La transparence de l'atmosphere. VI. La brume blanche

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La transparence de l’atmosphere. VI. La brume blanche

J. Duclaux

To cite this version:

LE

JOURNAL

DE

_PHYSIQUE

E7’

LE

RADIUM

LA TRANSPARENCE DE

L’ATMOSPHERE.

VI. LA BRUME BLANCHE

Par M. J. DUCLAUX.

Sommaire. 2014 On

a souvent _interprété les mesures de _{l’absorption atmosphérique} en _{représentant}

les coefficients _{d’absorption par la} somme de deux termes, l’un de diffusion moléculaire, l’autre

indé-pendant de la longueur d’onde. Ce second terme _{correspondrait} à une brume blanche, faisant _disparaître les objets sans modifier leur couleur. Cette brume blanche ne _peut être _{qu’exceptionnelle;} dans l’immense _majorité des cas, les effets obtenus par les filtres colorés en _{photographie,} et l’observation

visuelle, montrent que la brume absorbe les rayons d’autant plus que leur longueur d’onde est plus

courte. Des mesures faites _{spécialement} conduisent au même résultat. La _{décomposition} de _{l’absorption}

en un terme de diffusion et un terme de brume blanche est donc un artifice qui ne _{peut donner que des}

résultats sans valeur.

SÉRIE N-111. - TOME 1. :B° 2. FÉVRIER 19M.

1. - Les _mesures du coefficient

d’absorption

k de

l’atmosphère

ont été très souvent

_{représentées}

_par

une formule du

_type

~~.=cc+~~-»~

dans

_laquelle

ba,-»L est le terme

_{correspondant}

à la diff usion

_{moléculaire,}

_{tandis que} a est un terme

indépendant

de la

_longueur

d’onde,

correspondant

à ce _que

_{j’appellerai}

une brume blanche. Ce mode de

_{décomposition}

de

_{l’absorption}

totale revient à

admettre

_{qu’il n’y}

a _{que deux modes}

d’affaiblis-sement de la lumière : la diffusion moléculaire et la brume

blanche,

à l’exclusion de toute brume

bleue,

c’est-à-dire absorbant les rayons d’autant

plus

forte-ment _que leur

_longueur

d’onde est

_plus

courte.

Ce mode de

_{décomposition}

est

_purement

arti-ficiel et

soulève,

dès

_qu’on

veut lui donner une

appli-cation

_générale,

_{de graves}

_{objections [1, 2].}

Des

obser-vations très

_simples

montrent en

_effet,

de la manière

la

_plus

évidente,

que la brume

blanche,

si elle

existe,

ne

_peut

être

_{qu’exceptionnelle,}

et ne

_peut

_par suite intervenir

_{qu’exceptionnellement}

dans

l’interpré-tation des mesures. Dans la très

_{grande majorité}

des cas, la brume

(en désignant

par ce _mot,

_opposé

au mot

_brouillard,

ce

_qui

limite la visibilité à des

distances de l’ordre du kilomètre ou

_davantage)

a un

_pouvoir

absorbant d’autant

_{plus grand}

_que la

longueur

d’onde est

_plus

faible.

Si la brume blanche existait

_seule,

avec une densité variable d’un

_jour

à

_l’autre,

le Soleil

_aurait,

à une

même hauteur au-dessus de

l’horizon,

toujours

la même

_couleur,

avec une brillance variable.

L’obser-vation montre au contraire

_qu’à

une

_petite

hauteur le Soleil

_peut

avoir toutes les colorations entre le

blanc et le _rouge.

Si la brume blanche existait

seule,

l’emploi

des

filtres colorés en

_photographie

serait

_inutile,

_pour des distances de l’ordre de 10 km ou

_plus

faibles.

En

_effet,

_pour ces distances le terme de diffusion

moléculaire est

_petit.

Soit un

_objet

noir sur fond

blanc. Admettons

_qu’il

ne soit

_perceptible

à distance que

lorsque

la différence de brillance entre

l’objet

et le fond du ciel est

_supérieure

à 2 _pour 100, et

que ce chiffre soit atteint à 1o km pour les _rayons

bleus

o,45

[.).

Un calcul

_simple

montre _{que la}

diffé-rence des

_brillances,

ou contraste, sera _0,026 en

lumière

_jaune,

_{c’est-à-dire que}

_l’emploi

d’un filtre

jaune monochromatique

se

traduira _par une _augmen-.

tation de contraste de 0,006

seulement,

absolument

inappréciable.

Pour une limite de visibilité

_{de 10}

km en lumière

_jaune,

le _{contraste pour} un

_objet

noir situé

à 4

km serait 0,231

_(bleu)

et

_o,246

_(jaune).

Des millions

_{d’expériences}

_{faites par les}

_photographes

attestent que les différences réelles sont

beaucoup

plus grandes,

et que par suite la brume blanche ne

peut

être

_{qu’exceptionnelle (1).}

2. - Pour le

vérifier,

l’emploi

de la

_photographie

n’est _pas

_{indispensable,}

et il suffit d’examiner des

(1) Pour un _objet vert ou _{jaune (feuillage) l’emploi} d’un filtre vert ou jaune diminuerait les contrastes au lieu de les

augmenter, c’est-à-dire que les photographes devraient au

contraire employer un filtre bleu. On voit par là combien

l’hypothèse de la brume blanche _éloigne de la réalité.

42

objets

lointains au travers de filtres

approximati-vement

_{monochromatiques.}

_{Depuis plusieurs}

_années,

j’ai

fait

_beaucoup

d’observations de ce _genre dans

des lieux très

divers,

et dans toutes les circonstances

la substitution d’un filtre

_jaune

ou

_{rouge- à}

un filtre

bleu a amélioré considérablement les contrastes,

même à courte distance

_quand

la diffusion molé-culaire _{n’intervenait que pour} une

_proportion

négligeable

de

_{l’absorption.}

Je ne veux _pas en

conclure que la brume blanche n’existe pas, mais

elle est si rare

_{qu’après plusieurs}

années on

_peut

très bien ne l’avoir

_jamais

rencontrée.

En faisant les observations de très bonne

heure,

lorsque l’atmosphère

est

_près

du

_point

de rosée,

l’avantage

du filtre

_jaune

ou _rouge est moins

_grand

que

quelques

heures

_plus

tard

_quand

l’air s’est échauffé. Ceci montre

_qu’à

mesure _que

_{l’atmosphère}

tend vers la

_saturation,

_{l’absorption}

se

_rapproche

de celle d’un _nuage, derrière

_lequel

le Soleil

_disparaît

sans

_changer

de coloration d’une manière évidente.

Je dois noter

_qu’en

_plusieurs

occasions,

avec une

_atmosphère

très voisine de la

saturation,

les contrastes en lumière

_jaune

ont _paru

_plus

forts

qu’en

lumière rouge. Il est donc

_possible

_{que dans}

ces cas il _{y ait} un minimum relatif

_{d’absorption}

pour une

_longueur

d’onde voisine de

_o,~~

_z.

3. Mesures. - Les faits

_{qui précèdent}

sont si

généraux

et si

_{frappants qu’on}

s’étonne

_qu’ils

puissent

être aussi souvent méconnus.

_Cependant

on

_pourrait

leur

_{objecter qu’ils}

ne sont _pas

_appuyés

sur des

nombres;

qu’il

_y a des différences selon la

couleur dans la

_perception

des

contrastes,

soit _par

l’oeil,

soit _{par la}

_{plaque photographique;}

et _que

les

_objets

observables sont colorés et non noirs.

Soumises au

_calcul,

ces

_objections

se montrent sans

valeur;

cependant j’ai

tenu à _{vérifier par des} mesures

de contraste les résultats

_{qui précèdent.}

Les vérifications sont si nettes

_qu’on

_peut

_employer

une méthode très

_{simple. Supposons qu’une}

surface noire soit observée d’un

_{point éloigné,}

situé sur la

même

horizontale,

en un lieu tel _que la surface se

projette

sur le fond du ciel. La brillance de cette

surface sera celle de la couche d’air

_interposée,

et

elle tendra vers une limite

_quand

la distance croîtra

indéfiniment,

si l’éclairement de

_{l’atmosphère}

reste

constant sur toute cette distance. La limite sera

la brillance du fond du ciel

_adjacent

à la mire. Le contraste entre la brillance b de la mire et la brillance B du fond du

ciel,

c’est-à-dire la gran-deur

_B-b/B,

ne

dépendra

_{que du coefficient}

d’absorp-tion de

_{l’atmosphère.}

Si donc la brume est

blanche,

le contraste sera

_indépendant

de la

_longueur

d’onde,

si du moins les distances sont assez courtes _pour

que la diffusion moléculaire n’intervienne pas.

Les contrastes ont _{été mesurés par}

_photométrie

photographique

pour différentes

longueurs

d’onde isolées par des filtres. Les circonstances

atmosphé-riques

n’ont pas été

favorables;

alors

_qu’il

aurait

fallu des brumes

denses,

rapprochant

la limite de

visibilité à moins de 1o _km, cette limite n’a

_jamais

été inférieure à 20 km en lumière

jaune

Dans ces

conditions,

la diffusion moléculaire intervient comme

correction. Pour en tenir

_compte,

les observations

sont calculées de la manière suivante :

i° On détermine _{le contraste pour le début de} l’ultraviolet

_(lumière

de

_Wood)

et l’on en déduit

le coefficient

_{d’absorption correspondant}

à cette

lumière;

2~ En

_soustrayant

le terme de diffusion

molé-culaire,

on obtient la densité de la

_brume,

densité

indépendante

de la

_longueur

d’onde si la brume est

blanche;

30 Admettant _que la brume est

blanche,

en

ajou-tant à sa densité constante celle de la diffusion

moléculaire _{pour les}

_longueurs

d’onde des différents

filtres,

on obtient le contraste _{calculé pour} ces

filtres;

4 °

Soit 3 la différence

_(contraste

observé-contraste

calculé).

En cas de brume blanche et de mesures

parfaites,

tous les devraient être

nuls;

par suite

des erreurs de mesure,

qui

sont une fraction

impor-tante des

_quantités

à mesurer, on trouvera des nombres

_positifs

et

_négatifs

dont la somme

algé-brique

sera nulle ou très

_petite.

Si au contraire la

brume est

_bleue,

toutes les

_longueurs

d’onde utilisées

étant dans le

_spectre

_visible,

c’est-à-dire

_{plus grandes}

que celle de la lumière de

Wood,

les A seront

systéma-tiquement positifs.

Résultats. - Les

mesures ont été faites à onze

dates

différentes,

pour

sept

filtres laissant passer les

_longueurs

d’onde

_0,37,

_{0,42, o,45, o,Ci.8, o,54,}

o,58,

o,65 li. Je ne donnerai pas le détail des résultats

obtenus,

mais seulement le résultat d’ensemble.

i° Nombres bruts. - Sur 53 différences :

31 sont

_positives

Somme _{1 , 8(j}

22 sont

_négatives

_{Somme o,g~}

Ainsi les nombres

_{positifs l’emportent}

du double

sur les

_négatifs;

on doit en conclure que la brume

blanche,

si elle

_existe,

n’est en tout cas _{pas la seule :} ce

_qui

suffit à ruiner le mode de

décomposition

incriminé.

20 Nombres

_corrigés.

- Cette

première

conclusion

est rendue

_{incomparablement plus}

nette _par un

examen

_plus

attentif. Pour des études de ce _genre, une mire noire artificielle ne

_peut

être

_employée,

car il faudrait lui donner des dimensions

_prohibitives

(de

l’ordre de

nom).

Il faut

_donc,

comme dans

toutes les études de visibilité

_qui

font

_partie

du programme des

météorologistes,

utiliser les mires

naturelles :

_je

me suis servi d’un rideau de

_feuillage

vert. J’ai

_déjà

montré

_[I]

_{que cette mire} a un albedo

faible,

même dans le

_jaune

et le vert. Sa brillance

est _presque

_négligeable

vis-à-vis de celle du fond du ciel dans

l’ultraviolet,

mais elle

_augmente

à

43

que faiblement dans le rouge, le ciel lui-même étant peu brillant pour cette couleur. A la condition que

toutes les mesures soient faites à la même

_heure,

la brillance de _{la mire par}

_rapport

au ciel est _peu

variable et l’on

_peut

_envisager

des valeurs _moyennes

qui

sont les

suivantes,

en fonction de la

_longueur

d’onde que laissent passer les filtres :

Les contrastes observés seront donc inférieurs aux

contrastes

_qu’aurait

donnés une mire

noire;

une

correction facile

_permet

_{de passer des} uns aux

autres. Nous continuerons à

_appeler

contrastes

observés les nombres ainsi

_corrigés.

La

_comparaison

des contrastes observés et

calculés,

faite comme il

est dit au

_{paragraphe précédent,}

donne les résultats

suivants :

42 différences

_positives

Somme _3,39

_Moyenne

_z080

10 »

_négatives

» _o,37 »

_0,03~

La somme des valeurs

_positives

est maintenant neuf fois

_{plus grande}

_{que celle des}

_négatives,

celles-ci

étant d’ailleurs en _{moyenne de l’ordre des} erreurs

possibles.

On

_peut

en _{conclure que la} brume

blanche,

en

supposant

qu’elle

existe,

est en tout cas

excep-tionnelle. Normalement la brume est

bleue,

comme

les

_{expériences qualitatives}

le faisaient

_prévoir.

Mesures en lumière bleue. - Les nombres obtenus

pour le filtre bleu

(o,45~)

sont anormaux. Pour

toutes les autres

couleurs,

le contraste observé est en

moyenne,

après

correction de brillance de

mire,

nota-blement

_supérieur

au contraste calculé. Au contraire

pour le bleu la différence moyenne est

_{négligeable.}

-

--- , j J - -- - -

- ) - - - ) - - - - , - , - - - - ) - -. - , - - , /

Il y aurait

donc,

un excès

_{d’absorption}

dans le

bleu. Il est

_remarquable

_que

_je

suis

_{déj à}

arrivé à la

même conclusion dans une étude

_{précédente [i]}

de telle sorte _{que l’existence} de cet excès

_{d’absorption}

est maintenant

_appuyée

_{par deux séries}

d’expé-riences

_{indépendantes.}

J’avais attribué cet excès à la

_présence

_possible

du

_peroxyde

d’azote. J’ai su

_depuis

_que

_Reynolds

_[3]

avait effectivement constaté la

_présence

de

_peroxyde

d’azote et en avait fait le

_dosage;

il a été retrouvé par Paneth et

_{Edgar [4].}

Mon

_hypothèse

est donc

confirmée,

au moins

_{qualitativement.}

Les

_quantités

trouvées sont en

_général

inférieures à celles _que

j’avais

envisagées

(par

mètre

cube,

0,03 mg

maximum au lieu de 0,02 mg

moyenne),

mais

comme

_j’avais

reconnu la très

_grande

variabilité

du

_~TO~

il

_n’y

a _{pas pour} le moment contradiction

entre ces

_chiffres,

_qui

sont du même ordre.

Si du tableau des différences nous

éliminons,

comme nous avons le droit de le

faire,

celles

_qui

sont

relatives à la lumière

bleue,

l’inexistence de la brume

blanche devient encore

_plus

nette :

32 différences

_positives

_{donnent pour} somme... _{3, io}

3 »

_négatives

» » ..,

_0?03

4. Loi réelle de

_{l’absorption}

de la brume. -Bien que les

expériences qui précèdent

n’aient pas

été conduites comme des mesures de

_précision,

on

_peut

en tirer une valeur _{moyenne des}

_propriétés

optiques

de la brume dans les conditions de ces

expériences.

Les valeurs _moyennes des contrastes,

corrigées

pour la brillance propre de la

mire,

sont :

La distance de la

mire,

réduite à la densité normale

de

_{l’atmosphère,}

_{est 7}

3oo m. Si

_d’après

ces nombres

on calcule les coefficients

_{d’absorption,}

et si l’on en

retranche _{les valeurs données par} la formule de

Rayleigh (considérées

comme une

_première

approxi-mation

_grossière),

on obtient les coefficients

d’absorp-tion K de la brume _{moyenne. Ces coefficients} sont à _peu

_près

en fonction inverse de la

_longueur

d’onde,

car le

_produit

K)B-1 est _{à peu}

_près

constant :

Nous retrouvons dans ces chitfres le

_supplément

d’absorption spécifique

pour le

bleu,

déjà

signalé.

5. Brume de surface et brume d’altitude.

-Ces mesures ont été faites en août et

_septembre,

dans

un _{pays entièrement couvert} de

_végétation

et à

l’abri des fumées. La brume _{n’était pas}

_épaisse,

puisque

la limite de visibilité en

_jaune

était

_comprise

entre 25 et 120 km. Elle était nettement

bleue,

comme on vient de le voir.

Si la brume de surface est

bleue,

rien n’autorise

à _{penser que la brume} d’altitude soit blanche. Il faudrait admettre _{que les}

_{particules qui}

la forment sont

_plus

_{grosses que} celles

_qui

existent

_près

du sol.

Cette

_hypothèse

demanderait une _preuve

formelle,

sans

_laquelle

elle est

_{inacceptable.}

Quand

cette preuve n’est pas

donnée,

nous avons

le droit de dire que la

décomposition

de

_{l’absorption}

atmosphérique

à

_grande

_altitude,

en un terme de diffusion moléculaire et un terme

_indépendant

de

la

_longueur

d’onde,

est un artifice

_qui

ne

_correspond

pas au

_phénomène

_réel,

_{et que les}

_{conséquences}

tirées de ce mode de

_{décomposition}

sont sans valeur.

Manuscrit reçu le iu _{juin ~ 1 VJv.}

BIBLIOGRAPHIE.

[I] J. DUCLAUX, J. de _{Physique, I935, 6, p. 40I. 2014 [2]} J. DUCLAUX, J. de Physique, I939, 10, p. 367. 2014

[3] REYNOLDS, Nature, I938, 142, p. 571; J. Soc. Chem. Ind., I930, I68 T. 2014