PHÉNOMÈNES DE PÉNÉTRATION DE LA LUMIÈRE DANS LES EAUX

Nous étudierons successivement la transpai^ence de l'eau du lac, et un certain nombre de phénomènes accessoires qui se relient à la pénétration des rayons lumineux dans les couches liquides.

L'eau dans la nature, quelque limpide qu'elle apparaisse, n'est pas absolument transparente; elle airête bientôt les rayons lumineux. Ce n'est qu'avec des soins très minutieux et des artifices de laboratoire

fort compliqués que J.-L. Soi^t est arrivé à obtenir de l'eau qui parût physiquement pure, qui, par exemple, ne laissât pas voir la trace (l'un rayon lumineux concentré par une lentille. Ce qui lui a le mieux réussi pour purifier ainsi l'eau, c'est, après des distillations répétées et compliquées, le lepos absolu en flacons fermés, prolongé pendant des mois et des années (>). Au bout d'un long temps, tous les corps en suspension se sont ou élevés à la suiface, ou précipités sur le fond du vase, et l'eau semble absolument pure.

De l'eau physiquement pure absorberait -elle encore les rayons lumineux ? C'ast probable.

L'eau du lac Léman est célèbre par sa transpai-ence. Elle est, en effet, bien plus limpide que celle des fleuves et rivières de la plaine, et que la plupart des petits lacs et étangs. Mais elle est loin d'être parmi Jes plus transparentes, et sa transparence n'est que très relative comme nous allons le voir.

Nous avons étudié la transparence des eaux du lac Léman par trois méthodes difléi*entes :

1" En cherchant la limite de visibilité par la méthode du Père Secchi et par la méthode de la commission genevoise.

2^ En cherchant la limite d'obscurité absolue pour les substances photo -sensibles.

3*^ En interrogeant les plantes et animaux de la région profonde. Nous renverrons à une autre partie cette dernière méthode dont l'exposé implique la connaissance des faits de la biologie du lac, et je ne traiterai ici que les deux premières.

A. La limite de visibilité, étudiée par la méthode du Père Secehi,

Pour étudier la transparence d'un corps, le procédé le plus simple est de chercher l'épaisseur de ce corps qui arrête complètement les rayons visuels.Dans le cas spécial de la ti-ansparen ce des eaux,les navigateurs de tous les temps ont fait descendre dans l'eau un corps blanc,, une assiette de porcelaine et ont noté la profondeur à laquelle elle disparait à l'œil (2). Cette observation élémentaire a été élevée à la valeur

(•) Communication personneUe de Soret.

C) Voir rénnmération des études anciennes et modernes faites par cette méthode dans 0. Krûmmel. Bemerkungen ûber die Durchsichtigkeit des Meerwassers. Ann. der Hydrographie, 1889. II, 62.

d'une méthode scientique par le Père A. Secclii, de Rome, qui, en 1865, fit au large de Givita-Vecchia une campagne pour déterminer, par ce procédé, la ti-ansparence des eaux de la Méditerranée. (0

Pour simplifier la description, j'ai introduit la désignation de Méthode du Père Secchi pour l'étude de la transpai-ence des eaux qui cherche la limite de visibilité d'un disque blanc descendu dans l'eau. Ce n'est pas à dire que nous n'ayons pas notablement modifié les dispositions de l'illustie physicien du Collège romain.

J'emploie, ou bien un disque en feuille de zinc, vernie en blanc, de SO**»» de diamètre, attachée à une corde graduée, ou bien une assiette de faïence blanche, de mêmes dimensions. La plaque de métal est moins fr-agile ; l'assiette en faïence conserve plus longtemps sa couleur blanche. Quel que soit le disque blanc, je le fais descendre dans l'eau et je cherche la profondeur à laquelle il disparaît à l'œil en descendant, celle à laquelle il apparaît à l'œil en remontant ; la moyenne de ces deux chiffres me donne la profondeur limite de visibilité.

Pour éviter l'effet d'éblouissement que cause la réflexion sur la surface de feau d'un ciel trop biillant, il est bon de tenir un parapluie noir ouvert au-dessus de la tête; en son absence, j'y supplée en penchant assez mon corps en dehors du bateau pour que le disque appai-aisse au milieu de l'image de ma tête, laquelle, mal éclairée, réfléchit très peu de lumière.

L'état de la surface de l'eau a une importance très grande dans l'obseiTation. S'il fait des vaguas, ou si seulement le lac est iidé par les petites vaguelettes d'une bnse lé^^ère, les i-ayons lumineux sont tellement brisés, réfractés et réfléchis en divers sens, que Ton ne voit pas ou Ton ne voit que mal l'objet qu'il faut suivre sous l'eau. Je cherche donc à opérer autant que possible par un lac calme ; en temps de brise, ou bien j'oriente mon bateau de manière à faire l'observation du côté tranquille, sous le vent, ou bien j'éteins les vaguelettes à l'aide de quelques gouttes d'huile versées à la surface ; ou encore, j'utilise la lunette à eau ou le baquet à fond de verre de nos pêches lacustres {^) ; la lame de verre du baquet absorbe une certaine quantité de lumière, et j'évalue à 30*=m environ la différence de profondeur de ^^sibilité suivant que je me sers ou non de cet instrument.

(1) A. Seeehi. Relazione dell' esperienze faite a bordodeUa pontificia pirocorvetta l'Immacolata Goncezione per determinare la trasparenza del mare. In A. Cialdi. Sul moto ondoso del mare, p. 258, sq. Koma, 1866.

(«) Voir 1. 1, p. 2.

La grandeur du disque a une certaine influence sur la profondeur iiiaite de visibilité. Dans ses expériences comparatives, le P. Secchi a vu la limite être :

pour un disque de 2.37™ de diamètre à 35.5™ — 0.43°^ — 29.5m

Pour les disques, de petit diamètre que j'emploie, cet effet est moins sensible ; je n'ai pas vu de différence appréciable entre un disque de 20™ et un disque de 35^»" de diamètre, et pour plus de commodité, j'ai choisi en définitive un disque de 20cm qui est moins encombrant en voyage.

Tant que la limite de visibilité n'est pas trop profonde, comme cela est le cas dans la grande généi-alité des lacs, la grandeur du disque peut èti'e négligée. Je ne vois pas de raison pour que l'œil distingue mieux une surface large qu'une surface étroite, tant que celle-ci n'est pas réduite par la distance à l'état d'un point trop petit. A 20™ de profondeur, un disque de 20<^m de diamètre sous-tend encore un angle de 34 minutes, ce qui est ceitainement parfaitement discernable. Pour des lacs très transparents, dont la limite de visibilité dépasserait 30^, il serait peut-être prudent d'augmenter la grandeur du disque.

U est cependant une circonstance qui peut obliger à l'emploi de disques de grande surface; c'est si l'on est appelé à faire des observations en eau protonde par un temps de vagiies. L'image, brisée par les réfractions différentes sur les diverses facettes des vagues, peut échapper à la vue si elle est trop petite. Mais sur nos lacs, oix nous sommes mieux que sur la mer maîtres de choisir un temps propice. cet inconvénient peut être évité, et je ne vois aucune nécessité à prendre un disque plus grand que celui que j'ai adopté.

Quel est l'effet de l'éclairage? de la hauteur plus ou moins grande du soleil sur l'horizon, de sa présence ou de son absence? Telle est la question importante que nous devons avant tout discuter.

Selon le jour de l'année et l'heure de la journée, le soleil est haut ou bas sur l'horizon ; à notre latitude de 46»27', le maximum de hauteur le 22 juin est 67». Or, suivant l'angle d'incidence des rayons sur la surface supposée plane, une plus ou moins grande partie de cette lumière sera réfractée, c'est-à-dire pénétrera dans le lac, une plus ou moins grande partie sera réfléchie et n'aura aucun effet sur l'éclairage des objets logés dans l'eau. Si le soleil était à l'hoinzon, aucun rayon direct ne pourrait pénétrer dans la surface à laquelle il serait tangent, et tout

l'éclairage de Teau se ferait par la lumière diffuse du fiimament ; si le soleil était au zénith, tous les rayons, ou peu s'en faut, pénétreraient à travers la surface de l'eau à laquelle ils seraient normaux; dans les positions intemiédiaires que le soleil occupe sous nos latitudes, il y a d'autant moins de rayons réfléchis, et par conséquent d'autant plus de rayons pénétrant dans l'eau que le soleil est plus élevé sur l'horizon.

11 en résulte que les objets placés dans l'eau doivent être d'autant mieux éclairés que la hauteur du soleil est plus grande ; il est probable, à première vue, que la hauteur du soleil aura une influence ti-ès notable sur la profondeur limite de visibilité.

C'est ce que les expériences du P. Secchi, dans la Méditerranée, avaient foit bien montré. Dans son expénence 11, par exemple, du 21 avril 1865, avec son grand disque de 2.4'" de diamètre, il avait trouvé les limites de visibilité suivantes :

Hauteur du soleil 25«43' limite de visibilité 24.&n

Le raisonnement et Texpéiience du P. Secchi attribuant ainsi une grande influence à la hauteur du soleil, j'ai été fort surpi-is des résultats que j'ai d'abord obtenus dans le lac Léman; pendant longtemps j'ai été incapable de constater cette influence de la hauteur du soleil. Je trouvais dans la même journée, pendant Tété de 1874, la profondeur limite de visibilité tellement semblable, quelle que fût l'heure et par conséquent la hauteur du soleil, que j'arnvai à refuseï- toute action à l'intensité de l'éclairage (*). Je ne ti-ouvais même pas de diflérence dans cette pmfondeur avant ou après le coucher du soleil; elle était la même 10 minutes avant et 10 minutes après le coucher apparent du soleil.

Je ne citerai ici que deux de ces expériences :

S juillet i87i, devant Morges.

Heure

Hauteur du soleil

Limite de visibilit*^

SMOmin

0) Voir pour le détail des expériences : F.-A Forel, Matériaux pour Tétude de la faune profonde du Léman. BuH. S. V. S. N., XIV, 137 sq. Lausanne, 1876.

W octobre 1874, devant Morges.

Heure Hauteur du soleil Limite de visibilité

— 45 coucher apparent du soleil

La différence entre les chiffres extrêmes de la profondeur de visibi^ lité ne dépassait pas la limite des erreurs d'observation et Tinfluence du lieu où Ton opère, comme on le verra plifs loin. Le résultat de ces expériences n'était donc pas confonne à l'opinion théorique que je m'étais faite, non plus qu'avec les observations du P. Secchi.

J'ai dû faire intervenir une hypothèse : l'obstacle à la vision serait dû non à Tabsoiption de la lumière par l'eau, mais à la présence de poussières en suspension dans l'eau.

Dans une eau physiquement pure, la cause de la disparition d?un corps éclairé serait l'absorption des rayons lumineux par l'eau ellemême ; absorption des rayons soJair-es qui éclairent le corps, absorption des rayons l'éfléchis par le corps éclairé ; dans ce cas, il est évident que l'intensité de l'éclairage aurait une grande influence sur la profondeur limite de visibilité.

Si l'eau contient des matières en suspension, les conditions sont tout autres. Le coi-ps éclairé, le disque blanc que nous faisons descendre dans ime eau ainsi opalin isée, nous le faisons pénétrer dans lui nuage, dans un brouillard formé par les corpuscules opaques flottant entre deux eaux. Dans ces conditions, l'éclairage, l'éclat de l'objet que nous contemplons, n'a presque aucune influence sur son apparition ou sa disparition. Tant que les poussières, ou les vésicules du brouillard laissent passer entr'elles quelque rayon lumineux, un corps quelconque, même noir, reste encore visible; sitôt que par leur superposition optique elles forment un écran continu, le corps, quelqu'éclairé, quelque brillant qu'il soit, disparaît à nos yeux.

Là donc où l'éclairage de l'objet contemplé a une action manifeste sur la limite de visibilité, nous devons attribuer la disparition du corps à l'absorption des rayons lumineux par l'eau elle-même; là où cet éclairage n'a point d'en*et, là où la profondeur limite de visibilité reste la même quelle que soit la hauteur du soleil, nous devons admettre la présence d'un nuage de corpuscules faisant écran optique et arrêtant les rayons réfléchis par le corps en observation.

De là, la différence entre les observations du Père Secchi qui opérait dans l'eau limpide de la Méditerranée, et les miennes qui étudiaient les eaux plus opalines du lac Léman.

J'ai confirmé ces observations sur le peu d'effet de l'intensité de l'éclairage en interrogeant non plus la hauteur du soleil qui faisait pénétrer plus ou moins de rayons réfractés, mais en m'adressant à l'écran naturel formé par un nuage atmosphérique. En opérant dans le lac sous un ciel ti*aversé par des nuages qui, tantôt me couvraient de leur ombre, tantôt laissaient dans leurs intervalles ariiver sous mon bateau l'éclairage du soleil, j'ai obtenu pour la limite de visibilité des chiffres égaux :

93 juillet i874. Devant Morge^.

}{eures Limites de visibilité

18*' 45"» en plein soleil 4.2"»