CHAPITRE II

l’atmosphère

:§ 1. Constitution physique et chimique. — § 2. Du poids de Vair. — Conditions normales. — Inlluence de la latitude , des variations de la g;ravité, de la pression atmosphérique, de la

température, du degré hygrométrique. — Résumé.

§ i®*‘. — Constitution chimique et physique.

Composition chimique. — L’atmosphère est un mélange parfaitement homogène d’oxygène et d’azote. Ce sont là, du moins, les deux principaux éléments de l’air que nous respirons , et pendant longtemps on n’en connut pas d’autres. On s’est aperçu assez vite, cependant, qu’il s’y trouve toujours de l’acide carbo^ nique et de la vapeur d’eau en quantités notables. Puis on s’est avisé qu’à tout prendre, l’air atmosphérique contient aussi de l’ozone, du nitrate d’ammoniaque, surtout en temps d’orage, quelques traces de carbure d’hydrogène et même, comme l’a montré récemment M. Armand Gautier, professeur à la Faculté de médecine, des traces, heureusement fort restreintes, d’arsenic.

On ne s’en tint pas là, et lord Ramsay découvrit l’argon, qui se trouve en fort petite quantité, un cen-

tième environ. Le même savant, poursuivant ses découvertes, mit en évidence l’existence dans l’air d’autres gaz encore plus rares : le krypton , le néon , le xénon... ; mais il n’en faut parler que pour mémoire, ces nouveau-nés de la chimie n’intéressant guère les aéronautes. Ils faisaient si peu parler d’eux jadis, qu’on peut encore les passer sous silence , aussi bien que l’hélium, ce phénomène qu’on avait deviné avant que de l’isoler. La présence de l’hélium, gaz extraordinairement léger, n’a pour nous d’autre intérêt que de compenser, jusqu’à un certain point, l’alourdissement en tout cas bien minime causé par l’argon, dont la densité est de i,4o, tandis que celle de l’hélium est de 0,189 seulement.

Il importe peu, d’ailleurs, alors que l’oxygène et l’azote forment la masse la plus considérable de ce que nous appelons l’air atmosphérique, à tel point que, dans les analyses, les anciens chimistes, négligeant tous les éléments étrangers à ces deux gaz, avaient coutume de décomposer i 000 parties d’air tout juste en 208 p. d’oxygène et 792 p. d’azote.

Cette composition est, du reste, d’une constance tout à fait remarquable, bien que Régnault indique que la proportion d’oxygène puisse varier de 20,3 à 21 ,9 Yo*

Le rôle des deux gaz principaux de l’air atmosphérique, au point de vue physiologique , est connu depuis Lavoisier. C’est l’oxygène qui produit l’oxydation de tous les matériaux que notre organisme cherche à éliminer ; mais , si l’oxygène était seul , la combustion qui est la vie irait un peu trop vite sans doute; il faut diluer l’oxygène que nous respirons , et ce rôle revient à l’azote, gaz qui passa longtemps pour inerte et dont

L’ATMOSPHERE

les pliysiologistes de l’avenir révéleront peut-être l’action particulière. Tout au moins est- il prouvé qu’il intervient directement dans le phénomène de la végétation et que, par l’intermédiaire d’organismes microscopiques, il se transforme en nitrates, qui se fixent sur les racines de certaines plantes, des légumineuses notamment, pour contribuer à leur développement. C'est aussi par deS transformations du même genre que le sol s’enrichit de sels azotés... Mais voilà qui nous éloignerait de notre sujet; non pas pourtant que ce point de vue physiologique de la composition de l’air puisse être indifférent : en ballon comme ailleurs, it s’agit de vivre avant tout, et il est bon de savoir si cette composition varie dans les diverses régions de l’espace au point d’incQiiimoder notre organisme ; or il n’en est rien, et, bien réellement, nous n’avons à lutter, pour vivre aux grandes altitudes, que contre la raréfaction excessive de l’air.

En dehors des deux éléments prépondérants , — l’oxygène et l’azote, — l’air contient toujours de l’acide carbonique , et , ce gaz étant une cause d’alourdissement il n’est pas inutile d’examiner s’il est en quantité assez notable pour avoir une influence importante. Produit de la respiration des animaux et des plantes , l’acido carbonique est en proportion un peu plus grande près du sol qu’aux hautes altitudes ; mais , en volume , la

quantité dans le premier cas ne dépasse pas — ;

^ ^ ^ ^ lOOOO

elle se réduit à dans les régions éloignées de

loooo ^ ^

toute agglomération, ce qui est assez minime, comme

on le voit.

Constitution physique. — Ces simples notions suffisent à l’aéronaute en ce qui concerne la constitution chimique de l’atmosphère. Mais il importe de <îonnaître, en outre, la manière dont l’air est réparti dans la couche gazeuse qui nous enveloppe.

A cet égard, l’air peut être considéré comme un gaz permanent, c’est-à-dire obéissant complètement aux îois de Mariotte et de Gay-Lussac, ainsi c[u’aux lois de la thermodynamique qui sont applicables aux gaz parfaits. En réalité, cela n’est pas tout à fait vrai à partir d’un certain degré de raréfaction ; mais cette hypothèse est suffisamment exacte dans la zone où nous pouvons atteindre.

La loi de Mariotte indique que le volume occupé par une certaine quantité de gaz varie en restant toujours proportionnel à la pression.

La loi de Gay-Lussac règle les variations de volume avec la température, et l’on sait que le coefficient de dilatation d’un gaz entre o"" et loo'' centigr. est de

0,00867 ou — ^ par degré.

Les autres données physiques qui peuvent nous intéresser sont :

La chaleur spécifique sous pression constante :

Cp = 0,2878;

La chaleur spécifcjue sous volume constant :

Le poids spêcificiue , ou poids du mètre cube en kilogrammes. A la latitude de Paris et au niveau de la mer, la pression étant représentée par une colonne

L’ATMOSPHERE

mercurielle de 760 millimètres, et la température étant centigr. , ce poids spécificpie est :

Les deux propriétés qui dominent toute la constitution physique de l’air au point de vue aéronautique sont : la pesanteur de ses molécules, et la compressibilité élastique qui tient à sa nature gazeuse.

Si nous considérons une molécule , prise en un point quelconque de l’atmosphère, elle supporte le poids de la colonne d’air qui lui est superposée : ce poids représente la pression atmosphérique au point considéré ; et l’on voit déjà que cette pression va en décroissant lorsqu’on s’élève , en même temps que diminue la colonne d’air dont le poids lui sert de mesure.

Cette molécule est pesante ; elle ne tombe pourtant pas vers le sol et reste en équilibre au milieu des molécules environnantes ; d’où l’on peut conclure qu’elle est soutenue j^ar ses voisines et reçoit, en un mot, de l’air ambiant, une poussée égale et contraire à son propre poids; c’est le principe d’Archimède qui se représente à nous sous une forme nouvelle.

D’autre part, la compressibilité de la masse intervient ici : car les couches supérieures de l’atmosphère, en pesant sur les couches inférieures, les compriment et augmentent leur densité à mesure qu’on se rapproche de la terre ; et dès à présent nous pouvons constater que, cette compression étant proportionnelle au poids de la colonne d’air superposée , la densité de l’air et la pression atmosphérique doivent varier avec l’altitude suivant la même loi.

Lk TECHNIQUE DU BALLON

Hauteur de Tatmosphère. — Nous ne faisons là, remarquons -le bien, aucune hypothèse sur la hauteur réelle de la colonne d’air, c’est-à-dire sur l’épaisseur totale de l’atmosphère que l’on ne saurait évaluer avec quelque précision.

Une considération permettrait cependant de fixer la limite extrême à partir de laquelle il ne saurait exister la moindre molécule d’air. Si chacune de ces molécules, en effet, est attirée vers la terre en vertu de la pesanteur, elle tend à s’en écarter, grâce à la force centrifuge, développée par la rotation de notre globe. Or, tandis que l’attraction décroît à mesure qu’augmente la distance au centre de la masse attirante, la force centrifuge croît au contraire ; il arrive donc un moment où ces deux efforts antagonistes sont égaux et s’équilibrent exactement. Au delà, la force centrifuge prendrait le dessus et forcerait les molécules gazeuses à s’échapper tangentiellement.

Des physiciens, des astronomes se sont efforcés encore de déterminer l’épaisseur de l’atmosphère en se basant sur les phénomènes physiques de la raréfaction ; mais, en réalité, cette épaisseur exacte n’a pour nous qu’un intérêt objectif secondaire, car elle dépasse de beaucoup l’altitude où nous pouvons parvenir sans compromettre notre \ie: Si, dans d’audacieuses tentatives, un savant allemand, BersonS a pu monter jusqu’à loooo mètres, ce n’est là qu’un tour de force

^ Liste des principales ascensions aux grandes altitudes : Juillet 1784. — Les frères Robert, Collin, Ilullin et

duc de Chartres ait. 4 800™

Juillet 1804. — Robertson et Choest, à Hambourg. — 7 400™ — 1804. — Gay-Lussac et Riot — 6500™

L’ATMOSPHERE

qu’il ne serait pas prudent de renouveler, même en emportant une ample provision d’oxygène pour remplacer celui que ratmosphère est incapable de fournir en quantité suffisante à nos poumons, dans les hautes régions.

On peut considérer que la zone abordable à l’homme ne dépasse guère 7 kilomètres d’épaisseur ; et c’est dans cette zone qu’il suffit à l’aéronaute d’étudier spécialement les propriétés de l’atmosphère , les variations du poids spécifique de l’air et la loi de répartition des pressions aux diverses altitudes, loi qui n’est pas purement spéculative, mais qui intervient singulièrement pour modifier l’équilibre du ballon.

§ 2. — Da poids de Vair.

Conditions normales atmosphériques. —

Le poids de l’air est un des éléments essentiels de l’aérostation. Il n’est pas absolument constant en tous lieux, puisque l’intensité de la pesanteur varie ellemême avec la position géographique et avec l’altitude.

Pourtant nous n’aurions pas à nous préoccuper de ces varations s’il ne s’agissait que de leur répercussion sur l’effet utile de l’aérostat, puisqu’elles affectent à la fois et dans les mêmes proportions le poids de tous ses

Juin 1850. — Barrai et Bixio ........ ait. 7004^

Sept. 3 862. > Glaisher et Coxwell — 6 800”^

Avril 1863. j

— 1875. — Sivel, Crocé-Spinelli, G. Tissandier. — 8 000“

4 déc. 1894. — Berson — 9155“

31 juin. 1905. — Berson. — 10800“

éléments, solides ou gazeux. Si donc Téquilibre existe pour une certaine valeur de la gravité, cet équilibre subsistera même lorsque cette valeur se modifie.

Les variations du poids d’un mètre cube d’air n’offriraient ainsi, à l’aéronaute, qu’un intérêt secondaire, si, par corollaire, la hauteur de l’atmosphère ne s’en trouvait pas affectée.

D’après Régnault et les physiciens qui, après lui, se sont livrés à la mesure du poids spécifique de l’air, ce poids, dans les conditions normales, est :

Il faut entendre par conditions normales que toutes les observations sont ramenées à o®, au niveau de la mer et à la latitude de Paris.

Influence de la latitude. — Il serait plus naturel d’adopter une latitude d’origine plus internationale, celle de /ib"" par exemple, qui convient aux régions de l’Europe, de telle sorte que le poids spécifique qui en résulte peut être appliqué , chez nous , immédiatement , sans correction notable de latitude.

Ce poids spécifique, sur la parallèle 45"', à o'' et au niveau de la mer, est :

Il ne diffère donc que de - — du même poids

pris à Paris.

L’écart serait plus considérable , il est vrai , si la différence de latitude était plus grande. D’une manière générale, le poids spécifique a de l’air, a une latitude

1/ATMOSPIIKRE

X et à une altitude c (en kilomètres) au-dessus de la mer, peut se déduire du poids à par la formule :

a — ay^{i — 0,00255 cos 2a — o,ooo3i42).

Or on verrait aisément qu’en passant de 1 ^équateur au pôle , sans faire varier l’altitude , la variation relative de ce poids, due à la latitude, n’est que

— - — ti^ès sensiblement.

I ooo

Influence des variations de la gravité. —

Quant à celle qui résulte de l’altitude, lorsqu’on se déplace sur la surface du globe, elle est extrêmement faible, la hauteur des montagnes les plus élevées ne dépassant pas ii kilomètres et la diminution corres-

pondante du poids étant d’environ de sa valeur.

ri I ooo

Toutefois les variations de la gravité dues aux cir-^ constances géographiques et orographiques ne sont pas les seules à envisager. Nous avons eu soin de spécifier que l’air considéré était à la température o^" et ramené au niveau de la mer. C’est le seul moyen de rendre les mesures comparables , dans une étude préliminaire ; mais la température, la pression due à l’altitude, et ajoutons-y le degré hygrométrique, ont une influence bien autrement grande.

Influence de la pression atmosphérique et de la température. — Si la loi de Mariotte est applicable, le volume du gaz se modifie avec la pression et en raison inverse de cette pression. Le poids spécifique étant à son tour inversement proportionnel au

volume, on voit donc que ce poids reste constamment proportionnel à la pression, ce qui permet d’écrire, en désignant par h la pression : .

?- = Constante.

Si la pression normale, en millimètres de mercure, ^st le poids spécifique étant ao=i,29, on

aurait ainsi :

1,29 X fi

Or, sans même nous élever sur la verticale où nous rsavons bien que la pression atmosphérique subit des variations considérables, les écarts de pression sont encore notables, alors même qu’on reste à la même place. C’est ainsi que, d’après V Annuaire de Montsouris , les excursions extrêmes du baromètre dans cette station, pour douze années consécutives ( 1873 - 1 884) , ont été comprises entre 781 et 787 millimètres de mercure. L’altitude de cet Observatoire étant de 78 mètres au-dessus de la mer, en ramenant les observations à ce niveau, on aurait eu :

minimum, 788; maximum, 794.

En prenant i k. 29 pour poids approximatif de l’air normal, les valeurs extrêmes du poids de*i mètre cube d’air auraient donc été, sous l’influence de ces pressions extrêmes :

minimum , maximum ,

L’ATMOSPHERE

L’écart total est, comme on le voit, de loo grammes, soit environ du poids moyen, ce qui est assez

considérable pour qu’il soit nécessaire d’en tenir compte.

L’influence de la température est encore plus importante.

La loi de Gay-Lussac nous donne immédiatement le poids spécifique pour une A^ariation de température de , et l’on a G le coefficient de dilatation des gaz étant 0,00867 :

En se reportant encore aux observations de Montsouris de la période indiquée, on trouve les valeurs extrêmes de la température :

minimum, — 28''9 (hiver 1879-80); maximum , -j- 67'' 2 (été de 1880).

Le poids spécifique est passé lui -même par les deux valeurs suivantes :

maximum, 1,29 X 1,088= i k. 4i , correspondant à la température minimum, et

poids minimum^ 1,29X0? 864=1 k. ii,

correspondant à la température maximum.

L’écart total entre ces valeurs extrêmes est de 800 gr. ,

soit un peu moins de de la valeur normale.

* Exactement a = -

En multipliant haut et bas par

1 oct

(1 — ot.i) et négligeant les termes très petits, il vient : a = ao(l — at).

La Technique du Ballon. 2* édit.

Influence du degré hygrométrique. — L'intervention de l’état hygrométrique est loin d’avoir la même importance- En désignant par p la pression atmosphérique et par ç la tension de la vapeur d’eau (en k. par m^), la tension réelle de l’air sera : p — et dès lors, toutes les autres circonstances étant normales , le poids de l’air, abstraction faite de la vapeur d’eau, devient :

tto X 0 90 >

" io333

Quant à la vapeur contenue dans i m^ d’air, elle

pèse ; aoS X YÔ 333 ^ ^ densité de la vapeur ;

et l’on aura pour le poids total des deux éléments

réunis :

io333

Or o = -g- environ, ce qui donne, tout calcul fait :

a = Uo ( I — 0 ,00008639 ).

Les valeurs extrêmes de la tension de la vapeur d’eau mélangée à l’air sont exprimées en millimètres de mercure, d’après les observations de Montsouris, de 1878 à i884 :

minimum, i mm* 4 (déc. 1879), maximum, /2=: 16 mm. 3 (août 1878).

On en déduit aisément les valeurs 9 exprimées en millimètres d’eau ou en kilogrammes par m^, en mul-

L’ATMOSPHERE

tipliant les chiffres précédents par le poids spécifique du mercure,* soit i3,596, et l’on a :

Qj = ig k. 3o, Ç2= 221 ,6i ,

dont la moyenne serait de 120 k. (m-).

En tenant compte de ces valeurs dans l’expression du poids spécifique de l’air, on obtient les deux valeurs extrêmes :

«1=1 k. 292 et «2=1 283.

L’écart entre le poids minimum i k. 283 et le poids normal de l’air i,2g3 n’est que de 10 grammes seulement, ou, en valeur relative, —

On Aoit que l’influence de l’état hygrométrique est assez faible.

Résumé. — Et maintenant, il convient de résumer toute cette discussion pour en tirer des données pratiques facilement utilisables.

Les variations du poids de i mètre cube d’air, en raison des quatre séries de circonstances que nous venons d’examiner (position géodésique du lieu, pression atmosphérique, température, état hygrométrique), sont données par une formule générale que voici et où sont groupées toutes les indications précédentes :

a=i ,292 7/16 i l — 0 ,00 255 cos 2X — o ,ooo3 142^]

.10333 (*-O’Oo3670.

Dans cette formule, les notations ont la même signification que plus haut.

Pratiquement , en se contentant d’une approximation

â 5 grammes près, on pourra faire abstraction de la latitude et de Taltitude du lieu et, en remplaçant 9 par sa valeur moyenne, 120 k., oii arrive à la formule plus simple :

Nous avons ainsi le poids d'un air renfermant une quantité tnoyenne de vapeur d’eau. C’est un air de composition moyenne : nous l’appellerons Y air moyen, et son poids spécifique pour / = o et sous la pression 760 est :

air moyen à la pression 10 333, a^ = i k.287

Et si, au lieu de tout ramener au niveau de la mer, nous prenions pour plan de comparaison le niveau où la pression est de 10000 tout ronds, qui constitue, comme nous le verrons, le véritable fond de l’atmosphère aéronautique, nous aurons :

air moyen à la pression 10000, a^o= 1 k. 246.

Enfin, si nous considérons l’air normal à o"", sec (rp zz=o), mais à 10000 kilogrammes de pression, le poids sera :

air normal à la pression 10000, «^10= i k. 25i.

Tels sont les poids spécifiques qu’il y aura lieu d’appliquer, suivant les circonstances.