CHAPITRE V

L'optique de l'atmosphère.

L'atmosphère est interposée entre nos yeux et le monde extérieur et ce n'est qu'après l'avoir traversée que nous arrivent les ondes lumineuses ou électriques grâce auxquelles nous pouvons connaître l'Univers. Nous sommes prisonniers dans un cachot gazeux et il faut composer avec notre geôle pour pouvoir faire les mesures précises exigées par l'étude rigoureuse des astres qui peuplent l'Infini.

Les propriétés optiques de l'atmosphère, sa transparence, sa coloration, la déviation qu'elle imprime aux rayons lumineux, l'absorption qu'elle leur fait subir, les modifications qu'elle leur inflige sont, pour nous, questions capitales auxquelles nous allons consacrer le chapitre qui suit.

Tout d'abord, l'air se présente à nous avec une coloration propre et le plus souvent cette* coloration est bleue, tellement bleue que l'on a donné, dans les arts, le nom de « bleu de ciel » à une couleur fréquemment employée. De plus, le bleu de la voûte céleste n'est pas uniforme à nos yeux : le bleu le plus pur est aux environs du zénith, tandis que sa pureté s'altère à mesure que le regard de l'observateur s'abaisse vers l'horizon.

D'où vient cette couleur bleue du ciel ? Les physiciens de ce temps s'accordent à admettre qu'elle provient justement des particules ténues, des poussières très petites que l'air tient en suspension. Nous avons déjà mentionné et nous rappelons encore, à raison de son importance, l'observation, familière à tous, d'un rayon de soleil entrant par une f^nte d'un volet dans une chambre obscure : son passage est rendu visible par les particules en suspension dans Tair de la chambre, particules que le soleil frappe de sa lumière et qui la diffusent, rendant cette lumière sensible en devenant sensibles elles-mêmes.

Lorsque la lumière générale , venue du Soleil , pénètre dans l'atmosphère, elle est ainsi diffusée par l'infinité de particules qu'elle rencontre sur son chemin. Mais n'oublions pas quelle est la nature de la lumière blanche : elle est composée d'une infinité de radiations allant du violet au rouge, de longueurs d'onde décroissantes du rouge au violet, inégalement réfrangibles et inégalement diffusibles. La « diffusion intérieure », qui se fait dans l'air lui-même, sera donc d'autant plus forte que la radiation diffusée est plus courte, c'est-à-dire plus voisine du violet; l'extrême violet du spectre, dont la longueur d'onde est moitié de celle du rouge, est seize fois plus diffracté que celui-ci, car, d'après la démonstration de lord Rayleigh, la diffraction est inversement proportionnelle à la quatrième puissance de la longueur d'onde.

Il en résulte que la lumière diffusée par les particules suspendues dans l'air est beaucoup plus riche en radiations bleues et violettes qu'en radiations jaunes et rouges. L'atmosphère doit donc paraître bleue et ainsi s'explique, d'après l'illustre physicien anglais, la coloration générale du ciel.

Mais une question se pose immédiatement, question qui se relie étroitement aux résultats énoncés dans le

l'optique de l'atmosphère 69

précédent chapitre. ' Evidemment, dans les couches inférieures de l'atmosphère, nous trouvons en abondance ces poussières matérielles, organiques ou minérales qui diffusent la lumière. Mais nous avons vu que le nombre des poussières diminue avec la hauteur et devient très faible sur les hautes montagnes. Sublata causa, toUitur effectus^ décrétaient les philosophes d'antan : du moment que le grain de poussière n'est plus là pour diffuser la lumière, le bleu du ciel doit disparaître. Et cependant on sait que le ciel, non seulement ne cesse pas d'être bleu sur les hautes montagnes, mais encore que ce bleu est plus vif qu'au niveau des plaines. Pourquoi ?

Pour répondre à cette question, il nous faut aller plus loin encore dans l'explication de la constitution de l'atmosphère. Nous avons dit, qualitativement et quantitativement, quels étaient les gaz qui la composaient; mais il est temps de parler de l'état « dynamique » auquel se trouvent ces gaz.

Or, cet état, la théorie cinétique des gaz nous apprend ce qu'il doit être : des expériences admirables de J. Perrin ont vérifié ce qu'il est réellement. Imaginons l'atmosphère terrestre uniquement composée d'azote : cela ne changera guère les données du problème, l'azote formant les quatre cinquièmes de l'air et le dernier cinquième, presque entièrement formé d'oxygène, ayant une densité très peu différente de celle du gaz qui forme le& quatre autres.

Cette masse gazeuse est essentiellement discontinue : elle est formée de molécules très petites, en perpétuelle agitation, exécutant une véritable danse de Saint-Guy, se heurtant, se choquant, se bousculant sans cesse, se renvoyant les unes sur les autres, se réfléchissant sur les parois des récipients qui les renferment. Ce sont précisément les ensembles de ces chocs moléculaires qui constituent la « pression » dés gaz sur les parois de sa prison, pression qui est ainsi

70 LES PROBLÈMES DE l'aTMOSPHÈBE

la résultante de rinfinité de chocs élémentaires que cette paroi reçoit pendant un temps donné. On a pu déduire des expériences de Perrin le diamètre de la molécule d'azote : ce diamètre est 2,8 x 10 — ^ centimètres ou, en chiffres ronds, un trois millionième de millimètre. L'intervalle entre deux molécules est, en moyenne^ de 100 à 150 fois leur diamètre. Il y en a 685 milliards de trillions (68,5 X 1022) dans un volume de 22 litres 4 (volume moléculaire) à la température de zéro et, dans ces conditions, elles produisent sous ce volume une pression de 1 atmosphère. C'est ce nombre (N = 68,5 x 10 22) que Ton appelle la constante d'Avogadro^ en souvenir du savant illustre qui en a le premier conçu l'idée et Timportance.

Ces molécules bondissent dans tous les sens : leur vitesse moyenne est de 500 mètres à la seconde, c'està-dire la vitesse initiale de la balle du fusil d'infanterie modèle 1874, que l'on appelait fusil « Gras ». Et c'est à cette vitesse moyenne que ces molécules, véritables projectiles, viennent heurter les parois du vase qui les renferme en y produisant plus de 300 millions de milliards de chocs en une seconde. Quelque invraisemblables que soient ces chiffres, ils ne correspondent pas à des hypothèses, mais sont déduits des résultats d'expériences capitales de J. Perrin. Et, s'il faut louer ce savant physicien d'avoir réussi ces délicates et difficiles mesures, il faut l'admirer encore plus d'avoir osé les entreprendre.

Nous avons donc une atmosphère remplie de corpuscules en suspension : partout, ce sont les molécules des gaz constituants et, dans les couches basses, ce sont des grains plus grossiers, les poussières.

Pour rechercher si vraiment les molécules, dont l'existence objective ne fait plus de doute aujourd'hui, diffusent la lumière solaire, il faut se placer sur de hautes montagnes,au-dessus de la région des poussières et des germes. Ces recherches ont été faites au sommet

l'optique de l'atmosphère 71

dn mont Blanc et du mont Rose, et, en introduisant les résultats de Tobservation dans les formules de la théorie, on a retrouvé ainsi, pour le nombre de molécules contenu dans Tunité de volume (constante d'Avogadro), un nombre très voisin de celui qui résulte des expériences de Perrin.

Les molécules gazeuses diffusent donc réellement la lumière du Soleil comme le font les grains matériels qui constituent les poussières des couches inférieures et c'est à cette cause qu'est due la coloration bleue du ciel : les vues de lord Rayleigh sont ainsi victorieusement confirmées et il est inutile de chercher à expliquer le bleu de ciel, comme on Ta fait (sans grande vraisemblance d'ailleurs) par la présence de l'ozone atmosphérique.

Mais le ciel n'est très nettement bleu qu'au voisinage du zénith, surtout lorsque le soleil est bas sur l'horizon, c'est-à-dire le mjatin à son lever et le soir à son coucher; sa couleur passe, par teintes fondues, du bleu zénithal à un bleu plus clair qui arrive au blanc laiteux, au jaune et au rouge pourpre. Nous avons vu, en cherchant à évaluer l'épaisseur de l'atmosphère (fîg. 1), que le Soleil éclairait encore des molécules d'air, ainsi rendues visibles pour nous, bien après qu'il s'était couché et cela jusqu'à ce que ses rayons soient inclinés de 18 degrés au-dessous de l'horizon du lieu où nous sommes. C'est à ce moment que se produit cette « purpuration » du ciel, si nette au lever et au déclin du jour et dont les nuages élevés et les cimes des hautes montagnes réfléchissent si bien les riches colorations.

C'est encore la théorie de la diffusion qui va nous expliquer cette féerie de couleurs. La diffusion intérieure agit, pour la diminuer, sur l'intensité du rayonnement transmis directement. Quelque chose manque dans ce rayonnement : c'est tout ce qui a été diffusé.

Comme les radiations de courte longueur d'onde sont plus diffusées que celles de grande longueur, cela revient à dire que le violet et le bleu se trouvent plus a.ffaiblis que le rouge. Quand le soleil est au voisinage du zénith, Tépaisseur de la couche d'air qu'il traverse est minimum. Nous avons vu que le violet était 16 fois plus diffusé que le rouge quand les particules diffusantes sont très petites : c'est le cas des molécules qui constituent l'ajr lui-même. Mais, quand les particules diffusantes sont plus grosses, ce qui est le cas des poussières existant en abondance dans les couches inférieures, le rouge et le jaune sont diffusés en plus grande proportion. Ceci a lieu quand le Soleil, voisin de l'horizon, envoie des rayons qui font, en rasant la terre, un trajet considérable dans les couches inférieures riches en grosses particules : la lumière du ciel paraît jaune et rouge et l'astre lui-même semble teinté de rouge. La même chose a lieu au lever ou au coucher de la Lune.

L'abondance de la vapeur d'eau condensée en gouttelettes produit le même phénomène, mais ces gouttelettes sont assez grosses; elles ont, en moyenne, 1/50* de millimètre de diamètre. Alors, il y a moins de différence entra la diffusibilité des diverses radiations : le ciel devient clair, puis laiteux, puis blanc. Cette couleur blanche se transmet à travers les nuages inférieurs inégalement épais et leur donne, combinée avec des jeux d'ombre, cette teinte grise qui, pour les épais nuages orageux, arrive presque au noir.

On conçoit également que, sur les hautes montagnes où la vapeur d'eau et les poussières font défaut, le rayonnement solaire soit plus riche en violet et en ultra-violet que dans les vallées basses : de là, ces « coups 'de soleil » auxquels les alpinistes sont fréquemment exposés.

Il est des cas où la haute atmosphère elle-même est

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chargée de poussières matérielles, assez ténues pour tomber avec une telle lenteur que leur chute, ainsi ralentie, équivaut à une véritable sustentation, assez grosses cependant pour ne pas diffuser seulement du bleu, mais aussi du jaune et du rouge. Ce sont les cas où des éruptions volcaniques d'une grande violence lancent dans l'atmosphère, à des hauteurs de plusieurs kilomètres, d'immenses quantités de poussières qui forment de véritables nuages.

Dispersées et entraînées par les vents supérieurs, les poussières restent quelquefois des années entières en suspension dans Pair et peuvent faire plusieurs fois le tour de la Terre. Le cas s'est produit le 26 août 1883, lors de l'éruption du Krakatoa, au cours de laquelle les cendres lancées par le cratère s'étevèrent à 30 kilomètres dans l'atmosphère et firent plusieurs fois (sept, croit-on) le tour de notre globe. La compacité de ces « nuages volcaniques » fut suffisante pour que, pendant près d'une année après l'éruption, des « lueurs crépusculaires » d'un rouge magnifique se montrassent presque tous les soirs. Quand on observe des suites continuies de ces lueurs crépusculaires, c^est toujours à des poussières d'origine volcanique, planant dans la haute atmosphère, qu'il faut les attribuer. Ces poussières ont, d'ailleurs, un autre effet : elles forment une sorte d'écran qui absorbe une partie de la radiation solaire et diminue réchauffement provenant de l'insolation. Lfes étés exceptionnellement froids, comme celui de 1912 par exemple, doivent être attribués à une surabondance de ces émissions de poussières volcaniques. En 1912, en particulier, l'abaissement de température fut général. D'autre part les déterminations exactes faites à l'aide du spectromètre montrèrent une absorption sensiblement égale pour tous les rayons : ce n'étaient donc pas des particules infiniment petites qui s'interposaient sur le trajet des rayons solaires, mais bien de véri-

table « grains » de dimensions analogues à celles des cendres de volcans. Or, une éruption formidable s'était produite en juin 1912 dans un volcan de r Alaska; d'après l'épaisseur des cendres tombées dans la région environnante, on peut justement croire qu'elle fut d'une violence comparable à celle de Krakatoa, et l'on comprend aisément, dès lors, l'importance des poussières qu'elle a projetées dans le ciel.

Ainsi, la transparence de l'air peut être altérée par des éléments « intrus », étrangers à l'air lui-même. Mais, indépendamment de cela, cette transparence n'est pas parfaite, loin de là. En' particulier, l'air absorbe certaines radiations alors qu'il laisse librement passer les autres.

Nous avons une forme dé cette inégale absorption des radiations en étudiant le spectre solaire : les l'adiations qui y manquent, par suite de l'absorption que leur a fait subir l'atmosphère, se manifestent par des raies ou des bandes obscures que l'on qualifie, pour cela, de telluriques^ pour ne les point confonàre avec les autres raies que l'on trouve dans le spectre.

On a constaté que ces raies se renforcent quand le Soleil baisse sur l'horizon, pour s'affaiblir, au contraire, quand l'astre est plus voisin du zénith ; cela se conçoit, si l'on réfléchit que, près de l'horizon, le Soleil envoie des rayons qui sont obligés de faire obliquement un bien plus long trajet dans la couche atmosphérique qu'ils traversent en incidence presque rasante. Beaucoup de ces « raies telluriques » sont dues à la vapeur d'eau existant dans l'atmosphère : elle disparaissent en effet, par les très grands froids, alors qu'elle se renforcent lorsque l'atmosphère est saturée d'humidité. Ce renforcement est surtout très net pour la bande correspondant à la longueur d'onde 0:^,578, bande qui, indiquant par son accroissement d'intensité une surabondance de vapeur

l'optique de l'atmosphère 75

dans Pair, souligne ainsi la probabilité d'une pluie prochaine. Aussi Brewsler Ta-t-il appelée « bande de pluie ».

Quand, continuant à étudier, à Taide du spectroscope, la façon dont les différentes radiations solaires sont absorbées par l'atmosphère terrestre, on porte son attention sur la région de Tinfra-rouge, on y trouve de larges lacunes. Comme l'infra-rouge représente les radiations calorifiques du spectre, on peut appeler « bandes froides » ces lacunes, qui correspondait à l'absorption de ces rayons dont la longueur d'onde est considérable (de0»',9; li*,15; 1î*,35; li^jS, €t 11* ,9). Les physiciens attribuent à l'acide carbonique et à la vapeur d'eau contenus dans l'air l'absorption de ces radiations chaudes. Nous avons déjà eu l'occasion d'insister sur ce fait en parlant de la composition de l'air atmosphérique, et nous avons montré le rôle de manteau protecteur que jouaient l'acide carbonique et la vapeur d'eau vis-à-vis du refroidissement par rayonnement. On a pu établir par le calcul que si la dose, infime pourtant (1/3.000°) d'acide carbonique qui existe actuellement dans l'air venait à disparaître, la température du sol baisserait d'une vingtaine de degrés.

L'acide carbonique et la vapeur d'eau, existant surtout dans les couches inférieures de l'atmosphère, ce sont ces dernières qui s'échaufferont le plus, puisqu'elles contiennent les éléments qui absorbent les radiations calorifiques, puisque, de plus, elles sont en contact immédiat avec la Terre échauffée par celles des radiations solaires qui ont triomphé de l'absorption ^e l'écran gazeux. Nous verrons, en étudiant la circulation générale de l'atmosphère, quelle est l'importance de ce fait au point de vue de l'établissement du régime des alizés et des contre-alizés.

Ainsi la vapeur d'eau et l'acide carbonique jouent, relativement à réchauffement solaire, le rôle du verre

de la cloche à melon des jardiniers : ils laissent passer beaucoup des radiations que Tastre nous envoie lors de son rayonnement diurne le plus intense, mais ils arrêtent les radiations obscures que le sol échauffé rayonnerait vers l'espace pendant le refroidissement nocturne de la Terre.

L'atmosphère, comme tous les milieux transparents, fait subir une réfraction aux milieux lumineux qui la traversent. Cette réfraction a pour pcemier effet de nous faire voir les objets dans une direction « apparente » qui diftère de leur direction réelle.

Si nous avons un point lumineux situé en S (fîg. 3)

FiG. 3. — Réfraction atmosphérique.

et envoyant des rayons vers la Terre, le rayon SB subira, en entrant dans la première couche d'air, A, de faible densité, une première réfraction qui le rapprochera de la normale et le déviera suivant BG; pénétrant ensuite dans une deuxième couche plus dense, A', il subira une seconde réfraction qui le rapprochera encore plus de la normale et sera dévié suivant CD; en traversant une couche A" encore plus dense, il sera de nouveau dévié suivant DM. De sorte que, finalement, l'observateur situé en M, à la surface de la Terre, recevra les rayons lumineux, émanés du point S, dans la direction M S. Il croira donc

l'optique de l'atuosphébe "ÏÎ

voirie point S en S', c'est-à-dire relevé en apparence au-dessus de l'horizon. Comme les couches atmosphériques, de densités croissantes, varient d'une manière continue, la trajectoire du rayon lumineux est, en réalité, curviligne.

Cette « réfraction atmosphérique u est un des points noirs de l'Astronomie. Il n'est pas nécessaire d'être un virtuose du cercle méridien pour en constater les effets. Lorsque le Soleil se couche, son

- Défon

disque nous semble aplati dans le sens de la hauteur : c'est à la réfraction qu'est due cette apparence. La réfraction se produit dans le sens vertical, qui est celui de la décroissance de la densité des couches d'air et ne se produit que peu dans le sens horizontal, où les rayons traversent des couches de densité constante. C'est donc le diamètre vertical de l'astre dont la grandeur apparente est altérée (fig. 4).

La réfraction produit encore un autre changemwit «ur Tapparence du Soleil : elle nous permet d'apercevoirrastre,en tout ou en partie, même lorsqu'il est géométriquement au-dessous de l'horizon visuel, M H, de Tobservateur placé en M (fig. 5). On voit, en regardant sur la figure, le trajet des rayons solaires SABM, réfractés en A et en B par les « couches atmosphériques », que l'observateur verra le Soleil dans la

FiG. 5. — Viabilité du soleil couché par suite de la réfraction atmosphérique.

direction du rayon qui lui arrive, c'est-à-dire en S', donc encore au-dessus de l'horizon, alors que l'astre est déjà matériellement au-dessous.

Ce relèvement apparent des astres est d'autant plus grand que l'astre est plus près de l'horizon : il n'est nul qu'au zénith. Il est donc nécessaire, pour les astronomes, de tenir compte, dans les mesures angulaires, de cette déviation que la réfraction fait subir aux rayons lumineux. Négligeable (on l'admet, du moins) dans le sens horizontal, c'est-à-dire dans les mesures d'azimuts, la correction de réfraction est importante dans le sens vertical, c'est-à-dire pour les mesures de hauteurs et de distances zénithales.

Les astronomes et les physiciens ont, depuis Laplace, consacré de longues études à cette importante question. La correction de réfraction peut se

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calcaler avec assez de précision jusqu'aux hauteurs qui ne dépassent pas 20** au-dessus de l'horizon. Pour les hauteurs plus faibles la correction présente des incertitudes qui en déconseillent l'emploi.

Les marins ont besoin à chaque instant de connaître et d'appliquer cette correction de réfraction quand ils prennent la hauteur d'un astre au-dessus de l'horizon. La réfraction influe, en effet, et sur la visée de l'astre, et sur la visée de l'horizon lui-même. Les nombres suivants donneront une idée de l'importance de cette correction quand les hauteurs mesurées sont faibles.

Ainsi, une hauteur apparente mesurée de 1/2° comporte une correction de réfraction de 28' c'est-à-dire à peu près égale à la grandeur mesurée : une hauteur apparente de 1** doit subir une correction de 24', soit de plus du tiers de sa valeur; une hauteur de 5° compte encore ICK de correction! Si la hauteur observée est de 30°, la correction est encore importante en valeur absolue : l'30". Ce n'est qu'à partir de 45° que la correction s'abaisse au-dessous de 1' et tombe à 58"; elle est encore de 34" pour la hauteur de 60°, de 10" pour la hauteur de 80°, et ne s'annule que pour le zénith.

Si encore on la connaissait avec exactitude! Mais il suffit de réfléchir un instant à la nature même du phénomène qu'elle fait intervenir pour être frappé de l'incertitude qu'elle comporte. La réfraction par une masse gazeuse dépend, en effet, de l'indice de celuici, et la loi de Gladstone nous dit que la partie décimale de cet indice est proportionnelle à la densité. Or, dans le cas des gaz, la densité dépend d'une foule de facteurs que l'on ne connaît qu'imparfaitement : la température, sa décroissance avec la hauteur suivant unç loi peu connue, la pression et sa diminution progressive, l'humidité, etc. Pour toutes ces raisons, la correction de réfraction ne donne.

m'ême pour les angles auxquels on peut légitimemeni l'appliquer, qu'une « probabilité » et non une « certitude » de précision. L'étude de la réfraction est donc un des gros « problèmes de l'atmosphère », un des plus importants même, à cause de son application journalière à l'astronomie et à la navigation.

La réfraction dans l'air produit une autre catégorie de phénomènes bien connus. Ce sont tes mirages.

Dans certaines circonstances, exigeant à la. fois une température élevée du sol et une parfaite tranquillité

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FiG. 6. — Le mirage.

de l'air, les couches gazeuses se succèdent avec une grande continuité dans le sens de leur densité décroissante. Alors, il arrive qu'un rayon lumineux issu d'un point un peu élevé, A (fig. 6), rencontre des couches dont la densité, et par suite l'indice de réfraction au lieu d'aller en augmentant , près du sol, comme c'est le cas général, vont, au contraire, en diminuant. Au lieu de s'incurver vers la Terre, comme le montre la figure 3, dans le cas de la réfraction régulière^ le rayon lumineux s'incurve vers le zénith et rencontre les couches d'air sous un angle d'incidence de plus en plus

l'optique de l'atmosphère 81

obtus. Il arrive donc à rencontrer, en D, une couche inférieure, sous un angle plus grand que V « angle limite » relatif à l'indice de réfraction de cette couche, indice qui dépend de sa température. Il subira donc en D la réflexion totale^ remontera en suivant un chemin DEF symétrique de son chemin d'incidence ABC, et quand il arrivera à l'observateur placé en M, celui-ci croira voir .l'objet M dans la direction du dernier rayon FM qui lui arrive; c'est-à-dire qu'il aura l'impression de voir son image renversée, en A', absolument comme s'il était réfléchi par une vaste nappe d'eau placée sur

FiG. 7. — Mirage renversé.

le sol. C'est cette apparence de lac imaginaire qui avait tant frappé l'imagination des troupes de Bonaparte lors de l'expédition d'Egypte : altérés par une soif ardente et manquant d'eau, les soldats voyaient se réfléchir les palmiers et les pyramides lointaines sur une eau qui, inexistante, s'enfuyait toujours devant eux.

Quand les circonstances atmosphériques s'y prêtent, ainsi que cela se rencontre assez souvent dans les régions polaires et plus rarement sous nos latitudes, le mirage peut être inversé et montrer une image renversée aérienne de l'objet qui lui donne

naissance. La figure 7 explique suffisamment la marche et la réflexion totale du rayon lumineux dans ce cas, et la figure 8 montre la reproduction exacte de deux mirages, dont Tun a été observé par l'auteur en 1898, dans l'Atlantique, entre l'embouchure de la Loire et Belle-Ile.

C'est sans doute à un effet de mirage renversé que sont dues ces curieuses illuminations que semble subir la haute atmosphère quelque temps après le coucher du Soleil, et qui forment un véritable « postcrépuscule », si je puis risquer ce néologisme. Si, au moment où Tastre se couche, un jour où l'horizon

FiG. 8. — Apparences de mirages observées en mer.

(A) Mirage direct observé à l'embouchure de la Loire.

(B) Mirage inverse observé dans les mers polaires.

de l'Est est chargé de nuages, on observe ceux-ci, voici les apparences successives qu'ils présentent : au moment où le Soleil vient de disparaître, les nuages, éclairés un instant auparavant par les rayons rougeâtres du couchant, deviennent assez rapidement sombres; mais environ 15 à 20 minutes après la disparition du disque lumineux, le sommet des nuages s'éclaire derechef, et cette fois d'une magnifique teinte pourprée.

Si l'on réfléchit qu'il y a, dans la haute atmosphère, une couche qui présente, comme nous le verrons dans un chapitre ultérieur, le phénomène de 1' « inversion » de température, il serait naturel d'attribuer

l'optique de l'atmosphère 83

à la réflexion totale, sur cette couche, le retour des rayons du Soleil disparu vers les nuages inférieurs plus voisins de la Terre. Ce serait une explication simple. On en a proposé d*autres : Téminent astronome H. Deslandres, directeur de l'Observatoire d'astrophysique de Meudon, fait intervenir, pour donner la raison de cette luminosité spéciale de la haute atmosphère après le crépuscule, les rayons ultra-violets qui en exciteraient la fluorescence.

Quoi qu'il en soit, c'est là un « problème de Tatmosphère » de plus à résoudre. Il exigera de nombreuses mesures de température à l'aide de ballonssondes. Nous pouvons être certains qu'il sera résolu quelque jour.

Disons enfin que c'est à des mirages complexes et à des réflexions totales multiples qu'il faut attribuer les apparences analogues à celles de la Fata morgana du détroit de Messine, et autres semblables, dont la légende s'est emparée , au moins autant que la Science, pour satisfaire au besoin d'extraordinaire que ressent notre curieuse humanité. Parfois des couches d'air de densités diff'érentes superposées peuvent donner lieu à une réfraction importante, mais sans, toutefois, présenter la réflexion totale : lès images aériennes seront donc droites et non renversées et les objets paraîtront relevés en l'air; souvent leurs dimensions verticales paraissant ainsi accrues, l'impression que produira leur image est qu'ils se sont rapprochés de nous : ce sont alors des suspensions. Ainsi, on a pu parfois, de Dieppe, apercevoir la côte anglaise, bien qu'elle soit cachée par la sphéricité de la mer. On a pu, de Schlestadt voir le clocher de la cathédrale de Strasbourg illuminé un jour de fête pubUque, et qui, malgré la distance de 45 kilomètres, semblait énorme et placé à 2 kilomètres environ. Ainsi s'expliquent aisément les récits, souvent authentiqués et sincères, d'apparitions lointaines de villes

vues dans les airs : ce sont des phénomènes de suspension.

Quant aux récits d'apparitions de batailles vues de de loin dans les airs, ils pourraient s'expliquer de cette manièrç, si le fait qu'ils furent jamais signalés qu'après l'événement ne devait les faire classer dans le domaine de l'imagination bien plus que dans celui de la Science.

Il est encore un phénomène bien curieux, qui fut longtemps inexpliqué, et observé assez rarement pour avoir même été mis en doute : c'est ce rayon autour duquel Jules Verne qui, à travers les fusées de son étincelante fantaisie, laissait toujours percer une étonnante prescience de la découverte, a fait mouvoir les personnages d'un de ses romans : je veux parler du Rayon vert.

Le fait, énoncé dans le début du livre est le suivant : Quand on voit le Soleil se coucher au-dessus de l'horizon de la mer, par un ciel exceptionnellement transparent et par une atmosphère absolument tranquille, si Ton suit des yeux l'astre, devenu rouge foncé à mesure qu'il paraît s'enfoncer sous les flots, on voit son disque, aplati par la réfraction, se réduire de plus en plus, et n'être plus qu'un imperceptible segment de cercle. Mais, au moment où ce segment, réduit à un point lumineux, va disparaître à son tour, le dernier rayon de lumière qu'il envoie à notre ciel est vert, d'un vert d'émeraude étincelant, magni* fique, qu'il faut avoir vu pour en comprendre la pureté. De plus, le moindre trouble dans l'atmosphère, la moindre nébulosité en empêche la manifestation. Ajoutons enfin que, si l'observation du « rayon' vert » a surtout été faite au bord de l'Océan, nombre de personnes ont pu, cependant, en constater l'existence en montagne, quelques-unes même au lever du Soleil. C'est alors le premier rayon envoyé

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par l'astre au-dessus de l'horizou qui parait d'un magnifique vert émeraude, à conditiou que la ligne d'horizon soit nette et bien tranchée. El si l'on a surtout pu l'observer au coucher de l'astre, c'est que les observateurs ne sont pas toujours d'un tempérament assez matinal pour l'observer à son lever, et que, même dans ce cas, on ne ronnait pas exactement le point de l'horizon au-dessus duquel va jaillir la verte mais fugitive lueur.

Od a cherché à expliquer cette coloration ultime du dernier rayon solaire par son passage à travers une

crête de vagues qui lui aurait communiqué la coloration propre de l'eau; mais l'explication ne tient plus, soit quand le phénomène s'observe par mer absolument plate, par « mer d'huile o, soit quand il s'observe au-dessus d'un horizon terrestre. On a invoqué ,ie contraste visuel entre la dernière couleur rouge reçue du disque déclinant de l'astre, et l'impression physiologique de la couleur complémentaire, le vert, que devrait ressentir notre œil : mais alors le phénomène devrait être observable tous les jours. C'est et la « dispersion » atmosphérique •.r la cause de ce joli phénomène,

comme l'a ingénieusemenl expliqué le professeur Houllevigue. La lumière du soleil, lumière blanche comme impression résultante, est, en réalité, formée d'une infinité de composantes dont les couleurs du spectre sont les repères principaux. Quand un rayon complexe de lumière solaire, S (fîg. 9), pénètre dans les couches successives de l'atmosphère, chacune des radiations qui la composent est réfractée d'une façon différente, d'après la valeur de l'indice de la

FiG. 10. — Le « Ravon vert ».

couche traversée par la lumière qui la constitue. Le trajet des rayons rouges, SRR'R", sera donc différent de celui des rayons violets, SVV'V. Les rayons verts seraient compris entre ces deux rayons extrêmes, les rayons violets étant les plus réfractés.

Mais, si le Soleil est déjà au-dessous de l'horizon MTH (fig. 10), horizon déterminé par le plan tangent mené de l'œil de l'observateur M à la surface de la mer, au moment où les rayons verts VV'V'T arrivent à l'œil, les rayons rouges et jaunes, RR'R", situés au-dessous des premiers sont arrêtés en par la Terre elle-même. Quant aux rayons bleus et violets, BB'B" qui, placés au-dessus du vert, devraient arriver à l'œil, ils sont arrêtés dans la partie ultime de leur trajet par la couche inférieure de l'atmosphère qui,

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riche en vapeur d'eau, les arrête au passage, comme BOUS rayons vu au commencement de ce chapitre. C'est même pour cela que le rayon s'observe mieux que partout ailleurs au-dessus de l'horizon de la mer, dont la masse liquide fournit à la couche d'air surjacente la dose de vapeur nécessaire à cette absorption. J'ai eu personnellement l'occasion de voir deux fois ces rayons verts, au cours de croisières à bord de la Caroline, Une fois j'étais seul à l'observer, mais la jBeconde fois, au retour d'un voyage à Belle-Ile-en- Mer, à la fin du mois d'août 1896, tous les passagers du yacht en furent les spectateurs émerveillés.

Ainsi, nous savons ce qu'est le « rayon vert », et si ce rayon a constitué, pendant un temps, un petit « problème de l'atmosphère », du moins est-ce un problème résolu.

Un autre phénomène atmosphérique, phénomène qui affecte la vision des objets éloignés, doit être rattaché à la réfraction par les couches d'air : c'est celui que les physiciens appellent le trouble optique.

Tout le monde a remarqué cette ascension de l'air autour d'un tuyau de poêle chaud ; le gaz, chauffé au contact de la tôle, monte le long de celle-ci, c)iassant l'air froid qui s'y trouve, de sorte qu'il se fait un mélange permanent de deux gaz inégalement réfringents parce qu'ils sont inégalement denses; et le profil du tuyau semble vaciller de droite à gauche, se déformer par instants, et cela tant que réchauffement persiste : c'est en cela que consiste le « trouble optique » quand, au lieu de se produire dans une chambre autour d'un poêle chaud, le mélange de l'air chaud et de l'air froid se produit naturellement audessus d'un sol surchauffé.

On l'observe admirablement sur les grandes plaines brûlées par le Soleil : on voit alors l'horizon qui semble parcouru par de véritables vagues ondulant

les unes à la suite des autres : ce sont les successions de masses d'air inégalement chaudes <ïui, réfractant de façon différente les rayons visuels, et se déplaçant perpétuellement par convection, produisent cette déformation et cette ondulation apparente de Thorizon. Le phénomène s'observe également au-dessus de rOcéan, pendant les grandes chaleurs de Tété, surtout quand Tobservateur est peu élevé au-dessus du niveau de la mer.

Le trouble optique est analogue à ce « trouble » qui se produit dans un verre d'eau pure quand on y ajoute un autre liquide, comme de Teau préalablement sucrée, avec lequel il ne se mélange pas instantanément. Les filets liquides formés de Tune ou de Tautre substance n'ont pas le même indice de réfraction; tant qu'ils sont en présence les uns des autres sans s'être intimement mélangés, ils réfractent individuellement la lumière, chacun à sa manière, et de ces réfractions irrégulières et nombreuses résulte une sorte de chaos qui empêche toute vision nette à travers l'ensemble des deux liquides.

C'est ce qui se produit dans le mélange des couches d'air inégalement chaudes. Ce trouble optique n'eût jamais été une grosse « question de l'atmosphère » car il fut élucidé sitôt que découvert, s'il n'avait servi à expliquer un des phénomènes restés longtemps mystérieux en astronomie, je veux parler de la seiniillation des étoiles.

Les étoiles — tout le monde a pu l'observer — n'ont pas un éclat constant, mais perpétuellement variable : elles paraissent lancer des feux comme un diamant réfléchissant des lumières sur ses facettes multiples, et la lumière semble, de ce fait, un peu tremblante, alors que les planètes envoient une lumière parfaitement régulière et fixe. C'est la scintillation. Cette scintillation peut même s'accompagner de variations dans la couleur, variations qui se font

l'oftiqub de l'atmosphère 89

également par soubresauts, quand Tétoile est voisine de rhorizon et envoie à Tœil des rayons qui ont dû effectuer un long trajet dans les couches basses de Tatmosphëre.

La scintillation est due au trouble optique de Tair, dont les couches inégalement réfringentes et toujours en mouvement impriment au rayon lumineuse qui nous vient de l'étoile une « danse » perpétuelle, qui fait que Tétoile semble scintiller sans interruption, donnant ainsi Timpression d'une continuelle variation d'éclat.

Cela n'a pas lieu pour les planètes, parce que celles-ci, plus rapprochées de nous, ont un « diamètre apparent » : on le voit quand on les observe au télescope, dans le champ duquel elleg apparaissent comme des petits disques lumineux, d'autant plus grands que le grossissement de l'appareil est plus fort, alors que étoiles ne sont jamais vues que comme des pointSy quel que soit le grossissement du télescope employé. Les planètes ayant ainsi l'apparence de petits cercles lumineux, il en résulte que les scintillements de tous les points de leur disque se superposent pour donner une image circulaire de clarté uniforme et dont les bords seuls pourraient présenter une légère variation de netteté et d'éclat. Les étoiles, au contraire, toujours vues comme de simples points sans dimension apparente, scintillent toujours; et, quand par surcroit elles sont près de l'horizon, il se produit dans leur apparence des changements de coloration, qui prennent naissance par ce même mécanisme de l'inégale réfraction de leurs divers rayons, mécanisme sur lequel nous avons insisté à propos dû « rayon vert »•

Ce qui démontre la justesse de cette manière de voir, c'est que des sources lumineuses artificielles peuvent « scintiller », elles aussi, bien qu'elles soient, par nature, absolument fixes, à condition d'être vues

à travers des couches d'air présentant les caractères nets du trouble optique.

Par exemple, il m*est souvent arrivé, pendant les soirs d'été, au moment où s'allument les phares le long de nos côtes, d'apercevoir le phare de la Banche, au large du Croisic, comme une lueur absolument scintillante. Or, la source lumineuse de ce phare, construit suivant les données de Fresnel, est une lampe à huile dont la lumière est rigoureusement fixe et constante. Mais les rayons émis par cette lampe ne parviennent à l'œil qu'après avoir, pendant un long parcours, traversé les couches inférieures de l'atmosphère, c'est-à-dire un milieu présentant le trouble optique. Il en est de même du phare des Grands-Cardinaux, devant l'île d'Hœdik.

Enfin, dans certaines conditions atmosphériques, quand il y a à la fois mouvement horizontal des masses d'air le long d'un sol surchauffé, et mouvement vertical de ces masses gazeuses, le trouble optique peut prendre une telle importance, qu'il met un obstacle complet à la visibilité des objets, non seulement des objets lointains, mais encore des objets assez rapprochés de nous. Cela se produit d'une façon encore plus accusée si des poussières flottent dans l'air et s'y échauffent en absorbant les radiations calorifiques du Soleil. Chacun de leurs grains causé ainsi un petit trouble optique local, comme le tuyau de poêle dont nous parlions précédemment. Alors l'air est complètement troublé, les objets ne se voient qu'à courte distance et avec des contours confus, bien que l'atmosphère ne présente aucune trace de condensation de vapeur d'eau : c'est ce qu'on appelle le brouillard sec.

On observe souvent, dans l'air, des météores lumineux dont quelques-uns sont d'une incomparable

l'optique de l'atmosphère 91

beauté : ce sont Varc-en-ciely les halos et les couronnes.

L'explication de Tarc-en-ciel fut longtemps un problème pour les physiciens : il appartenait au génie de Descartes d'en donner l'explication, sinon « quantitative », du moins « qualitative », en lui appliquant les lois de la réfraction dans les milieux liquides, lois qu'il venait d'énoncer. Ainsi fît Newton pour le phénomène des marées dont il expliqua la cause, le mécanisme général et les variations, laissant à Laplace et à lord Kelvin le mérite de pouvoir, plus tard, résoudre le problème en détail.

Ce fut le physicien anglais Airy qui, en 1831, donna la théorie complète de l'arc-en-ciel avec toutes ses particularités. Il n'est pas dans le cadre de ce petit livre de donner cette théorie : le lecteur curieux de l'approfondir la trouvera développée en entier dans le magistral Traité d'Optique de Mascart. Nous nous bornerons à en indiquer ici seulement les grandes lignes.

Rappelons d'abord l'aspect du phénomène. L'arcen-ciel s'observe quand le Soleil brille par temps de pluie : l'observateur, tournant le dos au Soleil voit dans la partie pluvieuse du ciel un ou plusieurs arcs de cercle colorés^ concentriques, et dont le centre serait sur une ligne droite passant par le Soleil et par l'œil de l'observateur.

Dans la plupart des cas, l'arc-en-ciel consiste en un are de cercle, qui semble posé sur l'horizon. Il a une épaisseur appréciable : les couleurs s'y succèdent dans l'ordre classique résumé par le célèbre alexandrin :

Violet, indigo, bleu, vert, jaune, orangé, rouge,

et le violet est à l'intérieur de l'arc, le rouge à l'extérieur. Les cônes ayant comme sommet commun l'œil du spectateur et comme bases respectives les arcs violet et rouge ont comme angles au sommet environ 42° et 40^, dont la valeur moyenne est 41°.

92 LES PROBLÈMES DE l'j

Souvent, autour de cet arc et concentriquemeat à lui, on en observe un second, moins éclatant, etdont les couleurs sont disposées en sens inverse, c'est-àdire le rouge à l'intérieur et le violet à l'extérieur : les rouges des deux arcs sont donc en regard I'uq de l'autre. Le cône ayant ce deuxième arc pour base et pour sommet le deuxième arc aurait un angle au sommet moyen de 52°. Enfin (mais bien plus rarement) on observe à l'intérieur de l'arc de 41" et à l'extérieur de celui de 52' des « arcs surnuméraires »

formés" de bandes alternées vertes et violettes, généralement très peu visibles, à cause de leur très faible éclat.

C'est à la réfraction des rayons solaires à travers les gouttes de pluie qui les décomposent en leurs radiations simples, qu'est dû le phénomène de l'arcen-ciel. Si un rayon solaire SI rencontre une goutte sphérique de pluie (fig, H), 11 y pénètre en se réfractant suivant lA. Si l'angle d'incidence a sous lequel il a pénétré dans la goutte a une valeur convenable, dépendant de l'indice de réfraction de l'eau, le rayon lA rencontrera la sphère, en A, sous un angle tel que sa sortie sera impossible, et il subira le phénomène

l'atmosphère 93

viendra donc en AI' et sorine direction l'R qui, pro- Q B le rayon primitif. Od le comme si celui-ci avait, lé d'un angle de déviation ses pas.

lée par les deux réfraction»

A varient aussi : le calcul 5rifie que cette déviation itour duquel elle varie très on minimum n'est pas la liations, les rayons émer- ,tes se répartiront donc sur

y a, par conséquent, une r un petit cercle, tels que 11 pour une couleur déteritués sur des cercles très espondront à la déviation as couleurs.

t déviation minimum doit 140° pour le violet, ce qui de 139°. Les angles corail 42° et 40°, dont la valeur

ES PROBLÈMES DB l'aTHOSPBËBE

movenne est 41*. C'est donc sur la nappe d'an cAne dont l'angle au sommet serait 41", et avaDt pour aie la ligne allaot du Soleil à l'œil H de l'obeervatenr, que I OD verra se dessiner cet arc lumineux et coloré dont, par consëqueot, l'amplitade dans les condiliODS les plus avanlag'cuses, ne pourra jamais dépasser une demi-conférence pour un observateur placé sur le sol. Seuls, les aéronaates et les aviateurs pourraient voir un arc plus étendu, allant même jusqu'à la circonférence entière.

Quant au second arc-en-ciel, il est produit par la

sortie des rayons réfractés et dispersés qui ont subi deux réflexions totales à l'intérieur de la goutte de pluie, comme montre la figure 13. Le croisement des deux rayons réflécliis totalement à l'intérieur de la goutte fait que les couleurs sont inversées. Le calcul montre qoc les ddviations minima pour les couleurs extrêmes ont pour valeurs respectives 126 et 130°. Leurs compléments sont 50° et 54°, dont la valeur moyenne est 52°. C'est donc sur un cône ayant comme axe le rayon solaire aboutissant à l'œil de l'obserïatcur placO en M et ayant comme angle au sommet 52° que l'on verra le second arc-en-ciel, à couleurs inversées.

En ce qui concerne les « arcs surnuméraires " à

l'optique de l'atsi^sphère 95

bandes vertes et violettes, avec, très rarement, une bande jaune, arcs que Ton observe exceptionnellement à Textérieur du premier arc et à Tintérieur du second, ils sont dus à la diffraction.

On voit, d'après ce court résumé de la théorie, que Farc-en-ciel ne peut pas être visible quand la hauteur du Soleil au-dessus de Thorizon est supérieure à 42°. Dès que là hauteur de Tastre dépasse cette valeur, tout le premier arc est au-dessous de l'horizon et n'est visible que pour les navigateurs de Tair. Il en sera de même pour le second arc, qui cessera d'être observable quand la hauteur du Soleil dépassera 54°. Gela impose à l'apparition de l'arc-en-ciel des conditions qui dépendent à la fois de la latitude et de la saison. A Paris, par exemple, au cours de Tété, le Soleil étant trop élevé au-dessus de l'horizon au milieu de la journée, Tarc-en-ciel n'y sera visible alors que le matin et le soir, tandis qu'au voisinage du solstice d'hiver on pourra l'observer toute la journée. Dans les localités situées entre les tropiques, et au-dessus desquelles le Soleil passe au zénith, ce n'est que dans les premières et les dernières heures du jour qu'on pourra voir le premier arc.

Une expérience des plus instructives est la reproduction artificielle de l'arc-en-ciel : il suffît pour cela d'un simple jet d'eau que l'on regarde en se plaçant entre le Soleil et la nappe des gouttelettes d'eau qui retombent. La grande proximité des gouttes rend alors le phénomène particulièrement éclatant, et si l'on peut avoir un dispositif permettant de faire varier à volonté la grosseur des gouttes, on constatera des différences d'aspect assez caractérisées entre les arcs obtenus successivement avec des gouttes de grosseurs différentes.

La théorie de la diffraction indique, en effet, comme l'a montré le U^ Pernter, que la grandeur des arcs

principaux dépend de la dimension des gouttes de pluie, à tel point que Taspect de Tare permet, d'après les travaux du savant allemand, de connaître la dimension de ces gouttelettes. Ainsi, un arc-en-ciel à large bande rouge et dépourvu d'indigo, correspond à des gouttes de 1 à 2 millimètres de diamètre; un arc à bande rouge faible contenant peu de jaune, est dû à la réfraction par des gouttes de 1/2 millimètre de diamètre. Enfin les arcs surnuméraires contenant une bande jaune visible proviennent de gouttelettes de 1/3 de millimètre, et l'arc-en-ciel tellement pâle qu'il semble incolore, « l'arc-en-ciel blanc », témoigne de l'existence de gouttelettes dont le diamètre est inférieur à 1/10® de millimètre.

On voit donc combien il serait illogique de n'attribuer aucune importance à l'observation de l'arc-en- €iel : d'abord, par la présence du Soleil, présence nécessaire à sa production, il nous annonce généralement la fin de la pluie : post nubila Phœbus. Ensuite, il nous apporte un renseignement précieux sur la grosseur des gouttes liquides. Si donc l'origine du météore est connue, du moins son étude sera-t-elle, sans doute, encore assez féconde pour mériter d'être sérieusement poursuivie.

Quand les rayons solaires se réfléchissent à la surface d'une eau calme, ils cheminent comme s'ils provenaient d'une image du Soleil symétrique de Tastre par rapport à la surface liquide. Ils peuvent donc donner naissance aux deux arcs-en-ciel de la théorie. Suivant la hauteur du Soleil, ils peuvent même couper les arcs directs.

Les marins ont été souvent témoins de ce curieux phénomène. Monge en cite un cas remarquable où les quatre arcs étaient absoluments distincts, et Halley a observé plusieurs fois ces arcs multiples à Chester, par suite de la réflexion de l'image du Soleil sur la rivière de Dee- Quand le Soleil est ussez élevé au-

juJL

l'optique de l'atmosphère 97

dessus de rhorizon, il peut arriver que Tare coloré produit par son image réfléchie forme un cercle entier. Si, alors, la partie supérieure de ce cercle vient à manquer, il n'en reste que la partie inférieure visible, formant ainsi l'apparence observée plusieurs fois, d'un arc-en-ciel renversé.

L'arc-en-ciel, nous venons de le voir, est dû au jeu de la lumière sur les gouttes d'eau liquides qui se trouvent dans l'atmosphère. Il n'est pas le seul météore qui soit dû à l'action de gouttelettes sphériques sur les rayons lumineux : il est un autre phénomène qui provient d'une cause analogue, ce sont les couronnes.

Ces couronnes sont des cercles colorés qui apparaissent autour du Soleil ou de la Lune, et qui sont très voisins de l'astre quand, entre l'œil de l'observateur et la source lumineuse, s'interpose un nuage peu épais et formé de gouttelettes très fmes. L'éclat du Soleil en empêche généralement la visibilité, alors qu'autour de la Lune elles sont plus visibles et plus nettes. Ces cercles sont colorés en violet à l'intéçieur et en rouge à l'extérieur. Il est très rare qu'on en voie plus de deux. C'est la diffraction des rayons lumineux par les gouttelettes des nuages interposés qui produit le phénomène.

La théorie mathématique de la diffraction nous dit que, si les gouttelettes sont toutes de même diamètre, le rayon de chaque anneau est proportionnel à la longueur d'onde de la lumière diffractée, et en raison inverse de la grosseur des gouttes. Donc, dans le cas de la lumière blanche qui est composée, les anneaux doivent être de petits arcs-en-ciel, si les gouttelettes sont d'égales dimensions. Mais si elles sont de grosseurs différentes, elles donnent naissance à une série d'anneaux qui, en superposant leurs couleurs, donnent simplement une résultante blanche qui constitue autour de la Lune ou du Soleil, non plus

une « couronne » colorée, mais simplement une « auréole » laiteuse. Ajoutons qu'on reproduit aisément le phénomène des couronnes en observant une lumière à travers une glace de verre sur laquelle, par condensation de Thaleine humide, on a déposé une buée de gouttelettes fines.

Quoi qu'il en soit, couronnes ou auréoles sont, pour le météorologiste observateur, de précieuses indications : ils indiquent la présence de nuages légers dans l'atmosphère, et, par leur aspect, permettent de supputer la grosseur des gouttelettes qui les constituent

Avec les ^a/os, nous étudions des météores lumineux dans la formation desquels n'intervient plus ^ l'eau à l'état liquide, mais l'eau à l'état solide. Les halos sont, en effet, dus à la réflexion et à la réfraction de la lumière du Soleil ou de la Lune par les cristaux de glace qui constituent certains nuages comme les cirrus.

Ces cristaux de glace, appartenant tous au système hexagonal, se présentent, ou sous la forme de prismes allongés, ou sous la forme de prismes aplatis, ou sous la forme d'étoiles également plates. A cause de la résistance de l'air, les prismes allongés tombent verticalement, tandis que les prismes aplatis ayant, à une échelle très réduite, la forme des carreaux hexagonaux rouges dont on se sert pour carreler les cuisines, tombent par leur tranche; il en est de même des étoiles. Ces parcelles de glace, dont tous les angles dièdres sont de 60° ou de 120°, ont donc, dans leur chute, des positions préférées, et, par suitQ, il en résulte qu'elles réfléchissent ou réfractent la lumière suivant certaines directions avantagées par rapport aux autres. L'indice de réfraction de la glace étant 1, 3, on voit que tout rayon entré par réfraction dans un prisme de glace y subira la réflexion totale, dès que l'angle des prismes dépasse 99° 1/2; c'est donc le cas

l'optique de l'atmosphère

pour les faces des prismes de glace, inclinées les unes sur les autres d'un angle de 120°. Dans les étoiles à an^es aigus de 60°, au contraire, la réfraction est possible, ainsi que sur les prismes de 90° formés par la base et les faces latérales.

L'aspect des halos est des plus beaux que l'on puisse imaginer, tout en étant, en même temps, d'une complexité assez grande. La figure 14 montre schémati-

FiG. 14. — Apparence d'un halo complet.

quement l'apparence du phénomène dans le cas où il est complet, ce qui est rare. C'est surtout dans les régions polaires qu'on peut l'apercevoir ainsi : le Soleil, bas sur l'horizon, a moins d'éclat, et masque moins les détails du météore; de plus, les nuages formés d'aiguilles de glace s'y trouvent plus près de la Terre et facilitent la formation du phénomène.

S est le Soleil et autour de lui est le halo ordinazreHH. C'est un cercle lumineux, coloré en rouge à l'intérieur, rouge bordé d'un estompage de jaune. Le diamètre apparent de ce halo est d'environ 22°; son origine est dans la réfraction de la lumière par des

cristaux de glace orientés dans toutes les directions possibles, quand cette réflexion se fait par des prismes d'indice 1, 3, et d'angle au sommet 60®. Le minimum de déviation de ces prismes, avec l'indice de la glace, est, en effet, de 22° : c'est donc à 22** ou plus que sera renvoyée la lumière qui les traverse.

Autour de ce premier cercle est le grand halo H^Hi, d'un diamètre à peu près double (45°), correspondant à la réfraction par des prismes rectangulaires. Les couleurs, plus nettes que dans le halo ordinaire, y sont cependant moins vives.

On observe ensuite le cercle parhélique, horizontal, AA, formé par le Soleil : c'est une longue bande blanche, sur laquelle se voient deux taches lumineuses S^So, colorées en rouge et vert, le rouge tourné vers le centre du halo, le vert en dehors : ce sont les parhélies; ils sont dus à la déviation minimum dans des prismes à angle de 60**, et à arêtes verticales ; quand les rayons subissent deux déviations, ils donnent naissance aux parhélies secondaires S^ S^, plus pâles, et un peu en dedans du grand halo.

On a, ensuite, Varc circumzénithal ZZ, Varc tangent supérieur KK et inférieur TT, ces deux derniers pour des hauteurs particulières de soleil ; ces deux arcs peuvent se reunir et former une ellipse circonscrite au halo principal H. Enfin on observe des arcs tangents infralatéraux LL. Tel est le phénomène dans le cas de sa complexité maximum.

C'est une belle page de la physique que la théorie des halos : Verdet l'a exprimée avec une grande clarté et le D*" Pernter l'a, peut-on dire, mise au point définitivement.

Ces halos peuvent se produire autour de la Lune : dans ce cas, les parhélies s'appellent des parasélènes.

Les halos manifestent la présence, dans l'atmosphère, de nuages formés d'aiguilles de glace, comme les cirrus; et, comme ces nuages sont généralement

l'optique de L'AT^Oâf^HÊBTE ' iO-l

annonciateurs de mauvais tempé/H-éa TésuU^ifjïwr'lQ/^ halo ^annonce également. Son apparition est importante la nuit autour de la Lune, car les cirrus sont peu visibles sur l'obscurité du ciel. Quand on les observe dans nos climats, on ne voit guère que le halo principal. En tout cas, jamais le halo ne peut être confondu avec un arc-en-ciel, car celui-ci est toujours à l'opposé du Soleil, tandis que le halo a le Soleil à son centre.

11 est enfin une dernière propriété optique de l'atmosphère sur laquelle il est bon d'insister : négligée jusqu'ici par la plupart des météorologistes de cabinet, elle n'est même pas étudiée dans les ouvrages qui traitent de cette science. Et cependant elle est, comme nous le verrons, d'une importance très grande et qui se manifeste de plus en plus : je veux parler de la polarisation de r atmosphère.

On sait que, lorsqu'un rayon de lumière, émanant d'un centre lumineux par lui-même, parcourt un milieu homogène sans rencontrer d'obstacle, il pré-, sente de tous les côtés les mêmes propriétés : si nous le supposons vertical, par exemple, il n'y aura aucune différence dans ses propriétés du côté du Nord, du Sud, de l'Est, de l'Ouest, en un mot, dans deux azimuts quelconques. La lumière qui forme un tel faisceau est de la lumière naturelle.

Mais quand ce faisceau a rencontré des obstacles, s'est réfléchi, a traversé des milieux cristallisés, il présente ensuite généralement des propriétés différentes sur ses divers côtés. Par exemple, si on le fait tomber obliquement sur un miroir de verre et qu'on fasse tourner ce miroir autour des rayons en ayant soin de ne pas faire varier l'angle d'incidence, l'intensité du faisceau réfléchi change en même temps que le côté auquel se présente la surface du miroir. Les propriétés des' rayons ainsi polarisés sont toutes rela-

102' - ILES 'PâofelÈ^IES DE l'atmosphère

.•'\Çtô8 Jtifes' chàfigôînents d'intensité ou à des modifications de couleurs. Avec des appareils spéciaux appelés polariscopes, on cherche dans quelle direction se trouvent et le maximum et le minimum d'intensité des rayons. La description et la théorie de ces appareils se trouvent dans tous les traités de Physique.

Gela posé, l'atmosphère, qui contient des particules en suspension et dont les constituants mêmes sont formés de molécules matérielles, doit présenter le phénomène de la polarisation, les rayons lumineux qui rencontrent les sphérules qui y sont suspendues étant réfléchis par elles. Arago a découvert que la lumière qui nous arrive de l'atmosphère n'est pas, en effet, de la lumière naturelle, mais bien de la lumière polarisée. On prend un polariscope et, quand on s'écarte du Soleil dans le plan vertical qui passe par cet astre et par l'œil de l'observateur, on ne tarde pas à constater les signes de polarisation qui vont en augmentant jusqu'à environ 90° du Soleil, puis diminuent pour devenir nuls vers 150°. Le point du plan vertical où la polarisation est nulle s'appelle le point d* Arago. Babinet a reconnu l'existence d'un second point neutre à environ 17^ du Soleil : c'est le point de Babinet; enfin, Brewster en a connu un troisième situé vers 8° 30', mais très difficile à observer.

Quand, avec un polariscope, on part du Soleil pour arriver à 150° de l'astre, au point d'Arago, le plan de polarisation est dans le plan vertical du Soleil, ce qui montre que la lumière atmosphérique est réfléchie. Au delà du point neutre, la lumière est de nouveau polarisée, mais dans un plan horizontal, cette fois, Arago, Biot et Forbes attribuent cette polarisation, qui reprend au delà de 150°, à une double réflexion subie par les rayons solaires. En effet, la lumière atmosphérique provenant d'une seule réflexion émane d'une sorte de calotte illuminée qui envoie des rayons vers •une molécule d'air considérée à part et cette molécule

l'optique pE l'atmosphère 1,03

les réfléchit en les polarisant. C'est surtout des parties de Tatmosphère voisines de Thorizon que viennent les rayons qui, après une seconde réflexion, passent par Fœil de Tobservateur. On peut donc regarder ces rayons comme partant d'un anneau horizontal, de manière que le plan de polarisation, à la seconde réflexion, soit lui-même sensiblement horizontal. Près de rhorizon et à Topposé du Soleil, les rayons polarisés horizontalement l'emportent sur ceux qui sont polarisés verticalement après une seule réflexion; ces deux sortes de rayons sont égaux au point neutre, puis les derniers l'emportent quand on se rapproche du Soleil.

Quant aux points neutres de Babinet et de Brewster, il semble qu'on puisse expliquer leur existence par les rayons qui, traversant directement l'atmosphère, sont polarisés par réfraction dans un plan horizontal et contre-balancent ceux qui sont polarisés par réflexion. Entre les deux points de Babinet et de Brewster, on devrait donc observer de la lumière polarisée par réfraction, si l'éclat de l'astre ne rendait presque impossibles les observations si près de lui.

La présence de quelques nuages suffît pour déplacer les points neutres et modifier l'état de polarisation que nous venons de décrire et il n'y a pas de trace de lumière polarisée quand le ciel est entièrement couvert.

Les récentes observations des poussières volcaniques qui ont été lancées au commencement de juin 1912 par l'éruption du volcan^ Katmai , dans ^Alaska, ont été rapprochées par M. Herbert H. Kimball, des brumes anormales qui, pendant tout le mois de juin, couvrirent l'Europe, le nord de l'Afrique et l'Amérique du Nord. La connexion des deux phénomènes fut établie par les mesures de l'intensité de la radiation solaire et celle de la proportion de lumière

104 tES PROBLÈBiES DE l'aTMOSPHÈRE

polarisée dans Tatmosphère : en même temps que baissait l'intensité de la radiation solaire, on voyait diminuer la proportion de lumière polarisée. Déjà, dans des circonstances antérieures, en 1903 et en 1907 notamment, on avait remarqué le parallélisme frappant qu'il y avait entre la radiation solaire et la proportion de lumière polarisée pour se tenir très nettement au-dessous des valeurs normales : il en a été de même en 1912 et d'une manière encore plus caractéristique.

Mais . en suivant le phénomène dans ses détails, on voit la corrélation se manifester par d'autres effets : ainsi, ces périodes de décroissance dans l'intensité de la radiation solaire sont accompagnées et suivies d'un accroissement très net de la distance angulaire qui sépare le Soleil du « point d'Arago » ; il en est de même pour celle du Soleil au « point de Babinet », et la position de ce dernier est plus affectée que la première par les variations atmosphériques. Ainsi se trouve confirmée cette proposition de Janssen,que les modifications occasionnées par une brume sur la couleur, et pour la lumière solaire directe, et pour la lumière diffuse du ciel, jouent un rôle important dans les changements de position des points neutres.

L'étude suivie de la position de ces points pourrat-elle, réciproquement, nous renseigner dans l'avenir sur la présence, même invisible autrement, de poussières ténues existant dans l'atmosphère ? La vitesse de ce déplacement pourra-t-elle nous donner des indications sur la vitesse de translation de ces « brumes de la haute atmosphère », de ces sortes de « brouillards secs » ? Mais alors on aurait, à défaut de l'observation d'invisibles nuages, une donnée plus que précieuse relativement aux mouvements qui transportent les masses d'air de ces hautes régions, tant en grandeur qu'en direction, et cette donnée aurait pour la prévision du temps une importance qui n'échappera à

l'optique de l'atmosphère 105

personne et qui sera d'autant plus grande que les progrès de l'aviation vont rendre nécessaire une meilleure connaissance des lois qui régissent les mouvements atmosphériques.

Ainsi tout se tient dans cet admirable mécanisme du progrès qui n'est autre que l'adaptation , par l'homme, des forces et des vérités conquises, à la marche du mécanisme, plus grandiose encore, de la nature qui lui sert de modèle. Et la navigation aérienne , la dernière venue des conquêtes de l'homme, accélérera sans doute les progrès d'une science qui, maintenue un peu trop dans des bureaux, n'a guère été jusqu'à présent qu'Un répertoire de statistiques. Heureusement, maintenant l'élan est donné; des « physiciens » vont s'atteler à la besogne; ils sauront lever la tète au-dessus de leur table et de leurs colonnes de chiffres pour regarder par la fenêtre cette mystérieuse atmosphère qui finira par livrer ses lois à leurs intelligentes et fécondes recherches, et, tandis que nous savons à peine le « comment » de ses vicissitudes, nous en connaîtrons sans doute le « pourquoi » : felix qui potuit rerum cognoscere causas.

Alors, la Météorologie sera une science, au vrai sens du mot.