assez grande se confirme, on sera autorisé à en conclure que les limites de l'atmosphère sont à la même hauteur au-dessus delà surface terrestre.

On voit facilement que le bord inférieur de l'arc lumineux, étant ordinairement à une hauteur de 35*^™ à 'jo'^'", peut ou surpasser la hauteur du conducteur atmosphérique ou tomber au-dessous, puisque ces effets dépendent du pouvoir conducteur de l'air et de l'intensité du courant. Nous savons déjà que le phénomène peut se manifester à la surface de la Terre.

Résultats de V analyse spectrale. — Les résultats de l'analyse spectrale s'accordent parfaitement avec la lliéorio. L'aurore polaire, comme nous l'avons dit plus haut, a donné cn\ iron douze raies, qui presque toutes ont été retrouvées entre lesrales produites par un courant passant dans un tube de Geissler contenant ces mêmes gaz dont le mélange constitue l'air atmosphérique. Si l'on se demande pourquoi on ne voit point dans Taurore polaire toutes les raies existant dans ces gaz, l'expérience répondra que les raies des gaz changent selon la température et la pressiou de ces gaz. L'appa-