CHAPITRE XII

L'eau dans l'atmosphère.

Il y a de Teau dans Tatmosphère : tout le monde a pu le constater. La pluie répand sur le sol des masses liquides qui viennent des couches d'air; les gouttelettes de rosée et de brouillards, les brumes, en sont une autre preuve.

Mais indépendamment de cette eau « visible » pourrait-on dire, il y a dans Tatmosphère de grandes quantités d'eau que notre œil ne saurait voir, car elle y est à l'état gazeux, à l'état de « vapeur » ; et cette vapeur, jouissant des propriétés des gaz, ne peut être décelée que par des méthodes et des instruments spéciaux. Son rôle dans la nature est considérable : elle donne, par sa condensation, Teau nécessaire à la vie animale et végétale, indispensable aussi à l'industrie, sous toutes ses formes ; elle est un des principaux facteurs de l'absorption atmosphérique et de l'échaufifement des couches gazeuses inférieures; condensée en gouttelettes, ou cristallisée en aiguilles de glace, elle diffuse, réfracte ou décompose la lumière du Soleil, et, quand des gouttelettes sont groupées en nuages, ceux-ci deviennent les « capacités » où s'accumulent les charges électriques de l'atmosphère, en même temps que, par leur progression, ils nous renseignent sur la direction et l'intensité des vents qui les déplacent. Aussi l'étude de

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rhumidité atmosphérique est-elle une des plus importantes de la météorologie d'observations et de statistiques.

Quant à Tétude « scientifique » de la vapeur d'eau dans ses rapports avec l'atmosphère elle est du domaine de la physique, et comporte encore bien des points obscurs.

Nous n'avons pas à exposer ici en détail cette partie de la physique qui s'appelle l'hygrométrie : les traités élémentaires de météorologie et de physique générale y consacrent les pages nécessaires. Rappelons seulement qu'à chaque température, l'air a une « capacité » définie pour la vapeur d'eau, capacité d'autant plus grande que la température est plus élevée;-à une température donnée, la quantité de vapeur contenue dans l'air est donc limitée : elle peut partir de zéro, avoir une force élastique de plus en plus grande, tout en demeurant à l'état gazeux, jusqu'à ce que cette force élastique atteigne une valeur maxlmum^ déterminée pour chaque température, et au delà de laquelle la vapeur se condenserait : elle est alors « saturante ».

La condensation de la vapeur peut se faire de différentes manières : par le mélange d'une masse d'air avec de l'air plus froid ; par le rayonnement direct de l'air, rayonnement d'ailleurs assez faible et qui ne produit que de faibles quantités d'eau; par la translation de l'air équatorial, très riche en vapeur parce qu'il est plus chaud, sur les pôles où la basse température condense des quantités importantes de sa vapeur; par contact avec de l'eau déjà fournie : pluie, neige ou grêle ; par la détente due à l'ascension « aérostatique )) des masses d'air inférieures échauffées, qui fournissent, en se condensant sur les couches supérieures plus froidesj les plus grandes quantités d'eau, et qui sont l'origine des averses les plus abondantes.

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Gomment se fait cette condensation de la vapeur d'eau en gouttelettes solides? Esl-il une raison physique qui la facilite ou qui la provoque? faut-il faire intervenir, pour en expliquer la formation, Texistence, dans l'atmosphère, d'agents non gazeux?

On sait aujourd'hui, comme conséquence d'expériences probantes, que la condensation exige la présence d'un « noyau » ; les grains des poussières de l'air en constituent d'excellents, et c'est autour d'eux que se dépose tout d'abord l'eau qui forme la gouttelette. Si les poussières font défaut, les centres de condensation n'existent plus, l'air reste « sursaturé » et la condensation ne se fait que moyennant un abaissement de température supplémentaire.

Mais alors interviennent les « ions » : c'est principalement autour des ions négatifs que se fait la condensation : il suffit d'augmenter du quart de sa valeur le volume d'une masse d'air pour provoquer, autour des ions négatifs, la condensation de la vapeur qu'il contient. Vient-on à « surioniser » cet air, soit en y introduisant un fragment de sel de radium, soit en le faisant traverser par un faisceau de rayons X, soit enfin en l'éclairant par de la lumière ultra-violette? Aussitôt le nombre des ions augmente et l'opacité du brouillard formé s'accroît en même temps. Ce n'est pas tout. Si, par une série de détentes produites par augmentation du quart de son volume primitif on débarrasse l'air de tous ses ions négatifs, le brouillard devient de moins en moins visible. Mais il suffit, pour le faire réapparaître, de faire une détente par augmentation de volume d'un tiers, cette fois au lieu d'un quart : alors la condensation se fait sur les ions positifs. Et si nous accentuons la détente en la rendant plus importante, c'est sur les molécules ellesmêmes, devenues noyaux de condensation, que se formeraient les minces gouttelettes d'eau condensée. Dès lors, on conçoit qu'un même mouvement de con-

238 LES PROBLÈMBS DE l'aTMOSPHÈRE

vection de l'air vers le haut puisse donner Ken ii des précipitations plus ou moins abondantes, selon que Patmosphère au sein de laquelle arrive l'air qui monte ainsi sera plus ou moins ionisée, plus ou moins riehe en poussières suspendues.

Ainsi tout, dans la nature, nous montre importance de plus en plus grande des particules isolées : poussières, molécules, ions, électrons; et tout cela se trouve indissolublement lié aux radiations qui traversent Tespace : rayons X, rayons cathodiques, ondes électriques, rayons ultra-violets. 0"^ nous voilà donc loin de cette météorologie statistique dont on s'est contenté jusqu'à présent! et comme les nouvelles conquêtes de la physique npus permettent l'espoir d'avoir quelque jour la clef de Ténigme atmosphérique !

La nature du brouillard, et celle des nuages qui ne sont que des brouillards élevés dans Pair, a été longtemps un «problème de l'atmosphère ». Il était surprenant, en effet, de voir les nuages, incontestablement formés de gouttelettes d'eau, flotter dans l'air, alors que la densité du liquide qui en constitue les sphérules était 800 fois plus forte que celle du milieu gazeux dans lequel elles flottaient. De là à les supposer creuse», analogues à de microscopiques bulles de savon, remplies de vapeur d'eau, il n'y avait qu'un pas, et ainsi tout s'expliquait aisément : chaque bulle, remplie de vapeur d'eau dont la densité est cinq huitièmes seulement de celle de l'air, devenait un petit aérostat, et l'on comprenait sans peine sa sustentation dans l'air. Telle était cette théorie de la constitution « vésiculaire » des éléments des brouillards ; et cette théorie était encore dans l'enseignement en 1870.

Mais, un jour, un curieux eut l'idée d'examiner au microscope une gouttelette de brouillard congelée: il y vit une petite sphère massive de glace et non le petit ballon creux qu'il aurait dû observer si la goût-

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telelte eût été une «vésicule»; de plus, la pression intérieure qu'eût dû avoir la vapeur pour équilibrer la tension superficielle des parois de la bulle était, eamme l'indique le calcul, d' environ un tiers d'atmosphère pour une gouttelette d'un cinquantième de millimètre de diamètre, et cette surpression aurait tôt fait de provoquer, à l'extérieur, la diffusion de l'air inclus dans la vésicule creuse.

Il fallut donc se rendre à l'évidence: les gouttelettes étaient pleines. Alors pourquoi le nuage ûottait-il dans l'air?- tout simplement parce qu'il ne flottait pas; il « tombait » sans cesse ; seulement, . la mécanique de l'atmosphère nous fournit l'explication de cette apparence de suspension, par la résistance que l'air offre à la chute des gouttelettes. Celles-ci, en effet, ont comme diamètre moyen un cinquantième de millimètre environ et leur distance est de cinquante à cent fois plus grande. Or, la force qui tend à faire tomber une goutte est proportionnelle à la masse de matière qu'elle contient, c'est-à-dire au cube du diamètre, tandis que la résistance que l'air oppose à sa cluile est proportionnelle à la surface de la goutte, c'est-à-dire seulement au carré du diamètre au lieu du cube. Dès lors, quand la goutte augmente de diamètre, l'importance de la force qui la fait tomber, c'est-à-dire du «poids», augmente, plus vite que la résistancede l'air : les grosses gouttes tombent donc beaucoup plus vite que les petites. Quand elles deviennent microscopiques, ce qui est le cas des gouttel^tes du brouillard, c'est au contraire l'importance du poids qui diminue tandis qu'augmente celle de la résistance, et les petites gouttes tombent, par suite,' très lentement, tellement lentement qu'une gouttel€4te de 1/50^ de millimètre ne parcourt, en air calme, que 1 centimètre et demi par seconde. Dès lors, le moindre courant d'air ascendant les enlève de nouveau et les einpêche d'arriver à terre.

Ainsi les nuages sont constitués de gouttelettes massives, mais dont la petitesse cause la chute très lente. Elles finissent tout de même par arriver au bas du nuage ; mais, là, Tair plus chaud les vaporise à nouveau; la vapeur qui en résulte remonte àla partie supérieure du nuage où elle se condense derechef. Ainsi ce nuage se défait par en bas et se refait par en haut. Il suffit d*en observer un attentivement pour voir cette incessante déformation qui se traduit par une continuelle altération de son profil. Le nuage n'est donc que le « chapiteau visible d'une colonne de vapeur invisible ».

Je n'ai pas à décrire ici les diverses formes des nuages non plus qu'à parler de leurs hauteurs respectives. Les traités de Physique et de Météorologie élémentaires s'étendent longuement sur ce point de science purement descriptive, mais il est une catégorie de nuages qui nous intéressent tout particulièrement au point de vue des grands « problèmes de Tatmosphère » : ces nuages sont les cirrus. Ayant l'aspect de filaments légers, souvent à peine visibles, les cirrus constituent les « queues dé chat » des marins ; ils sont souvent emmêlés au point de donner au ciel un aspect laiteux continu : on les nomme alors cirro-straius^ et cirro-cumulus quand ils s'étendent en strates parallèles, traces visibles des « ondes stationnaires » de l'air. Certains cirrus ou cirro-stratus atteignent l'altitude de douze kilomètres, altitude que l'on peut aisément mesurer par une opération trigonomélrique faite en deux stations séparées par une distance connue.

Formés d'aiguilles de glace, ils subissent l'action des rayons ultra-violets qui, en raison de l'altitude, les frappent sans avoir subi d'absorption sensible^ et les déchargent de leur électricité négative. Les rayons ultra-violets sont, du reste, de puissants agents d'io-

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nisation de Tair : on comprend donc Téleclrisation intense de ces nuages élevés ; en outre, cette ionisation multiplie les centres de condensation, donc facilite la formation des nuages.

Dès Idrs, toute cause d'accroissement de l'ionisation de l'air sera une cause d'accroissement dans la formation nuageuse, surtout dans les régions élevées. Or, pendant la période où l'activité solaire subit un paroxysme, c'est-à-dire au moment du maximum des taches solaires, l'émission de poussières solaires électrisées est maximum ; l'ionisation des couches supérieures de l'atmosphère doit donc augmenter en même temps. C'est ce que de longues années d'observation ont permis de constater d'une façon très nette: les années de maximum de taches sont aussi celles où le nombre de cirrus passe par un maximum, ainsi que le nombre des aurores polaires. Tous ces phénomènes sont connexes, et ont entre eux un lien étroit : le centre de toutes ces liaisons est le Soleil.

Epaves aériennes flottant dans la haute atmosphère, passivement entraînés par les courants qui la parcourent, les cirrus sont nos principaux agents d'information sur l'intensité et la direction de ces « courants supérieurs » dont la connaissance est si indispensable à l'étude de la circulation atmosphérique. Teisserenc de Bort l'avait bien compris, et avec son illustre collaborateur Hildebrand Hildebrandsson, avait montré l'importance que présente, pour la Physique du globe, l'étude suivie de ces mouvements nuageux. Même pour la prévision du temps à courte échéance, l'observation des cirrus est capitale et fournit à un observateur sagace des signes à peu près certains. Quand ils apparaissent inopinément dans un ciel pur, quand, surtout ils cheminent rapidement et se présentent avec des contours nets, ils sont généralement annonciateurs de mauvais temps, car ils sont le mouvement d'avant-garde, provenant du

déversement par le haut, de masses d'air enlevées par convection au centre d'un mouvement cyclonique important. Le météorologiste français Gabriel Guilbert, à qui Ton doit la rénovation des archaïques méthodes employés jusqu'à lui par les services météorologiques en vue de la prévision du temps du lendemain, a montré le parti qu'on en peut tirer en combinant leur observation avec celles des vents. Si, de plus, on peut combiner ces observations avec celles du baromètre, si l'on a à sa disposition les cartes d'isobares publiées quotidiennement par les services météorologiques des divers pays,, on peut arriver à un pronostic suffisamment exact pour les besoins courants.

Quand les gouttelettes, petites' et isolées, se réunissent en une gouttelette plus grosse, l'influence du poids plus grand l'emporte sur celle de la résistance de l'air proportionnellement plus faible : au lieu de tomber lentement, la grosse goutte tombe vite et arrive au sol avant d'avoir eu le temps de se vaporiser : c'est la pluie.

Mais bien des mystères enveloppent encore la naissance de ce phénomène pourtant si commun. Certes, il n'y a pas de pluie sans nuages préexistants, c^est entendu; incontestablement, c'est de la réuniofi des gouttelettes que proviennent les gouttes plus grosses qui viennent s'écraser sur le sol. Mais quelle est la cause qui fait que ces gouttelettes, primitivement séparées, vont tout à coup se réunir, s'agglomérer en gouttes plus grosses et constituer la pluie? Il est certain que l'électricité qui, par Fionisation de l'atmosphère, joue un rôle important dans la forma- ,tion même des gouttelettes qui constituent le nuage, joue également un rôle dans la réunion de ces gouttelettes en gouttes de pluie plus grosses. Le nuage, étant électrisé, possède une charge d'un certain signe et toutes les gouttelettes chargées d'électricité de même

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sens se repoussent entre elles et « conservent Icura distances ». Mais qu'une déchaîne, brusque ou lente^ provenant d'une source électrique de nom contraire, vienne ramener à l'état neutre noire nuage naguère électrisé : aussitôt sa charge disparaît, la répulsion réciproque de ces gouttelettes constitutives n'existe plus ; elles peuvent donc se réunir, former des gouttes plus grosses et tomber sur le sol.

Cette formation de fortes gouttes ne se fait pas spontanément dans toute la masse .du nuage; elle commence en un point et suit de proche en proche, ainsi que cela se passe dan^ nombre de phénomènes de la nature : la cristallisation, la congélation des sohitions colloïdales, la solidification, par exemple. Il semble qu'il y ait une sorte d' a amorçage » sans lequel le phénomène ne saurait se produire et, une fois cet amorçage réalisé, cela continue dans toute la masse.

Il est, d'ailleurs, un fait d'observation qui vient à l'appui de cette explication de l'origine électrique de la pluie : au cours d'un orage, chaque fois qu'un éclair, en jaillissant entre deux nuages, les décharge et les ramène à l'état neutre, on observe que les gouttes de pluie sont plus grosses; la réunion des gouttelettes a donc été facilitée par la décharge électrique. D'ailleurs, comme tous les phénomènes de la nature sont connexes, ils sont reliés les uns aux autres par des relations, le plus souvent réversibles, de cause à effet. Ainsi la pluie provient de la réunion, sous l'action d'une décharge électrique qui les ramène à l'état neutre, de gouttelettes qui se sont électrisées en se groupant autour des ions répartis dans l'atmosphère; mais, dès qu'elles tombent, les gouttes de pluie vont, comme nous le verrons en étudiant l'origine de l'électricité atmosphérique, se charger positivement en passant entre les molécules gazeuses de l'atmosphère. Les observations de M. Baldit sur la

charge des gouttes de pluie montrent, en effet, que le rapport de la quantité de pluie électrisée positivement à la quantité électrisée négativement est 2,4; la charge positive apportée par la pluie est égale aux 4/3 de la charge négative.

Il est intéressant de constater que la dimension des gouttes de pluie provenant des nuages dépend beaucoup de l'épaisseur de ces derniers. Ainsi, des nuages de moins de 600 mètres d'épaisseur se résolvent rarement en pluie; de 600 à 1.200 mètres d'épaisseur, ils donnent une pluie fine et ce ne sont guère que les nuages ayant plus de 1.200 mètres d'épaisseur qui donnent des gouttes d'eau froides et grosses. Si l'épaisseur des nuages est très considérable, par exemple si elle dépasse 2.500 ou 3.000 mètres, ils peuvent donner de la grêle.

Ce dernier cas se trouve couramment réalisé par les nuages orageux dits cumulo-nimbus , qui nous paraissent presque noirs à cause même de leur épaisseur quand ils s'interposent sur le trajet des rayons lumineux directs ou diffusés. Des mesures faites aux Etats-Unis, à Washington, ont montré que des cumulo-nimbus pouvaient avoir leur base à l.OOOmètres d'altitude alorsque leur sommet atteignait 5.000 mètres; ce sont donc des nuages ayant 4.000 mètres d'épaisseur.

Ces grands nuages, noirs et épais, sont par excellence les nuages orageux : formant une masse « finie» dans l'atmosphère indéfinie, le cumulo-nimbus épais constitue uu conducteur de grande capacité suscep- . tible d'emmagasiner une forte charge électrique. L'épaisseur du nuage permettant, d'autre part, aux gouttes de pluie de grossir, l'altitude considérable de son spmmet le plaçant dans une région froide, on voit que les gouttes de la partie supérieure pourront être « surfondues », c'est-à-dire à l'état liquide, encore que la tem-

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pérature tombe au-dessous de zéro. Mais, on sait ce qui arrive d'un liquide en surfusion quand on le met en contact avec une parcelle du corps auquel sa solidification donnerait naissance : aussitôt que le contact a lieu, la solidification se fait instantanément, dans toute la masse du liquide. Si donc une aiguille de glace échappée d'un cirrus vient à pénétrer dans les gouttelettes surfondues d'un cumulo-nimbus, cellesci sesolidifient immédiatement à son contact en formant de petites boules de neige. Si Ton réfléchit, en outre, que les gouttelettes sont le plus souvent formées par condensation autour des ions négatifs, alors que les aiguilles de glace cristallisent autour des ions positifs, on comprend que l'électricité, toujours active dans le jeu des phénomènes atmosphériques, favorise le contact en question par l'attraction des charges de noms contraires. Le globule de glace primitivement formé va tomber vers le sol, attiré par la pesanteur, mais chaque fois que dans sa longue chute à travers les 3.000 mètres ou 4.000 mètres d'épaisseur des nuages, il rencontre une gouttelette surfondue, celle-ci se solidifie de suite à son contact, et la glace ainsi produite forme une couche qui se superpose au noyau solide déjà formé. Le noyau central se recouvre, par suite, de couches concentriques de glace qui augmentent petit à petit la masse du « grêlon » ; celui-ci grossit donc sans cesse à mesure qu'il descend. Si cette descente est oblique par suite du vent centripète résultant delà dépression qui a, par convection, donné naissance au nuage, son trajet se trouve encore allongé ; si la conveclian est considérable et le courant d'airascendant assez fort au début, il peut même, avant d'être devenu trop lourd, être renvoyé vers le haut et s'accroître ainsi avant de traverser en tombant toute l'épaisseur de la masse nébuleuse. On conçoit dès lors que ces grêlons puissent, dans certains cas, devenir considérables: au cours d'un orage