OPTIQUE

10. Mémoire sur la polarisation atmosphérique et l'influence du magnétisme terrestre sur l'atmosphère.

(Mémoire lu à l'Académie des Sciences le 17 novembre 1879. Comptes rendua de V Acadcmie des Sciences, t. LXXXIV, p. 838. — Jouriitd de Physhiue, t. IX, p. '3 i . — Annales de Cliimie et de Physique, 5" série, l. XIX.)

Depuis Arago, un admettait que le plan de polarisation de la lumière, réfléchie par un point du ciel, passe par le Soleil. L'Auteur, au moyen d'appareils spéciaux qu'il a imaginés, a reconnu que la direction des plans de polarisation de la lumière atmosphérique n'est pas celle que l'on supposait, et il a découvert l'existence d'un phénomène diurne qui jusque-là avait échappé à l'observation.

Si l'on vise, par un ciel pur, un point de l'atmosphère et si à chaque instant on imagine un plan passant par la direction des rayons visuels et par le centre du Soleil {plan du Soleil), on observe que, pour un même point visé, l'angle de ce plan et du plan de polarisalion est périodique nienl variable dans le cours d'une journée. Par exemple, si l'on vise un point situé près de l'horizon, au nord ou au sud, on trouve que l'angle des deux plans dont on vient de parler est d'abord nul au lever du Soleil, qu'il atteint un maximum vers 9'' du matin, s'annule vers midi, atteint un second maximum vers 3'' du soir et s'annule enfin au coucher du Soleil. Les angles ainsi observés sont de plusieurs degrés; le plan de polai'isation passe toujours au-dessous du Soleil ; à un même instant, la position du plan de polarisation n 'est pas la même pour les rayons de diverses couleurs.

L'explication de ce phénomène est assez simple : l'atmosphère réfléchit suivant une même direction et la lumière qui lui est envoyée directement parle Soleil et celle qui lui vient de toutes les directions, soit de l'atmosphère elle-même, soit de la surface de la Terre qui est éclairée. Cet ensemble de rayons lumineux forme un faisceau qui doit contenir des rayons polarisés dans tous les azimuts, et, comme ces rayons ont une intensité variable, il y a nécessairement un azimut pour lequel la somme des intensités des rayons polarisés dans le même plan est un maximum. Les polariscopes nous permettent de déterminer cette direction du maximum de polarisa-

tion, alors que l'ensemble des rayons polarisés dans les autres azimuts se comporte comme de la lumière non polarisée. Si le Soleil n'est pas la seule source d'illumination de l'atmosphère, mais seulement la source principale, le plan du maximum de polarisation ne doit pas généralement passer par le Soleil, et il s'en écarte plus ou moins lorsque, celui-ci s'élevantou s'abaissant sur l'horizon, l'une quelconque des causes d'illumination secondaire, dues à l'atmosphère ou à la Terre, vient à varier. La présence de nuages ou de vapeurs apporte de notables perturbations aux effets qui pi'écèdent.

Un des résultats les plus intéressants de cette étude est que la marche régulière du phénomène dont on vient de citer un exemple est affectée d'une petite perturbation qui paraît due à l'influence du magnétisme terrestre sur l'air atmosphérique. La symétrie de l'éclairement de l'atmosphère exigerait que, au moment où le Soleil passe dans le plan vertical du point visé, le plan de polarisation fût également vertical. Pour les directions voisines de celles de l'aiguille de déclinaison, on observe à ce moment que le plan de polarisation est dévié d'un petit angle. On a obtenu, pour des directions très voisines de l'horizon et suivant l'angle plus ou moins grand avec le méridien magnétique, des rotations de 22', 2//, 36' et 48', toujours dans le même sens par rapport à la Terre, et dans des sens différents par rapport à l'appareil. Ces rotations ne peuvent donc pas être dues à des erreurs d'expérience.

Les mesures absolues dont il a été question plus haut montrent que le })lan de polarisation d'un rayon lumineux jaune ayant traversé iSo'''" d'air à la pression de 760""™ est dévié par la Terre d'un angle de 20', 18. Pour les rayons plus réfrangibles, qui prédominent dans la lumière réfléchie par l'atmosphère, on aurait 2d' environ.

Si l'on observe que le sens de la déviation est celui qui correspondrait à l'influence de la Terre, on voit que l'on peut attribuer la rotation observée à l'influence du magnétisme terrestre sur les gaz de l'atmosphère, sans qu'il soit possible d'indiquer a priori autre chose que le sens et l'ordre de grandeur (le cette influence.

Il convient d'ajouter quelques mots sur la description et le réglage de l'appareil imaginé par l'Auteur pour ces recherches.

Le principe de la méthode était de déterminer, sur le même cercle divisé, à la fois la position du plan de polarisation de la lumière venant d'un point de l'atmosphère, et la trace du plan du Soleil; cette trace coïnciderait avec l'ombre projetée sur le cercle divisé par un fil qui formerait l'axe optique de l'appareil. Le mouvement de la Terre donnant lieu à une variation inces-

santé des directions de ces plans, on a fait des déterminations croisées en notant l'heure de chaque observation et en traçant ensuite des courbes représentatives des expériences, qui permettaient d'avoir, pour un même instant, les directions à comparer entre elles.

La position du plan de polarisation était donnée par un polariscope de Savart monté sur un cercle divisé au moyen d'un tube en cuivre mobile autour de son axe. Ce polariscope était réglé de manière que le plan de pobirisation des rayons incidents passât par le zéro de l'alidade au moment de la disparition des franges au centre du champ visuel. Pour éliminer les eri'eurs de centrage, on faisait quatre déterminations à 90° l'une de l'autre.

A l'autre extrémité du tube était un appareil donnant l'ombre d'un point de l'axe optique, défini soit par une croisée de fils, soit par deux pointes d'aiguille placées en regard l'une de l'autre. On amenait cette ombre en coïncidence soit avec une droite invariablement liée au tube mobile et tracée sur un écran, soit avec un point tracé sur un écran et décrivant un plan passant par les pointes d'aiguille. Ce plan était réglé de façon à s'écarter peu du zéro de l'alidade. Il est facile de démontrer que la moyenne de deux déterminations, faites en retournant le tube de 1 tSo" environ, donne la direction qu'aurait l'alidade si le plan qui sert de repère passait rigoureusement par l'axe de rotation du tube; il faut seulement que le point dont on observe l'ombre soit exactement sur l'axe de rotation, condition que l'on peut réaliser dans l'appareil. Enfin on a réglé d'une manière spéciale le plan en question, de façon qu'il coïncidât à très peu près avec le plan de polarisation au moment de la disparition des franges du polariscope.

Dans la plupart des observations, il était nécessaire de connaître, sur le cercle divisé, la direction de la trace du plan vertical passant par l'axe optique. On déterminait directement cette trace, pour chaque position du cercle divisé, en observant simultanément les positions de l'ombre données par une source lumineuse et par son image réfléchie sur un bain liquide. Pour le Soleil, on observait successivement les positions do l'ombre directe et celles de l'ombre donnée par l'image du Soleil réfléchie sur l'eau. Les nombres obtenus permettaient, au moyen des heures correspondantes, de tracer deux courbes symétriques se coupant au moment où le plan du Soleil était exactement vei'tical.

Ces réglages étaient seuls essentiels pour mesurer l'angle du plan du Soleil et du plan de polarisation sur le cercle divisé, etcekii-ci aurait pu être monté sur un support quelconque. Afin de pouvoir facilement orienter l'appareil dans des directions déterminées, le cercle était mobile autour d'un

axe horizontal et autoiii' d'un axe vertical. Un cercle azimutal, muni d'une boussole et d'un niveau, et un cercle vertical permettaient de déterminer approximativement les coordonnées du point visé. Le double mouvement autour des deux axes permettait de viser la même direction au moyen d'un retournement qui correspondait au retournement bout pour bout de l'axe horizontal sur ses coussinets, f^'expérience a montré que deux déterminations de la trace du plan de polarisation vertical de la lumière réfléchie sur l'eau dans la position directe du cercle et après le retournement ne différaient pas de plus de o'3o" d'angle. L'exactitude dans l'orientation de la région visée n'avait, du reste, qu'une très faible influence sur la mesure du phénomène que l'on se proposait d'observer, et qui était surtout une mesure différentielle.

11. Détermination des indices de réfraction de diverses substances.

Dans les recherches qui ont été analysées plus haut, aux n°^ 1, 2 et 3, l'x^uteur a eu à mesurer les indices de réfraction de quatre-vingts substances environ, solides et liquides. Parmi ces mesures, un grand nombre avaient pour objet de fournir une donnée nécessaire aux recherches en question. D'autres présentent en outre un intérêt spécial, parce qu'elles s'appliquent à des corps dont les indices de réfraction étaient peu connus ou n'avaient pas encore été mesurés. On peut citer, en particulier, le brome, le sélénium, dont l'indice pour la raie B a été trouvé égal à 2,655, certaines dissolutions de sels de fer, à' antimoine, de bismuth, cVélain et principalement le bichlorure de titane, liquide difficile à manier, pour lequel l'Auteur a déterminé les indices de réfraction relatifs aux principales raies du spectre solaire. 11 a trouvé pour ce corps les nombres suivants, correspondant à une température moyenne de 20*^ :

{Annales de Chimie et de Physique, y série, t. XII; 1877.)

Indices de réfraction du bicJilorare de titane.

Raies.

Enfin l'Auteur a observé une propriété très curieuse du soufre fondu.

Le soufre, dans le voisinage de son point de fusion, présente des variations considérables de ses indices de réfraction pour de petites différences de température. On a obtenu, par exemple, vers 120°, n^^ = 1,890, et au moment de la solidification, 1,929. A ces variations correspondent des différences aussi grandes dans le pouvoir rotatoire magnétique.

12. Nouvelle méthode d'amplification des déplacements du plan de polarisation de la lumière.

( Comptes rendus de l'Académie des Sciences, l. XCIU, p. i/13; 1881. — Foir, pour le développement de la méthode, Annales de Chimie et de Physique, 5" série, t. XXVII, p. 11.)

L'Auteur a montré comment la simple interposition d'une lame cristalline, demi-onde pour les rayons que l'on se propose d'étudier, permet, lorsqu'elle est convenablement orientée, de doubler et de tripler les déplacements du plan de polarisation de la lumière et d'augmenter la précision des mesures relatives à divers phénomènes de polarisation rotatoire. Toutes les particularités que comporte l'application de cette méthode et les précautions dont il convient de s'entourer sont développées dans un Mémoire cité plus haut (n° 7) et publié dans les Annales de Chimie et de Physique, 5^ série, t. XXVII, p. ii.

ÉTUDE DES RADIATIONS INVISIBLES INFRA-BOUGES AU MOTEN DES PHÉNOMÈNES DE PHOSPHORESCENCE.

M. Edm. Becquerel avait observé il y a longtemps que les radiations infrarouges, lorsqu'elles viennent frapper une substance phosphorescente préalablement rendue lumineuse, détruisent la phosphorescence comme le ferait une élévation de température de la substance; il s'était servi du phénomène d'extinction pour explorer la région infra-rouge du spectre solaire.

L'extinction est précédée d'une excitation temporaire de la phosphorescence, de sorte que la substance rend avec une intensité plus grande et pendant un temps plus court la somme de lumière qu'elle émettrait pendant un temps beaucoup plus long et avec une intensité moindre si elle était maintenue à l'abri des rayons infra-rouges. Généralement les deux phases du phénomène se succèdent très rapidement et l'extinction finale est seule appréciable.

L'Auteur a reconnu que, pour certaines substances phosphorescentes, la H. B. 5

première phase du phénomène révèle avec beaucoup d'éclat la présence de ces radiations et permet d'apercevoir avec une grande netteté les détails des spectres infra-rouges. Il a mis à profit cette observation pour étudier cette région du spectre encore peu explorée.

13. Phosphorographie de la région infra-rouge du spectre solaire.

( Comptes rendus de V Académie des Sciences, t. XCVI, p. 121 ; i883. Anncdas de Chinde et de Physique, 5" série, t. XXX.)

Lorsqu'on projette le spectre solaire sur une substance phosphorescente convenablement choisie, on voit nettement apparaître le prolongement infra-rouge s'étendant jusqu'à une limite qui peut varier avec la substance employée. L'Auteur a donné une description détaillée de ce prolongement invisible, qui comprend un grand nombre de raies et de bandes inconnues ou peu connues à cette époque.

Dans une première Note, il a indiqué approximativement les longueurs d'onde de quelques-unes de ces bandes, puis, dans un Mémoire publié dans les Annales de Chimie et de Physique, il a décrit avec détail le spectre infrarouge au travers d'un prisme de sulfure de carbone.

14. Spectres d'absorption infra-rouges de diverses substances.

( Comptes rendus de l' Académie des Sciences, t. XCVI, p. 121 5 ; i883. Aiincdes de Chimie et de Physique, 5 série, t. XXX.)

La même méthode a permis d'étudier les spectres d'absorption de diverses substances pour les radiations infra-rouges, en particulier l'absorption atmosphérique. Le spectre d'absorption de l'eau liquide présente, dans l'infra-rouge, des bandes caractéristiques très voisines des grosses bandes du spectre solaire. Diverses substances, notamment les composés du didyme et du samarium, donnent des bandes d'absorption caractéristiques très intenses.

15. Détermination des longueurs d'onde des raies et bandes principales du spectre solaire infra-rouge.

( Comptes rendus de l' Académie des Sciences, t. XCIX, p. 417; 1884.)

Au moyen de substances phosphorescentes particulièrement sensibles, l'Auteur a pu étudier les spectres des réseaux et déterminer avec une pré-

cision beaucoup plus grande que précédemment les longueurs d'onde des raies et bandes principales du spectre solaire. Les nombres obtenus, qui sont compris entre la limite du spectre visible o'""", 000760 et la longueur d'onde o""", 001 880, montrent quelle est l'étendue de la région étudiée.

Depuis l'époque où l'Auteur a entrepris ces recherches, la région infrarouge du spectre solaire a été étudiée par les méthodes photographiques du capitaine Abney, et par la méthode thermoscopique de M. Langley. Le bolomètre de M. Langley paraît sensible à des radiations infra-rouges moins réfrangibles encore que les dernières dont les substances phosphorescentes employées jusqu'ici aient pu révéler la présence, mais l'instrument ne permet pas d'étudier les détails du spectre. Au contraire, les photographies de M. Abney ne s'étendent que jusqu'à la longueur d'onde X = 0""°, 000980, mais elles donnent une finesse de détails très remarquable. Entre les longueurs d'onde o"™, 000760 et o™™, 000980, les valeurs déterminées par l'Auteur en 1884 pour les principales raies du spectre solaire concordent avec celles qui ont été données en 1886 par M. Abney.

Au delà, parmi les nombreuses bandes signalées par l'Auteur, les longueurs d'onde, qu'il a obtenues pour celles des larges bandes dont la présence peut être mise en évidence par le bolomètre, diffèrent peu de celles que M. Langley leur attribue.

L'Auteur a également déterminé directement les longueurs d'onde des bandes d'absorption du samarium, de o™™, 00 1079 à o""\ooio97 et de 0™'°, 00 1289 à o""", 00 1267, qu'il avait découvertes et qui peuvent servir de repères dans la région extrême de l'infra-rouge.

16-17. Spectres d'émission infra-rouges des vapeurs métalliques.

( Comptes rendus de V Académie des Sciences, t. XGVII, p. yc; i883; t. XCIX. p. 874 ; 188 J. Annales de Chimie et de Physique, 5" série, t. XXX.)

La méthode phosphorographique décrite plus haut a permis à l'Auteur de découvrir, dans les spectres infra-rouges des vapeurs métalliques incandescentes, l'existence de raies et bandes d'émission sur lesquelles on ne possédait jusque-là aucun renseignement. Il suffit de projeter sur une substance phosphorescente convenablement préparée le spectre d'une vapeur métallique, pour voir apparaître le prolongement infra-rouge sous forme de lignes et bandes phosphorescentes figurant la continuation des lignes ou

groupes de lignes lumineuses de ce spectre. Les longueurs d'onde des radiations ainsi observées atteignent plus du double de celles des rayons rouges, et le quadruple de celles des rayons violets; la limite la moins réfrangible observée jusqu'ici par phosphorescence a une longueur d'onde voisine de o"^™, 001900.

Le champ d'observation nouveau que cette méthode ouvre à l'analyse spectrale surpasse à lui seul en étendue, comme différence des longueurs d'onde extrêmes, l'ensemble des régions visible et invisible connues jusque-là.

Ces observations mettent en évidence l'avantage de la méthode présente sur les méthodes photographiques et thermoscopiques, qui n'ont pu révéler l'existence des raies d'émission infra-rouges des corps. L'excitation pliosphorogénique donne, en effet, presque instantanément une image d'ensemble du spectre, permettant de saisir certains phénomènes fugitifs, tels que le renversement des raies dans l'arc électrique et l'apparition de radiations dues à des éléments très volatils.

Dans un premier travail, en i883, l'Auteur a indiqué les résultats les plus saillants de ses premières observations, et, en particulier, l'existence de raies et bandes d'émission très intenses dans les spectres infra-rouges des vapeurs de sodium, de potassium, de magnésium, de calcium, etc., dans l'arc électrique.

Dans une seconde publication, en 1884, l'Auteur a donné le résumé des mesures des longueurs d'onde des principales raies d'émission des métaux suivants : potassium, sodium, strontium, calcium, magnésium, aluminium., zinc, cadmium, plomb, thallium, bismuth, argent, élain. Ces mesures ont été exécutées soit au moyen d'un réseau, soit avec un grand spectroscope construit spécialement pour ces recherches et muni d'un système oculaire phosphorescent d'une disposition particulière.

Les substances phosphorescentes, réduites en poudre fine, étaient très régulièrement tassées dans une cuve plane fermée par une glace travaillée, et portant à la face interne une division en cinquièmes de millimètre. La position des raies était relevée suc cette échelle au moyen d'un microscope coudé. Pour déterminer les longueurs d'onde, on profitait de la superposition des raies infra-rouges avec les raies connues de la région visible des spectres d'ordre supérieur donnés par les réseaux.

Voici, à titre d'exemple, les longueurs d'onde obtenues pour les principales raies d'émission infra-rouges de diverses vapeurs métalliques dans l'arc électrique :

Longueurs d'onde en millionièmes de millimètre.

Potassium.

Ahiminiuiii.

Magnésium.

Zinc.

Sodium

Bismutli.

Sir»

Plomb.

Calcium,

io59,8

Etain.

ii33

io83

Argent.

Cadmium.

Thallium.

io5o

ii56

On reconnaît que cette région infra-rouge des spectres des vapeurs métalliques est très riche en radiations très intenses. Les grandes longueurs d'onde de ces rayons sont particulièrement favorables à l'étude des relations que les radiations émises par une même substance peuvent présenter entre elles.

L'Auteur s'occupe actuellement de perfectionner encore cette méthode d'observation, qui permet déjà d'apercevoir un grand nombre de détails dans les spectres infra-rouges.

La première Partie de ces recherches a été publiée dans les Annales de Chimie et de Physique, 5'^ série, t. XXX. Les nombres qui résument les dernières déterminations des longueurs d'onde, et qui doivent être considérés comme les plus exacts, ont été donnés dans les Comptes rendus de r Académie des Sciences, t. xcix, p. 374; 1884.