2.2 Une tradition qui s’ancre dans la « physique du globe »
2.2.2 Le point de vue du météorologiste : James Forbes
Lorsque Herschel se rend à nouveau en France et en Italie en 1826, il profite de l’occasion pour entreprendre des mesures actinométriques en fonction de l’altitude dans le massif central, au
sommet du Puy-de-Dôme, et à Montpellier, et constate effectivement que les valeurs affichées par son instrument sont plus élevées à haute altitude. Ces mesures préliminaires lui font prendre conscience
que des observations simultanées au bas et au sommet d’une montagne isolée sont les plus à même pour « [...] ascertainting the very important point of the comparative force of solar radiation at great
and small elevations in the atmosphere.91 » Il n’aura pas lui-même l’occasion de réitérer ce genre d’expériences au Cap, mais quand l’un de ses jeunes collègues, James Forbes, part pour les Alpes
en 1832, il ne manque pas de diriger son attention sur l’importance de ces expériences et lui fournit deux actinomètres afin de poursuivre les campagnes de mesure. Encore faut-il être épaulé par une
autre personne pour réaliser ces mesures simultanément. Par chance, Forbes va rencontrer à Genève le météorologue allemand Ludwig Friedrich Kämtz, de l’université de Halle.
Kämtz est arrivé dans cette région de Suisse afin d’effectuer des relevés météorologiques au sommet du Faulhorn, une montagne relativement isolée de 2681 m d’altitude, située entre la vallée de
Grindelwald et le lac de Brienz, et offrant une belle vue sur les glaciers suisses et les lacs environnants. Sa particularité tient à la présence d’un hôtel perché à son sommet, qui en fait ainsi l’hôtel le plus
haut d’Europe à l’époque, et deviendra vite un haut-lieu de la recherche en météorologie et pour l’astronomie de terrain92. Équipé d’un actinomètre, Kämtz est donc chargé des mesures au sommet tandis que Forbes, muni du second actinomètre, se place en différents lieux, plus de 2000 mètres en contrebas.
Forbes n’en est pas à son premier périple en montagne. Déjà en 1826, la même année où Herschel
91. Lettre de Herschel à Forbes, cité dans Forbes (1842), The Bakerian Lecture – On the transparency of the atmosphere anf the law of extinction of the solar rays in passing through it, p. 225.
92. Voir à ce sujet Aubin (2009), The hotel that became an observatory : Mount Faulhorn as singularity, microcosm, and macro-tool.
2.2 Une tradition qui s’ancre dans la « physique du globe » 75
effectuait ses expériences actinométriques dans le massif central, il avait profité d’un voyage à travers la France, l’Allemagne et l’Italie pour s’arrêter à Chamonix. Cette région va durablement marquer
l’esprit de ce jeune homme, alors âgé de seulement 16 ans, et il y reviendra à nouveau pour ses recherches sur les glaciers. Mais en ce mois de septembre 1832, le programme consiste à relever
l’intensité du rayonnement solaire afin d’en déterminer la proportion absorbée par l’atmosphère. Les instruments – actinomètres, baromètres et thermomètres – sont dûment comparés avant d’être
transportés à leur station respective. Sur les vingt séries de mesures effectuées pendant une semaine, seule celle de la journée du 25 septembre va s’avérer suffisamment correcte pour y baser les calculs, où
à chaque heure ont été enregistrés la pression atmosphérique, la température, le degré hygrométrique et bien sûr l’intensité calorifique.
Dans une courte note qu’il délivre en 1835 devant la Royal Society of Edinburgh93, il mentionne seulement le fait que ses observations avec Kämtz ont prouvées que l’intensité de la radiation aug-
mente en altitude, et que l’absorption générale pour la tranche d’atmosphère située entre les deux stations est supérieure à celle annoncée par Lambert, soit pas moins de 15 pour une couche de 2000 mètres d’épaisseur. Mais étant donné la difficulté de réduire les données obtenues, il ne livre le détail de ses calculs et les conclusions attenantes qu’en 1842, dans son long mémoire présenté dans le cadre
des Bakerian Lectures94.
Ceux-ci sont basés exclusivement sur les observations de 1832. Cela ne signifie pas qu’il n’ait pas
effectué d’autres mesures entre temps, et il a de fait tenté une série d’observations lors d’un voyage en 1841 au sommet du mont Cramont, proche du Mont-Blanc, mais les conditions climatiques médiocres
ce jour-là ont ruiné ses espoirs95. Seules les observations réalisées avec Kämtz lui semblent donc dignes d’être exploitées. Il en tire plusieurs résultats qui vont avoir de répercussions sur la manière
dont vont être menés les calculs par la suite. Un premier est que le coefficient de transparence varie en fonction de la journée, contrairement à ce qu’avait soutenu Pouillet. Les causes de ces inégalités
ne sont pas claires pour Forbes, bien qu’il soupçonne l’action de l’humidité ou de la vapeur d’eau. Ensuite, il prouve que le coefficient d’extinction tend vers une constante pour des grandes épaisseurs
– à la limite tendant vers l’infini – par suite de l’inégale absorption des rayons appartenant aux
93. Forbes (1835), Notice of experiments on the diminution of intensity sustained by the sun’s rays in passing through the atmosphere.
94. Forbes (1842), The Bakerian Lecture – On the transparency of the atmosphere anf the law of extinction of the solar rays in passing through it.
95. Forbes (1843), Travels through the Alps of Savoy and other parts of the Pennine Chain, with observations on the phenomena of glaciers, p. 417.
différentes parties du spectre. Ainsi la lumière n’est pas transmise de manière identique selon que l’on considère la partie visible, ultraviolette ou infrarouge, faisant écho aux travaux du physicien
français De La Roche et de l’italien Melloni, et qu’avait d’ailleurs mis en évidence Lambert dans ses expériences préliminaires sur la transmission de la lumière à travers des lames de verre successives.
En conséquence de quoi ces découvertes le poussent à proposer une formule différente de celle de Bouguer pour rendre compte des observations.
En premier lieu, Forbes constate que selon les données récoltées par les deux actinomètres, la couche d’air présente entre les deux stations absorberait entre 7 et 25% de la radiation incidente.
La mesure des pressions atmosphériques à ces deux altitudes permet d’en déduire la masse d’air effective responsable de cette absorption, ce qui revient à exclure l’hypothèse d’une atmosphère ho-
mogène qu’avait considérée Pouillet et Herschel. Il en arrive à la conclusion que dans sa totalité notre atmosphère absorberait 31,5% de l’intensité du rayonnement solaire incidente, à la verticale.
Cette valeur est tout à fait similaire à celle soutenue par Herschel, et, comme il le fait remarquer lui-même, est une valeur moyenne entre celle de Bouguer et celle de Lambert. Pourtant, Forbes pense
que cette valeur est sous-estimée, l’absorption doit être plus forte, et par conséquent la constante solaire doit être plus élevée que ce qu’avaient proposés ses prédécesseurs, car cette première estima-
tion a été faite comme à l’accoutumé, c’est-à-dire avec les hypothèses d’une opacité uniforme des différentes couches de l’atmosphère et possédant un coefficient de transparence constant, hypothèses
sur lesquelles repose la formule de Lambert donnant l’épaisseur de l’atmosphère traversée par les rayons solaires en fonction de la distance zénithale z. Forbes est convaincu qu’elle ne reflète pas
la réalité, et que la formule de Bouguer I = A p n’est valable que pour des rayons homogènes, c’est-à-dire monochromatiques, et telle est le but de son travail : vérifier la validité de cette loi.
Ainsi qu’il l’indique, « [i]t will be shown presently that the law of uniformly regular extinction is not true, and that the loss in passing through a medium is not absolutely but relatively (to the
intensity) greater at first than afterwards : that when the ticknesses are very great, any additional thickness intercepts but little of the radiant force ; consequently, near the horizon, a great thickness
of atmosphere having been traversed by the rays which reach the upper station, even the obliquity of the passage to the lower station does not [...] cut off anything like a corresponding portion of solar
heat, and a second equal mass would intercept still less.96 » En d’autres termes, la rayons les plus extinguibles sont complètement « retirés » après avoir traversé une couche suffisamment importante,
96. Forbes (1842), The Bakerian Lecture – On the transparency of the atmosphere anf the law of extinction of the solar rays in passing through it, pp. 255-256.
2.2 Une tradition qui s’ancre dans la « physique du globe » 77
et restent ceux qui ne subissent pas, ou très peu, d’absorption. Le taux d’extinction est donc plus rapide pour les premières couches que pour celles proches du sol. La loi de décroissance géométrique
doit donc être modifiée pour faire apparaître un terme constant, représentant l’intensité subsistant quand l’épaisseur tend vers l’infini. Ainsi la loi ne tend plus exponentiellement vers zéro, mais vers
une asymptote dont la valeur devient un nouveau paramètre ajustable, s’ajoutant à la constante solaire – c’est-à-dire l’intensité hors atmosphère – et le coefficient de transparence.
Il reprend ici la manière dont Biot avait traité les résultats des expériences de Melloni, qu’il avait
effectué à sa demande à ce sujet. Le savant français avait séparé la chaleur radiante en trois parties au regard de l’extinction, chacune avec un coefficient différent. Le problème que soulève Forbes est d’importance, car en toute rigueur, on devrait effectivement faire appel à une formule intégrale,
ou du moins séparer le rayonnement incident en autant de paquet centré sur une certaine longueur d’onde, et traiter chacun avec la loi de Bouguer, en somme prendre en compte que p soit une fonction
de λ, ce qui entraînerait d’avoir à calculer l’intensité finale par la formule :
I =
Z
p(λ)dλ (2.6)
Forbes en arrive alors à la conclusion que, « [...] since we have no à priori method of discovering
the composition of any mixed kind of heat from such a source as the sun, it must be impossible to conclude with certainty the law of loss or extinction at small thickness, from observations of
the law of extinction at great thickness [...] », puisque qu’une partie des rayons arrivant sur Terre a totalement disparue pendant la traversée de l’atmosphère. La loi qu’il propose est de la forme
I = A0+ A p 97.
Muni de cette nouvelle relation, il va pouvoir calculer la valeur de la constante solaire (V ou
A0 + A) pour ses différentes séries d’observations. Elles sont de beaucoup supérieures à celles de Pouillet et d’Herschel. Une fois prise en compte le facteur pour convertir ses propres mesures en
actines, il trouve finalement 388,4 actines, ce qui représente 2,82 cal min−1cm−2. Et pourtant, il s’empresse d’ajouter que « [t]he value of V is by no means given as certain : it may very probably
be greater, even much greater than has been assigned, but it is very unlikely to be less. Hence, too,
97. Il n’exprime pas cette relation sous cette forme, il écrit que l’intensité v varie en fonction de l’épaisseur traversée x suivant la loi x = 1
a log (aV −b)
(av−b), où V est l’intensité hors atmosphère. La valeur de b
a donne la distance à l’axe
des abscisses de l’asymptote. Il a donc trois paramètres ajustables, au lieu de deux. Le remplacement de l’expression de cette loi en I = A0+ A pa été proposée par Radau en 1877 dans son livre de synthèse sur l’actinométrie. Voir
Radau (1877), Actinométrie, p. 25. Dans cette dernière expression, la constante solaire vaut maintenant A0+ A, valeur
the absolute intensity of the solar ray has been very much underrated by all writers. The portion vertically transmitted probably does not exceed a half, instead of being equal to two-third or three-
quarters, as has generally been supposed. », faisant bien sûr référence aux deux valeurs données par Bouguer et Lambert respectivement.
Bien que les travaux de Forbes semblent discréditer ceux de Pouillet, du moins pour les valeurs que ce dernier a obtenues de la constante solaire, les physiciens et météorologues français vont juger
excessif les propres valeurs de Forbes. Kämtz lui-même reconnaît que « M. Pouilletl [sic] devised two instruments, much more perfect than that of Herschel, for estimating the quantity of heat absorbed
by the atmosphere.98»
Forbes s’abstient donc de toute extrapolation de ses résultats visant à calculer la valeur du
flux total émanant de la surface du Soleil, ou encore sa température. Contrairement à Pouillet et à Herschel, son travail est à caractère exclusivement météorologique, et il s’en justifie devant ses
confrères lors du second meeting de la BAAS en déclarant que « [t]he true basis of the science rests upon several branches of physics, which are only at the present moment rising to their true level of
importance in the scale of human knowledge ; and there are few of the sciences which are not more or less directly connected with the progress of Meteorology.99», et l’étude de cette science va de pair avec celle de la chaleur, ainsi « [...] the science of heat [is] the very basis of all accurate knowledge
in Meteorology. » Le travail de Dulong et Petit est là encore admiré pour son exemplarité, « its universally acknowledge beauty and importance », et leur loi est devenue un acquis indispensable à
toute recherche future. Son programme est clair, il faut développer nos connaissances sur la chaleur radiante et l’interaction entre l’atmosphère de la Terre et le rayonnement solaire. Tout en louant
au passage l’effort de Pouillet pour livrer un aperçu de l’état de la météorologie dans son livre, il en souligne le caractère incomplet et critique l’utilisation de la méthode statique de ses mesures
actinométriques.
Son opinion par la suite devient encore plus tranchée. Commentant les résultats qu’avaient donnés
Bouguer et Lambert pour la proportion du rayonnement incident absorbé lorsque le Soleil est au zénith, Forbes écrit « [o]n these slender foundations some philosophers have ventured to found most
important conclusions on various subjects of transcendental speculation ; – such as the temperature of the sun’s surface, and the temperature of panetary space. Facts, however, of much greater value
may be looked for [...]100 » Les choses importantes sont ici-bas, et non dans l’étude de problème
98. Kämtz (1845), A complete course of meteorology, p. 151. 99. Forbes (1832), Progress in meteorology, p. 200.
2.2 Une tradition qui s’ancre dans la « physique du globe » 79
tout à fait hors de notre portée. Ces commentaires ironiques sont bien sûr adressés à Pouillet, bien qu’il ne le cite pas, et montre que le peu d’intérêt que son travail théorique a bénéficié lorsqu’il l’a
présenté devant l’Académie en 1824 n’est pas isolé à l’Académie des Sciences. Même si Forbes se montre critique envers ces « spéculations transcendentales », il n’en reste pas moins que la valeur
de la température de l’espace sera cité dans beaucoup d’ouvrages de météorologie et passe pour une notion acquise – lui-même y faisait référence dans son allocution à la BAAS trois ans auparavant.
De fait, sa posture méthodologique l’amène à écarter les connaissances qui ne sont pas acquises par une voie strictement inductive, et validées par des procédures de mesures les plus rigoureuses
et précises possibles. Les travaux de Forbes ont mis à mal la précision des mesures de Pouillet, en pointant les faiblesses des hypothèses qui ont servies pour les calculs de la constante solaire. « On
a mesuré », écrit Saveney, « sans grande précision bien entendu, la quantité de chaleur que le soleil envoie annuellement à la terre. [...] cette détermination n’offre par elle-même aucun intérêt spécial
[...] » Sous la plume de ce physicien, même l’intérêt des mesures de Pouillet, pourtant louées par Fourier, s’évanouissent.
Si les instruments et les méthodes vont encore évoluer, les bases sont fixées dans leurs grandes
lignes. Nous verrons dans le chapitre 6 ce renouveau de l’actinométrie à partir de 1870, non que celle-ci ait cessé d’être pratiquée – elle va continuer entre les mains des météorologistes –, mais son utilisation
dédiée à l’étude du Soleil, et particulièrement à la mesure de sa température, va devenir un outil expérimental précieux, et cette pratique va rapidement prendre place dans différents observatoires
pour des suivis réguliers de l’intensité du rayonnement solaire. Les travaux de Pouillet au sujet de la température du Soleil vont à cette occasion sortir de l’oubli. Il nous faut enfin retenir ici que
vers 1845, les scientifiques ont à leur disposition une valeur de l’intensité du rayonnement solaire. Certains d’entre eux vont rapidement utiliser le concept de conservation de l’énergie nouvellement
découvert, pour exploiter cette découverte et poursuivre la voie que Pouillet avait ouverte. Si en 1824 les travaux de Pouillet pouvaient paraître trop spéculatifs et de peu d’intérêt, il n’en est plus
de même une vingtaine d’années plus tard.
the atmosphere, p. 194. Cette courte note de Forbes est parue dans The Edinburgh New Philosophical Journal, mais également dans le premier volume des Proceedings of the Royal Society of Edinburgh pour les années 1832-1844, pp. 56-57, publié plus tardivement en 1845. Cette note ayant été publiée initialement en 1835, la référence au travail de Pouillet suggère que le mémoire du français était connu de Forbes, bien qu’il n’ait pas été publié officiellement.
2.2.3 Un nouvel espace pour une nouvelle recherche ? L’apparition du « physical observatory »
Depuis le sillage des travaux pionniers de Pouillet, Herschel et Forbes, l’actinométrie est pratiquée essentiellement dans un cadre météorologique. L’actinomètre investie alors certains observatoires
et accompagne les expéditions scientifiques, s’ajoutant ainsi à la liste des instruments usuels de terrain. Sa pratique n’est pas dirigée vers l’étude du Soleil, mais bien plutôt à l’interaction entre son
rayonnement et notre atmosphère. Elle vient s’incorporer à d’autres programmes d’observations et de mesures, formant un domaine d’étude mélangeant météorologie, étude du géomagnétisme et son lien avec l’activité solaire, que Quetelet désigne « physique du globe ». Si cette expression n’est pas
de lui, il s’efforce cependant d’en caractériser l’extension101.
Depuis la création de l’Observatoire de Bruxelles en 1832 Adolphe Quetelet, son directeur, greffe à
une observation routinière une recherche à caractère plus expérimentale. En mai 1835, John Herschel interpelle Quetelet pour qu’il se joigne aux programmes mis en place par les savants allemands et
anglais dans le domaine du géomagnétisme, « the magnetic crusade »102. Mais face à l’énormité de la tâche, Herschel se désengage du projet, et Quetelet prend le relais en 1840 comme coordinateur
des campagnes d’observations météorologiques. Il déploie ainsi un réseau de collaborateurs à travers l’Europe. Parmi les différents instruments disposés à l’Observatoire, Quetelet va y adjoindre des
actinomètres basés sur les modèles d’Herschel et de Pouillet.
Quetelet soutient un tel programme d’observation dans un cadre plus global d’étude des phé- nomènes périodiques terrestres. Dans son désir de traquer les lois sous-jacentes aux phénomènes
atmosphériques, il instaure un suivi journalier des températures et des degrés actinométriques dans son observatoire. Les observations s’étalent de 1843 à 1855, prises à la même heure, le midi, et sont
consignées dans les Annales de l’Observatoire de Bruxelles. Ces travaux montrent, contrairement à ce que laisse entendre Peggy Kidwell, que les estimations de Pouillet sur l’absorption atmosphérique
et la constante solaire ne furent pas négligées par les astronomes et les physiciens103. Bien que di- recteur d’un observatoire d’astronomie, il ne montre pas d’intérêt pour l’actinométrie en dehors de
son utilisation dans le cadre météorologique, tout comme Herschel ou Forbes avant lui.
101. Voir par exemple son ouvrage qu’il publie à ce sujet en 1861. Quetelet (1861), Sur la physique du globe. 102. Nous renvoyons ici au premier chapitre du livre de Fabien Locher, Le savant et la tempête, qui traite des travaux