R' = R^289 = 6,GR
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De ces deux limites extrêmes, la première, qui confinerait l'atmosphère dans une couche de 8 kilomètres d'épaisseur, est beaucoup trop faible, comme nous l'avons déjà dit; l'autre, qui l'étendrait jusqu'à 56 700 kilomètres de la surface, n'est pas moins inexacte et est au contraire beaucoup trop considérable ; mais elle a l'avantage de prouver, d'une façon irréfutable, l'impossibilité de l'extension indéfinie de l'atmosphère.
Nous avons dit plus haut quelles étaient les opinions des anciens sur l'atmosphère, dont ils ne pouvaient guère songer à calculer la hauteur. Toutefois un géomètre et physicien du deuxième siècle avant noire ère, Posidonius, aurait fait exception, s'il était vrai qu'il eût trouvé, on ne sait point d'ailleurs par quelle méthode, 550 stades (64 kilomètres ou 16 lieues) pour cette hauteur.
Un savant arabe du onzième siècle, Al-Hazen (ou Hassan ben iïaïthem), est le premier qui ait basé sur des F'g- H- — Limite supérieure delà
, , n hauteur de l'atmosphère.
raisons positives un calcul de ce
genre. C'est d'après l'observation du phénomène du crépuscule qu'il admit 19 lieues pour la limite supérieure de l'atmosphère. Kepler, puis Lahire, Lambert, et de nos jours Biot, ont employé la même méthode, que nous allons exposer brièvement.
Tout le monde sait qu'après le coucher du Soleil, comme avant son lever, les couches atmosphériques qui reçoivent toujours (ou déjà) ses rayons, renvoyant vers le sol par réflexion l'illumination dont elles-mêmes sont frappées, donnent lieu au phénomène du crépuscule pour le soir, à celui de l'aurore pour le matin. La durée en est d'ailleurs variable avec l'époque de l'année, parce qu'elle dépend du temps, variable lui-même selon la déclinaison du Soleil, que l'astre met à s'abaisser audessous de l'horizon d'une quantité que l'observation a fait connaître et qui est d'environ 18 degrés. Essayons de faire voir
en quoi consiste la détermination de la hauteur de l'atmosphère par l'observation du crépuscule.
Au moment où le disque solaire va disparaître sous l'horizon FC de l'observateur, toute la portion de l'atmosphère visible au point A est encore illuminée. Quand le dernier rayon de l'astre a disparu en B à l'horizon occidental, le crépuscule commence. Le cône de rayons lumineux que le Soleil envoie tangentiellement à la surface de la Terre, traversant l'atmosphère, tracera, en en sortant, un cercle qui formera la limite de séparation entre les régions atmosphériques encore directement illuminées et celles qui ne le sont plus. A mesure que le
soleil descendra de J en J', puis en J", le point culminant de ce cercle montera successivement de l'horizon oriental F en des points G, H, I ; et enfin, quand il sera arrivé au point J'", le point culminant de la courbe crépusculaire atteindra l'horizon occidental au point G : le crépuscule cessera.
On peut déduire la hauteur de l 'atmosphère de l'observation de la courbe crépusculaire, de plusieurs façons. Supposons d'abord que l'on note avec toute la précision possible l'heure de son coucher, c'est-à-dire de la disparition de son point culminant à l'horizon occidental. On en déduira le degré d'abaissement du Soleil au-dessous de cet horizon, lorsque, parvenant en J'" (fi g. 12), il cesse d'envoyer directement de la lumière dans
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la portion-visible de l'atmosphère. L'angle BCJ'" étant connu, son supplément ACJ", et la moitié ACO de ce supplément, le seront également. Alors dans le triangle rectangle ACO on connaîtra un angle et un côté, puisque le rayon de la Terre AO au lieu où se fait l'observation peut toujours être calculé. On trouvera donc aisément la longueur de l'hypoténuse OC, qui dépasse ce rayon de toute la hauteur CE de l'atmosphère, et par suite une simple soustraction donnera cette hauteur.
On arrive au môme résultat en observant la courbe crépusculaire quand son point culminant se trouve au-dessus de l'horizon, au zénith par exemple, ou en une autre position quelconque, par exemple en C (fig. 13).
Fig. 15. — Hauteur de l'atmosphère déduite de l'observation du crépuscule.
Supposons que l'observateur mesure la hauteur de ce point, c'est-à-dire l'angle CAH que le rayon visuel CA fait avec l'horizon, et qu'il note l'heure précise du phénomène. Cette heure lui permettra de trouver aisément de combien de degrés le Soleil est, en ce moment, abaissé sous l'horizon : il connaîtra ainsi CiAouHIS, et par suite AC/. Tous les éléments du quadrilatère OACB pourront donc être calculés, puisque les rayons terrestres OA et OB sont connus. Il sera facile de calculer la longueur de la diagonale CO. Or cette diagonale surpasse le rayon terrestre d'une quantité qui est précisément la hauteur cherchée de l'atmosphère.
Pour que cette conséquence soit rigoureuse, il faut admettre que la limite de la courbe crépusculaire est bien celle de l'atmosphère même, et, en outre, que les rayons venant de ce point
ont subi une réflexion unique. Or il est aisé de comprendre qu'on ne sait pas dans quelle mesure l'une ou l'autre de ces conditions est remplie. En premier lieu, le point C marque seulement la limite à laquelle les molécules d'air sont encore assez denses pour que la lumière qu'elles renvoient à la Terre soit perceptible. D'autre part, rien ne permet d'affirmer que cette lumière n'est pas due à une double ou même à une triple réflexion des rayons solaires dans l'atmosphère, au phénomène qu'on nomme second ou troisième crépuscule, et dont il est aisé de rendre compte en jetant les yeux sur la figure 14, où l'on voit les rayons solaires se réfléchir une première, puis une seconde fois avant d'arriver en A1. En ce cas, ce n'est pas la hauteur
réelle du point a de l'atmosphère que donnerait le calcul, mais bien celle du point ci, situé bien au delà de ses limites. A fortiori trouverait-on une valeur encore plus exagérée, si l'illumination de la courbe crépusculaire était due à une triple réflexion. A la vérité, dans chacune de ces hypothèses, on peut calculer la hauteur du point a, mais l'incertitude subsiste et l'on ne peut affirmer quelle est celle des trois hauteurs calculées qui est la vraie. C'est que l'observation de la courbe crépusculaire est assez rarement susceptible d'une certaine pré-
!. Le second crépuscule s'observe assez difficilement dans les pays de plaine ou dans les vallées. Sur les hautes montagnes, il est plus aisé à percevoir. On cite les observations de ce genre faites sur le col du Géant par de Saussure, celles de Bravais sur le Faulhom. C'est une faible illumination des couches d'air, assez semblable d'aspect à la lueur de la Voie Lactée. On voit fort bien au travers les étoiles de cinquième et de sixième grandeur.
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cision. Les circonstances atmosphériques favorables sont rares dans nos climats, et quand Biot voulut expliquer la méthode donnée par Lambert pour faire le calcul dans les trois hypothèses dont il vient d'être question, c'est à une observation faite par Lacaille au Cap de Bonne-Espérance, au milieu du siècle dernier, qu'il dut avoir recours1. Attribuant successivement la courbe lumineuse observée par cet astronome à la limite du premier espace crépusculaire, puis à celles du second et du troisième, et appliquant la correction relative à la réfraction atmosphérique, Biot obtint les résultats suivants :
Hauteur en mètres îles dernières couches d'air réflécliissables.
Par la limite du premier espace crépusculaire. 58 916 mètres.
— du second — — 10 797 —
— du troisième — — 6 592 —
« Cette dernière hauteur, ajoute le savant physicien, étant moindre que celle à laquelle est parvenu M. Gay-Lussac, ne saurait être admise. La seconde paraît encore bien faible, si l'on considère qu'à l'élévation de 7000 mètres d'après les observations de M. Gay-Lussac, la densité de l'air n'était réduite qu'à la moitié environ de sa valeur à la surface du sol. La véritable hauteur finale est donc vraisemblablement intermédiaire entre celle-ci et la première, de sorte que la courbe crépusculaire, lorsqu'on l'observe à l'horizon, appartiendrait à quelque partie du second espace crépusculaire. C'est aussi l'opinion de Lambert, et il l'appuie sur des considérations photométriques qui paraissent évidentes2. »
1 . Voici cette observation, d'après les Mémoires de mathématiques et de physique de l'Académie des sciences pour Vannée 1751 : « Les 16 et 17 avril 1751, étant en mer et en calme, par un ciel extrêmement clair et serein, où je distinguais Vénus à l'horizon de la mer comme une étoile de la seconde grandeur, je vis la lumière crépusculaire terminée en arc de cercle aussi régulièrement qu'il est possible : ayant réglé ma montre à l'heure vraie, au coucher du Soleil, je vis cet arc confondu avec l'horizon, et je calculai par l'heure à laquelle je lis cette observation, que le Soleil était abaissé le 1G avril de J6d58', et le 17, de 17M5'. » (Diverses observations astronomiques et physiques faites au Cap de Bonne-Espérance pendant les années 1751 et 1752, et partie de 1753, par M. l'abbé de la Caille.)
'2. Astronomie physique de Biot, t. I.
Lambert avait trouvé 29000 mètres; antérieurement, Lahire, qui ne faisait point la distinction des réflexions multiples, avait calculé la hauteur de l'atmosphère par les crépuscules, et il l'évaluait, en la corrigeant des effets de la réfraction, à 36362 toises (70870 mètres), nombre bien plus fort. Du reste, à l'époque où Lambert publia ses recherches, on admettait volontiers des hauteurs de l'atmosphère beaucoup plus grandes. Mairan, s'appuyant sur des observations de l'aurore boréale, allait jusqu'à 200 et même 300 lieues. Biot enfin, comme nous venons de le voir, la regarde comme comprise entre 11 et 59 kilomètres. Discutant les observations thermométriques et barométriques effectuées par Humboldt et Boussingauît clans leurs ascensions sur de hautes montagnes, ou celles de Gay-Lussac en ballon, il admit en dernier lieu 48 kilomètres ou 12 lieues pour la h au leur de l'atmosphère. Mais c'est toujours là une limite inférieure, puisque le phénomène qui sert de base au calcul est limité aux dernières couches d'air assez denses pour réfléchir une lumière sensible.
Arago, étudiant les phénomènes de polarisation atmosphérique, a fait remarquer qu'ils pourraient servir à décider si la limite de la courbe crépusculaire appartenait à une première ou à une seconde réflexion, et par conséquent que l'on pourrait en déduire avec plus de certitude la hauteur de la couche atmosphérique donnant lieu au phénomène. M. E. Liais a fait des observations de ce genre au Brésil, et il en tire pour la hauteur de l'atmosphère un nombre beaucoup plus fort que ceux que Biot a calculés : il ne l'évalue pas à moins de 290 kilomètres et la porte même à 520, en tenant compte de l'absorption de la lumière solaire par les couches denses inférieures
1 . La description que M. Liais donne du phénomène du crépuscule, tel qu'on peut l'observer près de l'équateur, est assez intéressante par elle-même pour que nous la reproduisions intégralement.
« Presque immédiatement après le coucher du Soleil, une coloration rose se montre à l'est. On distingue bientôt au-dessous d'elle un segment sombre, souvent de couleur ver- (làtre. La teinte rose s'étend en largeur vers le sud et le nord, et onze minutes après son
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Bravais, dans son ascension an Faulhorn, a effectué une série de mesures de la hauteur de la courbe crépusculaire correspondant à des distances zénithales croissantes du Soleil. En les discutant à un point de vue tout particulier1, il en a con-
apparition à l'est, elle commence à se faire remarquer ù l'ouest, mais le zénitli reste bleu. En réalité, il existe une coloration rose tout autour de ce point jusqu'à l'horizon, sauf à l'est, où un segment gris-bleu ou gris-verdàtre repose sur la mer, et à l'ouest, oii on distingue un segment blanc. Huit minutes après son apparition à l'ouest, la teinte rose, qui a été sans cesse en s'affaiblissant à l'est, cesse entièrement de ce côté. A. l'ouest, le segment blanc se borde par un arc rose vif, au-dessus duquel apparaît le bleu d'azur avec un éclat et une teinte impossibles à décrire. Cet arc descend peu h peu vers l'horizon. Il devient alors très surbaissé et prend des teintes rouge vif ou rouge-orangé. Enfin, il se couche quand le Soleil est à 11°42' sous l'horizon (moyenne des déterminations du 16 au 22 juillet 1858).
« Quand l'arc rouge dont nous venons de parler est très bas et sur le point de disparaître à l'ouest, une seconde eoloi'alion rose se forme et apparaît à peu près simultanément à l'est et à l'ouest, en faisant le tour du zénith qui reste toujours bleu, ou mieux gris-bleu, car le jour est déjà faible. Une région d'un blanc argenté sépare à l'ouest les deux arcs roses. A mesure que le Soleil descend, on voit la deuxième coloration rose disparaître d'abord ii l'est, en se retirant vers le nord et le sud sans passer par le zénith, puis enfin le premier arc rose se couche, et il ne reste plus que le second qui est à l'ouest et possède une forme surbaissée. 11 encadre un segment blanc situé au-dessous de lui. Enfin ce second arc rose, qui prend une teinte plus rouge en approchant du moment de sa disparition, se couche quand le Soleil est à 18°18' sous l'horizon (moyenne des déterminations failes du 16 au 22 juillet). »
En observant les mêmes phénomènes à la même époque, mais le matin pendant l'aurore, M. Liais les a vus se reproduire en sens inverse, sauf que le lever de l'arc rose secondaire avait lieu quand le Soleil était à 17°22' sous l'horizon, et le lever de l'arc principal quand il était à 1 0° 50'. « Mais j'ai observé, dit-il, un fait très important : c'est l'apparition du côté de l'est d'une polarisation passant par le Soleil, et un peu avant le lever du premier arc rose caractérisant le commencement de l'aurore, alors que toutes les étoiles de sixième grandeur sont encore visibles. Cette polarisation verticale s'élève peu à peu et atteint le zénith, quand le Soleil est à 18° 5' sous l'horizon; puis elle s'étend progressivement vers l'ouest. La polarisation horizontale n'apparaît de ce côté que beaucoup plus tard et vers l'instant où la coloration rose s'y porte. Or, si on remarque que l'éclairage direct par le Soleil donne lieu à une polarisation passant par cet astre, et l'éclairage par l'atmosphère à une polarisation horizontale, il résulte de l'observation que je viens de rapporter que le Soleil commence à éclairer directement les couches supérieures de l'atmosphère au zénith dès qu'il est à 18° 5' sous l'horizon. » (Comptes rendus de l'Académie des sciences pour 1859, I.)
C'est ce dernier nombre, diminué du double de la réfraction, que M. Liais a pris pour base de son calcul, et d'où il a tiré 291 kilomètres pour la hauteur de l'atmosphère, sans compter les 29 kilomètres qu'il y ajoute pour tenir compte de l'absorption à l'horizon.
1. « Si la courbe crépusculaire que l'on voit se coucher le soir à l'horizon occidental, dil le savant collaborateur de Bravais, M. Martins, environ une heure ou une heure et demie après le coucher du Soleil, était réellement le résultat de l'intersection du cylindre d'ombre projeté par la Terre et de la surface terminale de l'atmosphère, la hauteur que l'on en conclurait pour l'atmosphère devrait être la même, quelle que fût l'heure plus ou moins avancée de l'observation. Or ce résultat n'a pas lieu; les différences des résultats ne sont pas ducs aux erreurs d'observation ; elles vont en croissant à mesure que le Soleil s'abaisse sous l'horizon ; les nombreuses observations faites sur le Faulhorn par M. Bravais conduisent aux mêmes conséquences. » On a vu que Lambert et Biot après lui ont interprété ces différences,
clu que le sommet de celte courbe devait être à 1 15000 mètres au-dessus du niveau de la mer. En soumettant à la même méthode les observations faites à Augsbourg, en 1759, par Lambert, le même savant obtint une hauteur plus grande encore pour l'atmosphère, et égale à 160 kilomètres.
Les résultats obtenus par Liais et Bravais sont loin de concorder, comme nous venons de le dire, avec ceux que Biot a déduits de Inobservation de Lacaille en employant les formules de Lambert. Mais ils se trouvent plus rapprochés de ceux que les astronomes ont obtenus par l'observation des bolides ou des étoiles filantes. Un bolide observé le 12 décembre 1851, à Paris par M. Coulvier, à Cherbourg par M. Liais, est entré dans l'atmosphère, ou du moins s'est enflammé à une hauteur
en admettant que la courbe crépusculaire correspond, non au contour même de l'ombre terrestre, mais a une région de la zone qui ne reçoit pas les rayons directs du Soleil.
M. Martin s pense qu' « il est plus naturel d'admettre que cette courbe crépusculaire correspond au contraire à la zone entièrement éclairée par le Soleil, et que la partie la plus extrême du segment disparait à cause de la forte absorption qu'éprouvent en rasant le sol les rayons tangents à notre globe. Quoi qu'il en soit de la position de ce point, pourvu qu'il soit toujours placé de la même manière par rapport au segment crépusculaire, on pourra le déterminer exactement en se servant de deux observations de hauteur de la courbe faites à des époques connues. Au lieu de considérer l'observateur comme immobile et le Soleil comme s'abaissant dans un plan vertical et entraînant avec lui les différents espaces crépusculaires dans un mouvement commun de rotation autour du centre fixe de la Terre, l'on peut également supposer que tout le système crépusculaire reste immobile dans l'atmosphère et que le spectateur se déplace le long du grand cercle obtenu en coupant le globe terrestre par un plan passant par son centre, par le centre du Soleil et par l'œil de l'observateur; les phénomènes crépusculaires se reproduisent pour cet observateur mobile comme pour l'observateur fixe de la nature, pourvu que les arcs parcourus dans un temps donné sur le grand cercle terrestre représentent les accroissements de la distance zénithale du Soleil.
« Chaque observation de hauteur de la courbe crépusculaire donne alors une trajectoire partant d'un point déterminé de ce grand cercle, et toutes ces trajectoires doivent venir se couper au sommet de la courbe crépusculaire immobile. Ainsi, dans celte manière de voir, on détermine la hauteur de l'atmosphère par les phénomènes de la rotation apparente de la courbe crépusculaire autour de l'observateur, ou de ce dernier autour du sommet de la courbe, indépendamment de la considération des arcs tangents du globe terrestre. » (Note de la traduction du Cours de météorologie de Kacmtz.)
Toutefois il faut ajouter que, d'après les calculs de Bravais, l'épaisseur de la couche absorbante serait de près de 80 kilomètres, nombre beaucoup trop fort d'après ce que l'on sait de la loi de décroissement des densités dans l'atmosphère. Il paraît donc probable que la supposition adoptée n'est pas non plus exacte, que la limite de l'ombre et de la lumière ne correspond pas à un point fixe et déterminé du segment crépusculaire, mais se déplace suivant la position de l'observateur. Aussi M. Martins a-t-il raison de dire que « à ce nouveau point de vue, le problème de la détermination de la hauteur de l'atmosphère par les phénomènes du crépuscule devient très compliqué ».
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verticale de 128 kilomètres; un autre, vu par M. Petit en septembre 1852, s'est également enflammé à pins de 50 lieues d'élévation. Un de ces météores, observé par le docteur E. Heis en août 1866, serait entré dans notre atmosphère à une hauteur de 290 kilomètres. Un autre enfin, vu simultanément à Breslau et à Berlin, aurait eu pour hauteur initiale 460 kilomètres, et au moment de la disparition 310 kilomètres. Comme l'incandescence des bolides ne paraît pouvoir s'expliquer que par la haute température provenant de la compression de l'air traversé par eux, on est forcé d'admettre qu'à de telles altitudes l'atmosphère existe encore et que sa densité est encore assez grande pour donner lieu à la transformation de force vive en chaleur, qui se traduit ici par l'incandescence1.
On voit que la hauteur réelle de l'atmosphère terrestre est encore loin d'être connue avec un peu de précision. C'est que les phénomènes sur l'observation desquels on base le calcui de cette hauteur, sont eux-mêmes difficiles à observer nettement, ou bien sont sujets à des interprétations physiques diverses. On a vu que la courbe crépusculaire présente rarement une limite un peu exacte, et la réfraction qui influence le phénomène d'une manière notable peut, à l'horizon, offrir des variations difficiles à reconnaître au moment où se font les observations. L'observation simultanée d'une trajectoire aussi fugitive que celle d'un bolide ne peut non plus fournir des données bien positives à la triangulation d'où l'on déduit sa hauteur. Enfin, on ignore si les phénomènes optiques qu'on observe ainsi ne cessent point d'être observables à cause de la très faible densité de l'air, ce qui ne veut pas dire qu'au delà il n'existe pas encore des couches atmosphériques, de sorte que la hauteur déduite de l'observation des crépuscules ne peut guère être qu'une limite inférieure, comme Biot du reste n'a
1. Sir John llerschel émet, à cette occasion, une opinion oui n'est pas sans analogie avec celle des anciens philosophes : « La grande élévation des étoiles filantes, dit-il, fait soupçonner une espèce d'atmosphère supérieure à l'atmosphère aérienne, plus légère et pour ainsi dire plus ignée. » (Lettre h M. Quételct, du 18 août 1865.)
point manqué de Je faire remarquer en disant qu'il s'agit seulement « des dernières couches d'air réfléchissantes ».
Malgré l'incertitude qui s'attache encore à ce problème de la hauteur réelle de l'atmosphère, nous avons cru devoir exposer les principales méthodes employées pour le résoudre. Mais ce qu'il est surtout intéressant de connaître, c'est la portion qui est véritablement accessible à l'exploration directe de l'homme, celle où il a pu s'élever, soit en gravissant les plus hauts sommets couverts de neiges éternelles, soit en se confiant à la nacelle d'un aérostat. L'épaisseur de cette couche, ainsi qu'on en peut juger par le tableau suivant, ne dépasse guère 8000 mètres ; ce n'est très probablement, comme on vient de le voir, qu'une faible fraction de la hauteur totale de l'atmosphère. Cependant les observations barométriques prouvent que son poids dépasse la moitié du poids total de l'enveloppe gazeuse du globe terrestre.
Altitudes
Pression
Noms des explorateurs.
atteintes.
barométrique.
Ilunlboldt et Bonpland (ascension
sur le Chimborazo), 24 juin 1802.
Lloest et Robertson (en ballon),
le 18 juillet 1803
536,nm,0
Gay-Lussac (en ballon), le 16 sep-
tembre 1804
Boussingault et Hall (ascension au
Chimborazo), le 1 6 décembre 1831
Banal et Bixio (en ballon), le 27
juillet 1850
515mm,0
Welsh et Nicklin (en ballon), le 10
Glaisbcr (en ballon), le 5 septem-
bre 1862. ............
252ra"',0?
Crocé-Spinelli, Sivel et G. ïissan-
dier (en ballon), le 15 avril
Parvienclra-t-on à s'élever à des hauteurs beaucoup plus grandes? On sait combien sont pénibles, dangereuses, les excursions dans les montagnes, dès qu'on arrive à la région des neiges perpétuelles; d'ailleurs il ne reste plus de ce côté
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qu'un assez faible intervalle à franchir, et il l'a été en ballon, puisque les ascensions de MM. Glaisher, Crocé, Sivel et Tissandier ont à peu près atteint l'altitude du sommet le plus élevé, du géant du Népal, le Gaourisankar. D'autre part, la catastrophe qui a coûté la vie, en avril 1875, à deux courageux aéronautes, fait penser que 8000 mètres sont, à peu de chose près, la limite où l'air ne suffit plus à la respiration.
En examinant la figure 15, on peut du reste se faire une idée des hauteurs comparées de cette couche limite avec les hau-
Fig. 15. — Hauteurs de l'atmosphère : BB d'après Biot et les observations de la courbe crépusculaire; LL et EE d'après Liais et les observations de bolides; mm sommets des plus hautes montagnes et limite probable des nuages.
leurs qu'on a calculées par diverses méthodes pour l'atmosphère elle-même. L'échelle à laquelle ces hauteurs ont été représentées suppose que le globe terrestre a un rayon de 638 millimètres. 1 millimètre représente donc une hauteur de 10 kilomètres : c'est la limite au-dessous de laquelle sont restés les explorateurs des hautes régions, et que l'on considère comme celle de la hauteur des cirrus, les plus élevés de tous les nuages. A 4mm,8 plus haut, sont les couches extrêmes de l'atmosphère d'après les calculs de Biot; à 52 millimètres, la limite déterminée au Brésil par Liais ; à 46 millimètres enfin, le plus haut point où les astronomes ont constaté l'apparition et l'inflammation des bolides.