CHAPITRE

Les dimensions et la fornne de l'atmosphère.

Le globe terrestre, en comprenant sous cette appellation le système de Técorce solide qui constitue sa carapace externe, du noyau central, qui y est enfermé, et des océans qui la recouvrent en partie, c'est-à-dire de la barysphère, de la lithosphère et de V hydrosphère^ est complètement enveloppé d'un vêtement gazeux dans lequel nous sommes immergés, et qui s'appelle V atmosphère.

Cette enveloppe est encore pour nous, à plus d'un point de vue, un mystère difficile à pénétrer. Bien des choses y sont à connaître, que nous ne soupçonnons même pas; bien des lois y sont à énoncer dont nous n'avons pas encore étudié le mécanisme ; bien des forces y sont disponibles, que nous côtoyons sans pouvoir les utiliser.

Ce qui est certain, c'est que Tatmosphère existe, et que les connaissances d'ordre mécanique que nous possédons à son suj,et ont précédé, dans la série des découvertes, les connaissances d'ordre chimique et physique que nous avons aujourd'hui.

La première question qui s'est présentée à l'esprit des anciens philosophes fut, en effet, celle de savoir si « l'air était pesant ».

4, '[y* •/; jLE:3'4*éoBLèîïES pE l'atmosphère

On sait Texpérience célèbre à la suite de laquelle Aristote, qui cependant avait soupçonné la pesanteur de Tair, avait conclu à la négative. Il avait posé une vessie dégonflée sur une balance précise. Cela fait, il avait gonflé d'air cette vessie et Tavait pesée de nouveau. Il n'avait constaté aucun accroissement de poids ; donc, disait-il, Tair n'est pas pesant. Mais il avait oublié, en faisant cette expérience, que le principe en vertu duquel les navires flottent à la surface de la mer, s'applique également aux gaz ; c'est grâce à ce principe que les aérostats, dirigeables ou non, peuvent se soutenir dans l'atmosphère. Le poids d'air que l'on avait introduit « en surcharge » dans la vessie se trouvait exactement compensé par la poussée archimédienne, dont la valeur était égale au poids de l'air déplacé, c'est-à-dire précisément au poids du volume d'air introduit. L'expérience ne devait donc pas réussir, précisément parce que l'air est pesant, et ce fut Galilée, qui, en 1640, par une expérience directe, démontra la pesanteur de l'air : en comprimant de l'air dans un flacon de verre, il coilstala l'augmentation de poids de ce récipient : l'air était donc pesant, comme tous les autres corps.

Cependant, pas plus qu'Aristote, l'illustre savant italien n'avait saisi la portée complète de la loi qu'il venait d'établir par cette expérience cruciale, car lorsque, quelques années plus tard, les fontainiers du duc de Florence vinrent lui demander pourquoi Teau montait dans les tubes des pompes aspirantes, il leur répondit que c'était parce que la nature a r « horreur du vide » . Mais quand ces mêmes artisans lui demandèrent l'explication du fait que l'eau ne peut, par aspiration, monter à plus de trente-deux * pieds, il dit, en manière d'explication, que 1' « horreur du vide manifestée par la nature n'allait pas plus loin que trente-deux pieds ».

C'est à Torricelli que revient la gloire d'avoir, non

DIMENSIONS ET FORME DE L'ATMOSPHèRE 5

seulement manifesté la pression causée par Tatmosphère, du fait de la pesanteur de Tair qui la constitue, mais encore d'avoir mesuré cette pression, par rimmortelle expérience qu'il fit en 1643. Tout le monde connaît celte expérience, simple et décisive, qui consiste à remplir de mercure un tube fermé à une de ses extrémités et long de trois pieds ; on renverse le tube ainsi rempli au-dessous du niveau du mercure qui remplit une large cuvette, et on retire le doigt avec lequel on l'avait maintenu rempli. On voit alors le tube se vider partiellement, jusqu'à ce que sa hauteur dans le tube atteigne une hauteur de 28 pouces (0°*,76). L'égalité des pressions à la surface du mercure de la cuvette montre donc que la pression de l'air qui agit à l'extérieur du tube est équilibrée par le poids de la colonne de mercure qui reste à Tintérieur : la hauteur de. cette colonne, non seulement prouve l'existence de la pression, mais encore la mesure,

Pascal, trois ans plus tard, en 1646, montre toute la portée de l'expérience dans sa classique ascension du Puy de Dôme. Si, dit-il, le poids de la colonne de mercure dans le tube de Torricelli équilibre la pression de l'atmosphère au-dessus du lieu de re:^périence, en diminuant l'épaisseur de celle-ci en nous élevant sur une montagne, la hauteur de la colonne de mercure doit être plus faible, ayant à équilibrer le poids d'une épaisseur atmosphérique moins grande. L'expérience, tentée au cours d'une ascension au Puy de Dôme, réussit complètement. A partir de ce jour, on peut dire que la porte était ouverte à l'étude de la météorologie,* puisque son instrument fondamental, le baromètre, était. créé. Enfin, six ans après, en 1652, Otto de Guéricke inventait la machine pneumatique ; il démontrait à nouveau la pesanteur de l'air par l'expérience inverse de celle de Galilée, c'est-à-dire en constatant la diminution de poids d'un ballon où l'on avait fait le vide; il montrait avec beaucoup d'élé-

gance que le principe d*Archimède s'applique aux gaz, à l'aide de son ingénieux baroscope, qu'il appelle même, très heureusement, le baromètre statique; et, eii instituant une grande variété d'expériences sur les effets de la pression atmosphérique et de la raréfaction de Tair, il ouvrait la voie aux recherches expérimentales relatives à l'atmosphère.

On peut dire que l'étude rationnelle de la météorologie date de cette époque.

Les propriétés physiques de l'air étant connues, le problème que l'on chercha à résoudre ensuite fut celui de sa composition chimique. C'est Lavoisier qui en donna la première solution. On connaît la classique expérience de l'oxydation du mercure au contact d'un volume d'air limité, et de la reconstitution du volume d'air initial par le dégagement d'oxygène, dégagement provenant de la décomposition de l'oxyde rouge de mercure par la chaleur. Les chimistes du commencement du XIX* siècle, en multipliant leurs analyses, en augmentant la précision de leurs expériences, constatèrent que les rapports entre l'oxygène et l'azote étaient .« simples », que, de pius, ils étaient légèrement variables ; les physiciens apportèrent leur argument tiré de la solubilité des gaz composants dans l'eau. On put donc dire : « l'air atmosphérique est un mélange et non une combinaison. Nous parlerons plus en détail, dans un chapitre spécial, de sa constitution et des étonnantes découvertes que, dans les vingt dernières années, la science nouvelle a faites sur ce sujet.

Les lois de la physique nous apprennent que les gaz sont compressibles, en même temps qu'ils sont pesants; la densité de l'air doit donc diminuer à mesure qu'on s'élève dans l'atmosphère, puisque les couches supérieures, n'ayant pas à supporter la pression provenant du poids des couches qu'elles laissent

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au-dessoas d'elles, sont moins comprimées que celles-

La loi de décroissance de la pression doit être d'expression exponentielle, à cause de la nature même des phénomènes, c'est-à-dire que si les hauteurs croissent en progression arithmétique^ les pressions doivent décroître en progression géométrique.

Mais cette pression, si elle décroît pour ainsi dire indéfiniment, a-t-elle une limite marquée par les dimensions mêmes de Tatmosphère ? Autrement dit, Tair atmosphérique s'étend-il dans tout l'espace céleste, sauf à y être à une pression infiniment petite? ou bien, au contraire, y a-t-il une limite en deçà de laquelle les molécules d'air soient retenues par une force à laquelle elles soient forcées d'obéir? L'étude de cette question n'est autre que la résolution du problème des dimensions de V atmosphère.

Trouver l'épaisseur exacte de l'atmosphère qui nous enveloppe est un problème difficile, non seulement à résoudre, mais même à poser avec précision.

Doit-on, en effet, exiger du milieu aérien pour qu'on puisse encore lui donner le nom d' « atmosphère ». qu'il ait les propriétés que nous lui voyons dans ses couches inférieures c'est-à-dire assez d'oxygène pour entretenir la vie et la combustion, une densité suffisante pour que les appareils des navigateurs de l'air puissent s'y soutenir, soit statiquement comme les ballons, soit dynamiquement comme les aéroplanes? Ou faut-il donner le nom d'atmosphère à un milieu, quelque raréfié qu'il soit dans lequel quelques molécules gazeuses, clairsemées et errantes, manifestent encore à l'état infinitésimal la présence des éléments de l'air?

C'est cette dernière manière d'aborder le problème qui semble avoir prévalu auprès des savants modernes. Nous allons résumer les idées admises aujourd'hui sur cet important sujet.

Tout d'abord, avant de parler des dimensions de notre enveloppe gazeuse, demandons-nous quelle peutêtre sa « forme » .

Théoriquement, la décroissance de la pression de l'air qui en diminue la densité suivant la loi de la progression géométrique exige que le milieu gazeux soit réparti autour de la Terre en couches concentriques à la Terre elle-même. Or, celle-ci a, nous le savons, la forme d'un' ellipsoïde de révolution tournant autour de son petit axe, c'est-à-dire présentant, par rapport à la sphère dont il procède, par l'action de la force centrifuge, un « aplatissement polaire » et un « renflement équatorial ». L'atmosphère doit donc avoir, dans son ensemble, la forme générale d'un ellipsoïde aplati à ses pôles ; mais sans doute ce sphéroïde est-il plus aplati que la Terre elle-même, car toute la masse gazeuse, entraînée avec notre globe dans son mouvement diurne de rotation, est soumise à la force centrifuge, et celle-ci est plus grande pour les molécules d'air qui se trouvent au-dessus de l'équateur que pour celles qui sont accumulées près des pôles; de plus (nous le verrons dans un chapitre de ce livre) par suite de l'excès de chaleur que le Soleil répand sur la zone torride, il y a, dans les régions équatoriales, une importante dilatation de l'air, dilatation qui produit une puissante convection des masses gazeuses dans le sens vertical. Pour ces divers motifs, la hauteur de l'atmosphère doit être plus considérable à l'équateur qu'autour des pôles, et l'ellipsoïde gazeux qui nous enveloppe doit être plus aplati que l'ellipsoïde solide sur lequel nous nous agitons au cours de nos fragiles existences.

Cette forme ellipsoïdale est-elle « pure »? Présentet-elle, au contraire, des déformations soit systématiques, soit localisées? C'est une question à laquelle nous ne pouvons répondre, ni dans un sens ni dans l'autre. Ce qui est certain, c'est que les masses

DIMENSIONS ET FORME DE l'aTMOSPHÈRE 9

gazeuses qui forment Tatmosphère, par le fait même que ce sont des « masses », sont soumises à l'inexorable loi de Tattraction. Elles subissent donc les actions des astres voisins, le Soleil et la Lune. Or, les attractions de ces astres produisent sur les océans le m'ajestueux et périodique phénomène des marées; elles le font naître sur Técorce terrestre elle-même, sur cette écorce dont l'apparente solidité n'est qu'une illusion, et dont les travaux du D"^ Hecker, de Potsdam, ont mis en évidence les pulsations minuscules mais régulières. La « marée » doit donc se produire dan.s l'atmosphère, et doit en soulever et en abaisser périodiquement les couches, comme elle soulève et abaisse alternativement les masses liquides des mers qui recouvrent près des trois quarts de notre planète. Ces marées atmosphériques « doivent » exister ; mais leur existence n'a pas encore pu être constatée par l'expérience.

Poisson avait pensé que cette « attraction universelle » à laquelle aucune masse matérielle ne saurait échapper, si elle peut modifier la forme générale de notre enveloppe gazeuse, impose cependant à son épaisseur une limite que celle-cî ne pourrait dépasser et dont il avait calculé la valeur. Voici le raisonnement qu'il faisait : Toute masse matérielle participant au mouvement de la Terre, est affectée par la force centrifuge résultant du mouvement diurne de rotation. Celle-ci est d'autant plus grande que le point matériel sur lequel elle agit est plus éloigné de Taxe terrestre; et, d'autre part, l'attraction varie en raison même du carré de la distance du point attiré au centre de la Terre. Il y a donc, à mesure qu'on s'élève dans l'atmosphère, qu'on s'éloigne de l'axe, un point où la force centrifuge accrue par la distance équilibre exactement l'attraction que cette même distance a diminuée. Et, au delà de ce point, il ne sau-

rait exister de molécules matérielles d'air, sans cela celles-ci seraient « lancées » dans l'espace par la force centrifuge elle-même, supérieure alors à la force attractive. C'est donc l'attraction newtonienne qui assigne une limite à l'atmosphère terrestre.

D'autre part, Tes travaux des physiciens ont pernîis de savoir que, à l'équateur, la force centrifuge équivalait à la 289* partie de la force attractive. La force centrifuge croît, d'ailleurs, comme la distance au centre, alors que l'attraction varie en raison inverse du carré de cette distance.

Donc, pour avoir la position du point où ces deux forces se font équilibre, il suffirait d'extraire la racine cubique de 289 : on obtient ainsi le nombre 6^6^ qui représente, par conséquent, le nombre de rayons terrestres, comptés à partir du centre de la Terre, au delà desquels il ne peut plus exister de molécules matérielles participant au mouvement de la Terre. Si l'on compte cette distance à partir de la surface extérieure de l'écorce, on trouve 5,6 fois le rayon du globe.

L'atmosphère aurait donc, en chiffres ronds, une épaisseur limite^ qu'elle ne saurait dépasser, égale à 5 fois et demie le rayon de la Terre elle-même. Telle est la conclusion à laquelle était arrivé Poisson. On voit qu'elle recule énormément les limites possibles de l'atmosphère qui nous entoure. Mais on a le droit de se demander si ce calcul est bien légitime. Peut-on admettre, en effet, que les molécules d'un gaz, au degré de raréfaction où elles se trouvent à ces énormes distances de la Terre, participent au . mouvement du globe en en suivant strictement les lois ? Aujourd'hui, la théorie cinétique des gaz nous a appris qu'une masse gazeuse est formée d'un ensemble de molécules, animées de vitesses variées et considérables, se heurtant en tous sens, et dans lequel la force vive moyenne des molécules représente la température du gaz.

DIMENSIONS ET FORME DE l'aTM08PHÈBE H

Les gaz légers ont des Titesse9 moléculaires bien supérieures à celles des gaz lourds; avec la masse que l'on croit maintenant être celle des molécules d'hélium et d'hydrogène, on trouve que leur vitesse moyenne doit être du même ordre de grandeur que celle qu'il faudrait imprimer à un projectile pour qu'il pût dépasser ce point neutre de l'espace où l'attraction équilibre la force centrifuge.

Dans ces conditions, les molécules-projectiles d'hélium et d'hydrogène, dépassant le point neutre, seraient saisies par l'attraction solaire, et notre astre central nous arracherait ainsi, atome par atome, l'hélium et l'hydrogène de notre atmosphère. C'est, pour la Terre, un juste châtiment de ses anciennes captures; car, n'a-t-elle pas, par ce même procédé, dépouillé la Lune, dont la force d'attraction était plus faible, non seulement de son hydrogène, mais encore de la presque totalité de son atmosphère, usant brutalement de ce « droit du plus fort », que le Soleil, aujourd'hui, commence à exercer à son tour?

Nous aurons, d'ailleurs, l'occasion de revenir sur ces questions intéressantes en étudiant la pression de l'atmosphère.

Si l'on se place maintenant au point de vue pratique, la limite de l'atmosphère, calculée par Poisson, serait, en tout cas, loin d'être atteinte, et représenterait la distance maximum à laquelle des molécules gazeuses dépourvues de vitesse propre pourraient être retenues dans la zone d'attraction terrestre. Mais ces molécules isolées, clairsemées, rarissimes, ne constituent pas une « atmosphère » au point de vue effectif : ce sont des « éléments d'un milieu », mais ce n'est pas « un milieu ».

Comment déterminer la limite pratique à laquelle s'arrête « le milieu »? Plusieurs méthodes ont été employées dans ce but.

12 LES PROBLÈMES DE l'aTMOSFHÈRE

Ou a d'abord mis à profit la durée du crépuscule. L'astronomie nous fait connaître la loi exacte qui règle les positions relatives de la Terre et du Soleil. Nous connaissons donc avec précision, pour un lieu donné, l'heure à Saquellele Soleil disparaît au-dessous de l'horizon de ce lieu. Cependant, le ciel continue à être éclairé assez longtemps après le coucher du Soleil : la dilTusion de la lumière par les molécules

de l'atmosphère explique cette luminosité ; mais, cette luminosité décroit à mesure que le Soleil, continuant sa route apparente autour de la Terre, s'abaisse de plus en plus, et la moyenne de toutes les observations montre qu'elle cesse complètement quand l'astre est à 18° au-dessous de l'horizon du lieu.

Dans ces conditions, il est possible de déterminer l'épaisseur de l'atmosphère, comme le montre la ligure 1. En effet; supposons l'observateur placé en un point A de la surface terrestre; la dernière molécule atmosphérique que les rayons solaires peuvent encore éclairer, et qui sera visible pour lui

DIMENSIONS ET FORME DE l' ATMOSPHÈRE 13

s'obtiendra en menant de A une tangente à la Terre, tangente arrêtée à la limite de l'atmosphère ; d'autre part, l'expérience montre que le rayon solaire ultime, tangent à la Terre, par conséquent, est incliné de 18** sur l'horizon AT. Dans ces conditions, nous savons que l'angle aigu du triangle rectangle ACM est de 9**. Le côté AC de ce triangle est égal au rayon de la Terre ; l'hypoténuse CM est égale à ce rayon augmenté de l'épaisseur inconnue, MP, de l'atmosphère : un calcul de trigonométrie élémentaire permet dès lors de calculer la longueur de l'hypoténuse, et par suite l'épaisseur de l'atmosphère à l'aide du cosinus de l'angle de 9°.

On a ainsi trouvé pour la limite de l'atmosphère une hauteur de 80 kilomètres environ ; nous verrons l'importance de ce chiffre de 80 kilomètres, confirmé, au point de vue de la limite de l'atmosphère « effective », par des phénomènes de lumière et de son.

On a cherché à évaluer l'épaisseur de l'enveloppe gazeuse de la Terre, en mettant à profit l'observation des étoiles filantes.

Et c'est la limite de 200 kilomètres que l'on trouve comme résultat de l'observation de ces traits de feu qui sillonnent le ciel à certaines époques de l'année. Ces « météorites » sont des corps minéraux qui deviennent incandescents dès qu'ils rencontrent une atmosphère où il reste assez de molécules gazeuses pour exercer sur eux un frottement susceptible de dégager suffisamment de chaleur pour les porter à l'incandescence et les rendre visibles. Les astronomes ont observé la limite supérieure à laquelle apparaissent ces météorites et ont trouvé ainsi 200 kilomètres environ.

On peut donc assigner à notre atmosphère une épaisseur pratiquement limitée à 200 kilomètres. Et hâtons-nous de dire que la pression, à cette hauteur

14 LES FBOBLÊMES DE L^ATlfOSPIliRB

limite, doit être extrêmement fait>le; théoriquement elle n*est pins, à cette altitnde, qn'nne minime fraction de millimètre. Ce qne Ton peut dire, c'est qn'il existe, à cette hauteur, juste assez de molécules gazeuses pour que le phénomène de Fincandescence, par frottement d'un corps animé d'un mourement très rapide, puisse se produire. L'atmosphère propre à la rie. celle dans laquelle se meuTcnt les oiseaux, ne dépasse certainement pas 10.000 mètres ; la plus haute ascension en ballon « monté >», le record d'altitude atteint par des hommes est de iO.800 mètres : encore ne pouvaient-ils y vivre que moyennant des inhalations continues d'oxygène, pour suppléer à la rareté de ce gaz dans ces régions élevées. D'après les observations des voyageurs, le condor, le roi des Andes, ne dépasse guère l'altitude de 8.000 mètres.

A 40.000 mètres environ, la masse gazeuse est cependant assez importante pour pouvoir soutenir un aérostat par la poussée archimédienne ; non pas un aérostat « monté », dont les passagers ne pourraient plus vivre à cette altitude, mais un ballon-sonde, lancé dans l'atmosphère et n'emportant que des appareils enregistreurs, témoins incorruptibles qui rapportent fidèlement la mesure de l'altitude atteinte par l'inscription du baromètre, et celle de la température. Or, le 17 décembre 1912, un ballon-sonde, lancé par l'Observatoire de Pavie, atteignit l'altitude de 37.700 mètres, à laquelle le baromètre ne marquait plus que 2 millimètres et le thermomètre accusait 51** au-dessous de zéro. C'est actuellement le « record du monde » en matière d'ascension.

La conclusion à en tirer, au point de vue qui nous occupe en ce moment, est qu'aux environs de 40 kilomètres d'altitude, l'atmosphère peut encore soutenir et faire monter un ballon. Si elle n'est plus suffisante c< physiologiquement », du moins l'est-elle encore « statiquement ».