CHAPITRE II

La composition de i'atmosphère.

Les physiciens, depuis les origines jusque vers la fin du xviii* siècle, admettaient sans discussion que <' l'air » était un élément^ c'est-à-dire un des constituants nécessaires et indécomposables de la nature. On sait que les savants d'alors prenaient comme base de leur connaissance l'existence de quatre éléments : l'air, l'eau, la terre et le feu.

C'est Lavoisier qui eut la gloire d'ouvrir la voie à la chimie moderne qu'il a, pour ainsi dire, créée, en montrant que les trois premiers de ces éléments, l'air, l'eau, la terre n'étaient pas simples et que le quatrième, loin d'être un « élément » n'était qu'un « phénomène ». Et cette démonstration fondamentale, il l'a faite précisément en décomposant l'air en deux autres corps qui le constituent pour la plus grande partie : l'oxygène et l'azote.

Aujourd'hui, les chimistes réservent le nom d'éléments aux corps, extraits des substances que nous présente la nature et qui ne sont pas susceptibles d'être décomposés ou du moins que la science n'est pas encore parvenue à décomposer en d'autres corps. On réserve à ces « éléments chimiques » le nom de corps (( simples »; cet adjectif n'est qu'un qualificatif provisoire : il signifie seulement qu'on n'a pas encore pu les décomposer jusqu'à ce jour.

Comment Lavoisier est-il arrivé à cette notion de l*air « complexe » et non plus « simple », comme le croyaient ses devanciers et ses contemporains ? Rappelons brièvement les grandes étapes de la découverte.

Dès l'année 1630, un médecin français, Jean Rey, avait observé que les métaux chauffés au contact de Tair augmentaient de poids et, pour expliquer ce fait, il admettait qu'une partie de l'air se fixait sur ces métaux pour les transformer en « chaux » : il faut se souvenir qu'à cette époque les alchimistes donnaient le nom générique de « chaux » à tous les corps que nous appelons aujourd'hui des oxydes.

En 1669, un savant anglais, John Mayow, exprime cette idée d'une manière plus nette encore : il estimait que dans l'air existent les particules susceptibles d'opérer la nitrifîcation, d'oxyder les métaux et également indispensables à la respiration des animaux et à la combustion.

Lavoisier résolut le problème, en 1774, par la célèbre expérience qui établit à la fois la complexité de l'air et sa constitution. L'illustre savant eut recours à la propriété que possède le mercure de se combiner directement à Toxygène au voisinage de sa température d'ébullition, c'est-à-dire vers 360 degrés; mais, au lieu d'opérer cette combinaison dans l'air illimité, il la forçait à s'effectuer dans une atmosphère limitée.

A cet effet, il prit un ballon contenant du- mercure, dont le col, deux fois recourbé, s'engageait sous une cloche pleine d'air et reposait sur une cuve à mercure ; le mercure du ballon était chauffé à l'ébuUition, celui de la cuve sur laquelle reposait la cloche était froid. Après avoir noté avec le plus grand soin la température, la pression et le volume de l'air enfermé sous la cloche, le mercure du ballon fut porté à l'ébuUition et y fut maintenu durant douze jours entiers. Au bout de ce temps, on constata que le mer-

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cure du ballon s'était recouvert d'une poudre rouge, c'était l'oxyde de mercure formé par l'union directe du métal et de l'oxygène confiné dans l'appareil : cet oxyde était celui-là même que les chimistes de l'époque appelaient « précipité 'per se » pour rappeler par ce nom sa formation directe. Après refroidissement complet de tout l'appareil, le volume de gaz restant n'était que les 6/7 environ du volume initial; il était constitué par un gaz complètement impropre à la respiration. Pour compléter sa démonstration, Lavoisier recueillit les pellicules rouges formées sur le mercure; il les chauffa dans un petit matras de verre en recueillant avec soin le gaz résultant de cet échauffement. Le volume de ce gaz fut exactement égal à la diminution de volume observée dans Texpérience précédente; le gaz ainsi recueilli entretenait vivement la combustion : c'était Voxygène. Au contraire, le gaz résiduel de la première opération n'entretenait ni la combustion, ni la vie; des animaux introduits sous une cloche qui en étaient remplie y succombaient asphyxiés : c'était Vazote.

Ainsi le génie de Lavoisier avait du premier coup résolu le grand problème : l'air n'était pas un élément simple; il était formé de deux gaz: l'un, Voxygène, propre à la combustion et à la respiration, se combinant aisément avec les autres corps de la nature; l'autre, rebelle à toute combinaison, incapable d'entretenir la combustion des corps allumés ou la respiration des êtres vivants, c'était Vazote^ et ces gaz étaient en proportion très inégale.

L'expérience de Lavoisier eut un immense retentissement. Les déterminations quantitatives de la composition de l'âir furent aussitôt faites de tous côtés; Cavendish donna le premier la composition exacte de l'air atmosphérique qu'il trouva formé de 21 parties d'oxygène et de 79 parties d'azote. Plus lard, Dumas,

Boossingaolt, Regnaolt, Reiset poussèrent an maximum la précision des anal3rses.

Pendant ce temps, la chimie s'était fondée sur les bases posées par Lavoisier et Berthollet. On distinguait les « combinaisons » des « mélanges ». Les analyses de l'air, de plus en pins nombreuses, de plus en plus précises, permirent aux chimistes de dire : « L'air est un mélange et non une combinaison. » Des considérations que les physiciens basèrent sur la solubilité, la diffusion, l'indice de réfraction des mélanges vinrent conflrmer ces faits et, à partir de la première moitié du XIX* siècle, il fut admis comme vérité scientifique que l'air était un simple mélange d'ox}gène et d'azote composé, en volume, de 20,81 parties d'oxygène et de 79,19 d'azote, avec des quantités très faibles d'acide carbonique, d'ozone, d'ammoniaque, d'hydrogène carboné et d'autres gaz.

L'acide carbonique est à la dose de 1/3.000% en moyenne. De plus, l'air contient toujours une proportion variable de vapeur d'eau et cette proportion peut varier de 1/1.000* du volume de la masse d'air considérée jusqu'à 1/30*^ de cette même masse.

Nous aurons l'occasion d'examiner séparément l'importance respective de la vapeur d'eau et de l'acide carbonique dans l'atmosphère terrestre.

Les procédés d'analyse des gaz en usage pendant le xix* siècle furent employés par les chimistes pour étudier et préciser la composition de Tair atmosphérique en divers lieux et à différentes altitudes. En opérant sur des échantillons recueillis, soit au-dessus des mers, soit au-dessus des continents, on constata que la composition de l'air était sensiblement constante, au moins dans les couches de l'atmosphère comprises entre et 8.000 à 10.000 mètres. De petites différences furent trouvées qui confirmaient bien l'état de simple mélange de l'air atmosphérique.

On pouvait donc affirmer que l'air était un « mélange »

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d'oxygène et d'azote dans la proportion de 21 parties du premier gaz contre 79 du second, en nombres ronds.

Mais, en 1882, les données changèrent complètement par la suite d'une découverte capitale due à lord Rayleigh et à sir William Ramsay.

Lord Rayleigh, ayant en vue une étude complète des propriétés chimiques des gaz simples, avait entrepris de déterminer, avec le maximum d'exactitude que fournissent les instruments si parfaits de la physique moderne, la densité de l'azote, de l'oxygène et de l'hydrogène, voulant continuer les travaux de Regnault et en augmenter, si possible, la précision par l'élimination des minimes causes d'erreur.

Pour déterminer ces densités, il fallait d'abord avoir les gaz étudiés à l'état de pureté absolue.

Or, on sait que, pour obtenir de l'azote, il y a deux méthodes bien distinctes :

On peut d'abord extraire l'azote de son grand réservoir qui est l'air atmosphérique ; à cet effet, on fait passer un courant d'air sur une substance capable de se combiner à l'oxygène qu'il contient : cet oxygène est ainsi, pourrait-on dire, « happé » au passage par le corps avec lequel il se combine, et le gaz qui sort de l'appareil est de l'azote pur, que nous pouvons appeler de l'azote « atmosphérique ».

On peut ensuite extraire par la chaleur l'azote d'un de ses composés; on peut, notamment, chauffer une solution d'azotite d'ammonium. On obtient encore de l'azote en chauffant du bichromate d'ammoniaque solide. Par ces deux procédés on peut obtenir de l'azote pur que nous appellerons de 1' « azote chimique ».

Afin de multiplier ses expériences et d'obtenir le plus de probabilités pour ses résultats, lord Rayleigh détermina successivement la densité d'échantillons

d'azote préparé de ces diverses manières. Or, toujours il constata que l'azote atmosphérique était légèrement plus dense que Tazote chimique.

Ce surcroit de densité le surprit tout d'abord, et il crut à des erreurs, soit dans la préparation des gaz, soit dans la détermination des densités ; mais la précision constante avec laquelle l'illustre physicien avait déterminé la densité des autres gaz lui permettait de compter sur la précision certaine de la quatrième décimale de ses nombres ; il pouvait répondre du chiffre des dix millièmes. Or, l'écart qu'il constatait portait sur le chiffre des centièmes. Il était assez sûr de lui pour ne pas pouvoir admettre sans discussion une pareille discordance, et il s' « étonna ».

Mais, comme l'a si admirablement dit Pasteur, « savoir s'étonner à propos est le premier pas fait sur la route de la découverte! » Lord Rayleigh refît expériences sur expériences; il édifia plusieurs théories successives pour expliquer cet inexplicable désaccord, et enfin il fit appel à la collaboration de sir William Ramsay. De cette collaboration des deux grands savants sortit la clef de l'énigme et la découverte de cinq nouveaux gaz simples.

Sir W. Ramsay eut l'idée de prendre de l'azote déjà extrait du gaz atmosphérique et de le faire passer sur du magnésium chauffé au rouge : il constata que la densité de l'azote augmentait par celte opération. S'était-il produit un gaz formé d'azote « condensé », qui serait à l'azote pur ce que l'ozone est à Toxygène? Les deux savants étaient hésitants. Ils interrogèrent alors le spectroscope qui leur répondit, comme toujours, avec son infaillible sûreté : il leur fit voir, dans le résidu de l'opération longtemps répétée, certaines lignes qui n'appartenaient au spectre d'aucun gaz étudié jusqu'alors. Lord Rayleigh, de son côté, en faisant la synthèse de l'azotate de sodium par l'action de l'étincelle électrique sur l'azote extrait

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de Tair mis en présence d'une dissolution de soude, constatait que Tazote n'est jamais totalement absorbé : il laisse un résidu, et le spectroscope montrait, dans le spectre de ce gaz résiduel,, les mêmes raies que sir W. Ramsay venait de constater par une expérience différente.

Il n'y avait donc plus de doute : un nouveau gaz, plus inerte encore que l'azote, existait dans l'air atmosphérique. Les déterminations quantitatives des deux savants montrèrent même ce fait absolument inattendu : c'est que le nouvel élément existait dans l'air dans la proportion d'un centième I A cause de son inertie chimique, ils le nommèrent Vargon^ du grec a, privatif, et ergon, travail, indiquant ainsi, par le nom qu'ils lui donnaient, que le nouveau gaz refusait d'entrer en combinaison avec les autres éléments de la chimie.

Depuis quelques temps, des savants américains avaient découvert un fait bien curieux : des minerais rapportés du Groenland fournissaient, lorsqu'on les chauffait énergiquement, un dégagement gazeux qui semblait composé d'azote. Dès que l'argon fut découvert, ses auteurs cherchèrent s'il existait des combinaisons du gaz nouveau ; ils répétèrent l'expérience de la décomposition des minerais de clévéite groenlandaise sous l'action d'une forte chaleur, et ils découvrirent, en étudiant le spectre du gaz ainsi dégagé, que ce spectre contenait, non pas les raies caractéristiques de l'azote non plus que celles de l'argon, mais bien une raie jaune qui n'existait dans aucun corps connu à la surface du globe ou dans l'atmosphère terrestre. Or, lors de l'éclipsé totale de Soleil au cours de laquelle il avait découvert la « Couronne » solaire, Janssen avait découvert également dans le spectre solaire une raie inconnue avant lui. Cette raie, jaune comme celle dont lord Rayleigh

30 f.ES PROBLÈMES DE l'aTMOSPHÈRE

et sir W. Ramsay venaient de constater la présence, n'appartenait à aucun corps connu sur la Terre : elle caractérisait donc un corps nouveau, existant dans le Soleil, corps qui reçut, à cause de son habitat, le nom d* hélium.

Les deux savants anglais purent identifier complément la raie de Thélium avec celle qui caractérisait le gaz qu'ils avaient dégagé de la clévéite : ce minéral contenait donc de Vhélium, et ce dernier élément n'était plus le monopole exclusif du Soleil puisqu'on venait de le retirer du sein même de la Terre.

Une fois que la présence de l'hélium dans Técarce solide du globe fut nettement établie, il arriva ce qui arrive toujours en de semblables conjonctures : on en trouva partout, dans les rochers, dans les sources thermales; enfin (et c'est ce qui nous intéresse particulièrement) sa présence, à dose micrométrique, il est vrai, fut constatée dans l'atmosphère. Vhélium^ gaz très léger, dont la densité est 0,1368 de celle de l'air lui-même, est, par conséquent, presque aussi léger que l'hydrogène, dont la densité est 0,0695.

Dès que sa présence dans l'atmosphère fut certaine, on chercha naturellement à le doser, mais sa teneur extrêmement faible eût rendu l'expérience à peu près impossible, sans la découverte de la liquéfaction pratique de l'air. Le physicien anglais Harapson avait réalisé un appareil permettant d'obtenir des quantités importantes d'air liquide ; tous ceux qui ont visité à Londres, vers 1896, le laboratoire de la « Royal Institution « ont conservé le souvenir des prestigieuses expériences que sir James Dewar y avait réalisées pour la première fois et qui sont aujourd'hui courantes et même popularisées par le cinématographe. Sir William Ramsay se servit de l'air liquide qu'il put obtenir en assez grande quantité, et fit évaporer ce gaz, réalisant ainsi, sur le mélange liquéfié des gaz multiples de l'atmosphère, une véri-

LA COMPOSITION DE l'ATMOSPHÈRE 31

taWe distillation fractionnée analogue à celles que les chimistes exécutent journellement dans leurs laboratoires.

Les ultimes résidus de Tévaporation de Tair liquide, les dernières gouttes, donnèrent un gaz de densité 2^6^ caractérisé par deux raies très nettes, Tune verte, Tautre jaune : sir William Ramsay lui donna le nom de krypton^ qui, en grec, signifie « dissÛBulé ». Cette découverte du krypton à Taide de la distillation fractionnée de Tair liquide n'était qu'un début, une indication; elle constituait, de fait, une méthode nouvelle de recherches et elle manifesta bien vite sa fécondité.

En prenant, non plus de Tair liquéfié, mélange d'azote, d'oxygène, d'argon et de krypton, mais bien de Vargon liquide, et en le soumettant à son tour à la distillation fractionnée, on put extraire deux nouveaux gaz : l'un, le néon^ caractérisé par un éclatant spectre de raies, dont la densité était 0,688; l'autre, le xénon {V « étranger », en grec), de forte densité. Ce gaz complétait donc la série des « gaz rares » eustant dans l'atmosphère terrestre.

Ces gaz rares, ces gaz « nobles », comme les appellent les physiciens anglais, sont caractérisés par leur inertie : ils ne se combinent avec aucun corps connu. Le professeur Gh. Moureu a vérifié leur présence dans toutes les eaux minérales, dans les émanations gazeuses échappées du sol, dans les redoutables grisous des galeries de mines. Le savant chimiste a constaté que, sauf pour l'hélium, qui est un des produits des émanations radioactives, il y a un rapport mutuel constant entre les gaz rares, argon, krypton, néon et xénon, que l'on trouve dans les sources minérales et dans les mélanges gazeux naturels.

Gela ne doit pas nous surprendre. A l'origine, en effet, de la formation de notre Terre, formation qui Vfist faite par condensation de matières, ces gaz ne se

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sont combinés avec aucun autre des éléments successivement formés, et cela à cause même de leur inertie chimique qui leur assurait, à travers la succession des siècles, une inviolabilité éternelle. Ils sont donc restés libres, tandis que les autres éléments se combinaient entre eux, et nous devons voir, dans ces gaz demeurés purs de toute mésalliance, des témoins indifférents et respectés de tous les cataclysmes, de toutes toutes les convulsions qui ont marqué les stades successifs de l'histoire de notre planète.

Ces gaz, que Ton appelle « nobles », à cause de leur dédain pour tous les autres corps, on peut justement les appeler « rares », à raison de la faible dose à laquelle on les rencontre dans l'atmosphère.

Si l'on veut, en effet, traduire en nombres la proportion des divers gaz simples qui forment l'atmosphère terrestre, on trouve que, dans un million de litres d'air, qui seraient contenus dans un cube de 10 mètres de côté, il y • a 780.500 litres d'azote, 208.000 litres d'oxygène, 9.400 litres d'argon, 10 litres de néon, 1 litre de krypton, 1 litre d'hélium, un vingtième de litre de xénon.

L'air atmosphérique contient, en outre, de l'hydrogène en faible quantité ; dans le volume précité, d'un million de litres d'air, il existerait environ 100 litres d'hydrogène, à peu près dix fois plus que de néon. Cela représente, pour ce gaz, une proportion voisine d'un dix millième.

Nous verrons, au cours du chapitre suivant, pourquoi l'hydrogène et l'hélium ne peuvent se trouver à un état vraiment stable dans l'atmosphère de notre planète. Tout ce que nous avons dit de la composition de l'air, d'ailleurs, s'applique à ses couches inférieures, à celles qui sont en contact avec le sol ou qui en sont peu éloignées. Quand on considère les couches supérieures de l'atmosphère, les choses sont

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toutes différentes, et nous verrons également, dans un chapitre ultérieur, comment varie la composition de Tair à mesure que, s'éloignant de la surface du sol, on s'élève de plus en plus, suivant la verticale.

Les gaz simples que nous avons énumérés sont-ils les seuls que contienne Tatmosphère? Leur série estelle épuisée ou s'enrichira-t-elle de termes nouveaux? Quelque « hyperkrypton » dissimule-t-il ses rares atomes au milieu de la foule de ceux des autres gaz? Nous ne le savons pas. Les plus audacieux parmi les chimistes, les plus avisés parmi les physiciens ne désespèrent pas d'enrichir de nouveaux noms la liste des éléments rares qui constituent Tair. On y soupçonne déjà le coronium, dont on a vu la raie dans le spectre de la couronne solaire. Sachons attendre. Nous aurons, d'ailleurs, l'occasion de reparler de cette constitution des couches supérieures, au chapitre où nous étudierons la pression atmosphérique.

Les gaz dont nous venons de parler comme composants de l'air atmosphérique sont des gaz simples^ c'est-à-dire constituant des éléments chimiques. On appelle ces éléments chimiques des corps simples, parce que nous ne sommes pas encore parvenus à les décomposer, soit que nos mayens fussent insuffisants, soit que la durée de nos expériences ou de nos existences fût trop courte pour nous permettre de constater une altération spontanée dans la constitution de ces corps « supposés simples », comme nous en constatons pour les corps radioactifs dont Becquerel eut la gloire incontestable et incontestée de révéler au monde l'existence et les propriétés essentielles.

Mais ces gaz élémentaires, communs ou rares, « nobles » ou « vilains », ne sont pas les seuls que Von rencontre dans l'air atmosphérique; et l'on peut bien penser que la légère chemise gazeuse qui

recouvre la Terre s'imbibe de toutes les émanations qu'exhale notre sphéroïde.

C'est ainsi que Ton trouve dans l'atmosphère terrestre une quantité de gaz composés, au premier rang desquels il faut placer, par ordre d'importance, la vapeur d'eau et l'acide carbonique. Même dans les couches inférieures de l'air, la teneur de ces deux gaz est essentiellement variable, et cçla dans des limites assez fortes, surtout en ce qui concerne la vapeur d'eau ; leur importance, très considérable dans l'économie générale du globe, sera étudiée dans un chapitre spécial. Pour l'instant, bornons-nous à indiquer leur présence et les limites entre lesquelles varie leur teneur. Pour la vapeur d'eau, cette teneur peut varier de un millième à un trentième et même plus; pour r>acide carbonique, elle varie un peu en deçà et au delà d'un trois millième.

Indépendamment de l'acide carbonique et de la vapeur d'eau, on trouve dans l'atmosphère de l'ozone, du gaz ammoniac, du gaz sulfureux et du gaz sulfhydrique. Ces derniers gaz, ainsi que les hydrocarbures, se rencontrent surtout dans l'air des régions très industrielles et minières, où les hauts fourneaux les déversent abondamment dans l'atmosphère.

Cependant, parmi tous ces gaz, il en est un qui a une importance toute particulière; c'est l'ozone. Il est vrai que c'est un gaz « composé sans l'être », puisque c'est de l'oxygène condensé, contracté par sa combinaison avec lui-même. Les couches inférieures de l'atmosphère ne contiennent que des doses infinitésimales de ce gaz, dont on utilise aujourd'hui, grâce aux travaux et aux appareils de l'ingénieur français Otto, les propriétés microbicides pour stériliser les eaux d'alimentation de toutes nos grandes villes. La teneur en ozone de la basse atmosphère est d'environ 8 millimètres cubes par mètre cube d'air !

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Mais, en revanche, il semble que les couches supérieures de Tatmosphère en renferment une proportion bien plus considérable. Nous savons, à présent que Teffort des physiciens commence à se tourner vers r « ultra-violet » et ses propriétés, que la radiation du Soleil est extrêmement riche en rayons ultraviolets, à peu près autant que la lumière des lampes en quartz à vapeur de mercure. Le Soleil ne fait ainsi qu'agir comme toutes les autres étoiles, soleils de systèmes planétaires invisibles pour nous. Ces rayons sont microbicides par eux-mêmes, et leur action mortelle, s'exerçant sur tous les organismes, les nôtre», pas plus que ceux des bactéries, ne résisteraient à l'action de ces terribles rayons si ceux-ci n'étaient absorbés en route par un milieu qui les arrête : ce milieu, Texpérience le montre, c'est l'atmosphère.

Or, dans ce mélange qu'est l'atmosphère, ni l'oxygène, ni l'azote, ni le gaz carbonique n'arrêtent les rayons ultra-violets, pour lesquels ils sont aussi transparents que possible. Au contraire, M, Fabry a montré que l'ozone arrêtait les rayons ultra-violets, et cela avec une telle intensité qu'une couche de gaz de 5 à 6 millimètres suffirait, d'après le savant physicien, à arrêter tout le rayonnement ultra-violet qui provient du Soleil. Si cette couche était répartie uniformément dans notre atmosphère, celle-ci devrait contenir 1/2 centimètre cube d'ozone par mètre cube. Or, nous avons vu plus haut que la teneur observée était près de cent fois plus faible .

C'est donc la haute atmosphère qui doit être plus particulièrement riche en ozone ; peut-être les rayons ultra-violets, agissant plus directement sur le peu d'oxygène qui y subsiste, en opèrent-ils plus aisément la condensation. Quoi qu'il en soit, c'est là encore un des points à élucider dans le vaste problème de l'atmosphère et de sa composition.

36 LES PROBLÈUES DE L'ATMOSPHËnE

Enfin, l'air que nous respirons véhicule une quantité de particules solides, les unes minérales, les autres organiques, qui constituent les « poussières m de l'air et dont nous aurons l'occasion de parler plus tard. On voit très nettement ces poussières quand, diffusant la lumière d'un étroit rayon de soleil qui pénètre dans une chambre obscure, elles en manifestent la trajectoire par la danse incessante qu'elles exécutent.

On conçoit donc que l'atmosphère est un milieu des plus complexes. Nous allons l'étudier maintenant de plus près et nous demander ce qu'elle a été dans le passé, ce qu'elle sera dans l'avenir.