La condensation de la vapeur d'eau par détente

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To cite this version:

A.-B. Chauveau. La condensation de la vapeur d’eau par détente. Radium (Paris), 1912, 9 (4),

pp.161-169. �10.1051/radium:0191200904016100�. �jpa-00242544�

La condensation de la vapeur d’eau par détente

Par A.-B. CHAUVEAU

DEUXIEME PARTIE

Y.

^-

Les poussières solides de l’atmosphère.

10.

^-

Les germes de Coulier et d’Aitken, ^néccs-

saires à la condensation, ^ces particules ^{d’une extrême}

ténuité qui ^{existent dans l’air en} apparence ^absolu-

ment pur, mais qui, cependant, ^{sont arrêtées} par ^le filtre en coton, peuvent-ils ^{être, au moins en} partie, des poussières ^{solides dans un} grand ^{état de division}

et, par suite, ^{aisément soutenues} dans l’atmosphère?

Pour concevoir que de telles particules puissent

provoquer la formation de gouttes grossissantes par

la condensation, suivant le mécanisme que ^{nous avons}

indiqué, il faut supposer que, par ^{une action} difficile à préciser, ^{il est vrai, elles se} recouvrent tout d’abord d’une mince couche liquide ^leur permettant d’agir

ensuite comme les gouttelettes originelles ^{de la for-}

mule de Lord Kelvin. Le fait n’est point ^démontré, mais, malgré l’incertitude qu’il comporte, ^on peut l’admettre comme s’accordant avec certains résultats

d’expérience, ^et parce qu’il ^{n’existe aucune raison de}

le rejeter ^comme improbable.

Nous devons donc chercher u nous rendre compte de l’importance possible ^{du rôle des} particules ^solides

en suspension dans l’air.

Ces fines poussières proviendront ^{avant tout du sol2.}

Dans les couches basses, leur existence n’a pas besoin d’être démontrée. Les expériences de Pasteur3 sur

les particules recueillies par le filtrage ^{de l’air sur}

du coton, celles ^de Pouillet 4, et d’autres plus ^récentes

de G. Tissandicr ^ont fait connaitre la composition ^du

cc sédiment aérien » au voisinage ^{du sol. Mais,} pour étalilir leur présence ^{dans les} premiers kilomètres de

1. Voir la première partie ^{de ce} mémoire : Le Radium, 9 (1912) ^85.

2. Il semble qu’elles puissent ^aussi avoir,

^au

moins accideti- tellement,

^une

origine cosmique. De nombreuses analyses ^de dépôts ^aériens pulvérulents ^ont montré l’existence de particules

attirable, il l’aimant et constituées _oar du fer

sous

forme de

globules ^{arrondis, souvent} presque spliériques, ^{d’autres fois} allongés

^en

ampoule ^et toujours munis d’une sorte de col

ou

goulot plus

^ou

moins accentue. Leur diamètre est variable, ^mais généralement voisin de 0,01 ^mm. Les observations

sur ce

sujet

sont nombreuses (Voir ^G. TISSANDIER. - Les poussières ^{de l’ah’}

(1877. _p. 55 à 60). ^{Parmi les} plus intéressantes.

on

peut ^citer celle3 de Nordenskioeld

sur

les dépôt" ^{observes dan- la} neige

des régions polaires [Co ^{R.. 77} (1875, ^{-l(j3: et 78 1874 236:}

appuyées par les expériences ^{due 31. Daubrce} ,C. ^{R. 84} 1877) j20]. ^elles

^ne

^laissent guère de doutes

sur

l’origine ^cUra-ter-

restre de

ces

météorites microscopiques.

7,. Anl1. Cla. et Phys. ^{;)’ 64 1862.}

4. Etude des corpuscules

^en

suspension ^dans l’atmosphère.

5. Loc. cit., p. ^{1 à 55.}

la couche atmosphérique, il n’est pas ^sans intérèt d’insister sur certaines circonstances de leur produc-

tion, ^et de montrer par quelques exemples ^comment

elles peuvent ^{subsister dans les} régions ^{élevées, de} façon presque permanente ^{et non} simplement ^acci-

dentelle par ^l’eflèt d’un entraînement passager.

11. tes pluies ^de poussières, ^si fré(luentes ^dans

certaines régions pendant quelques ^{mois de l’année,}

-

et qui passent ^souvent inaperçues, quand ^elles

sont faibles, ^{en raison de la finesse des} grains,

^-

d’origine certainement désertique, ^{mais se manifes-}

tant parfois ^à des milliers de kilomètres de leur point

de départ, ^{montrent avec} quelle facilité des parti-

cules relativement _grosses par rapport ^à celles dont Coulier et Aitken supposaient ^la présence peuvent cheminer dans l’atmosphère. ^Celles qui ^{tomhent sont} généralement alourdies par ^la condensation, ^ou

entraînées par ^la pluie ^{ou la} neige; ^les parties ^les plus ^fines peuvent ^rester longtemps ^ell suspension,

sans donner lieu à. un dépùt appréciable.

Ces transports ^{de matière solide} par la voie aérienne

atteignent parfois ^des proportions extraordinaires.

Nous n’en citerons ici qu’un exemple’. Dans la chute de neige ^rouge qui ^{eut lieu en 1859, en} Westphalie,

et qui porta ^{sur 40} 000 kilomètres carrés en donnant environ 30 grammes de poussières ^par mètre carré

ou 50 tonnes par kilomètre carré, ^on trouve, pour la masse totale, ^{i 200} 000 tonnes venues par l’atmos-

phère, ^en poudre impalpable, depuis ^{les déserts du}

Sahara.

Certaines bruInes sèches ou brouillards _secs, tels que la briiiiie i-oiisse de l’Atlantique, fréquemment

observée entre les Iles du Cap ^{Vert et les Canaries, et} peut-être ^{aussi le} Qobar, ^autre brouillard très ^re-

inarquable étudié autrefois par M. d’Abbadie en

Éthiopie ^{et très commun ¿l} Madagascar, ^semblent

bien n’être dus qu’à ^la présence ^de poussières ^extrê-

mement fines, derniers résidus des masses entraînées, flottant dans l’air sans donner de dépôt appréciable,

1. On trouvera de- indications plus complues

^{sur ce}

sujet,

et.

en

gênerai.

^sur

^{les données} l’elatiycs

aux

chutes ’te pous- sières, dans l’article

^If

Sole:s

sur

les chutes de poussières

^»

que

nous aS0ll·

publié antérieurement dans l’Annuaire de la So- ciété météorologique ^mai 1903.

La question

^a

été traitée autrefois pur Arago (OEures

^com-

plètes, ^t. XH). ut surtout par Ehrenberg auquel

^un

^{doit le} plus important travail d ensemble. Gaaoll Tissandier, dans 1°ouw age

cité plus llallt. donne.

wuc

tes résultats de

ses

recherches ver- sonnelles,

un

résume des documents reunis par EhrenLersr ^et

par Arago.

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/radium:0191200904016100

profondeur la couclle atmosphérique ^oit

sont répandues.

L’arrachement de niasses considérables de ma-

tières pulvérulentes du sol des contrées désertiques,

par ^les grands mouvements ascendants de l’air au-

dessus de ces régions, ^{est un} phénomène presque

régulier dont l’intensité peut ^{varier suivant les con-} ditions météorologiques, ^mais qui ^se reproduit chaque année, ^et particulièrement ^{dans la} période ^du 15 j an-

vier au 15 _mars, constituant ainsi une cause per- manente cle production ^de poussières atmosphériques.

12.

^-

Une autre cause importante, ^bien qu’acci- dentelle, ^{de cette} production ^{se rencontre dans les} éruptions volcaniques. Celles-ci déversent dans

l’atmosphère ^{des torrents de} poussières ^{très fines,} atteignant parfois ^des régions ^très élevées, ^et qui

entrainées par la circulation générale, ^se manifestent

encore longtemps après l’éruption ^{et très} loin de leur lieu d’origine. C’est ainsi que les lueurs crépuscu-

laires observées en Europe, ^{en 1885 et} 1884, ^{ont été} généralement attribuées à la présence dans la haute

atmosphère, ^de poussières provenant ^de l’éruption ^du

Krakatoa. De même, les lueurs analogues signalées

en 1902, 1903 ^{et 1904 ont} paru avoir ^{leur cause} dans les projections pulvérulentes des volcans des Antilles,

en mai 19021.

M. Marchand’ 2 a fait une étude complète ^des phéno-

mènes optiques, ^lueurs crépusculaires, ^couronnes

solaires et lunaires, anthélies, ^{observés au Pic du} Midi et à Bagnères durant la seconde période. ^{Il a}

trouvé pour la hauteur des poussières des nombres variant entre 10 et 40 kilomètres. D’autre part, l’observation des couronnes, considérées comme un

phénomène ^de diffraction dû à la présence ^{de ces} poussières, ^{lui a} donné, pour le diamètre moyen des

grains, 2,5 ^{microns environ.}

M. Marchand ^a égalcment ^{constaté, en} les rappor- tant à la même _cause, des diminutions notables de l’intensité de la radiation solaire. Elles commencèrent à être sensibles une vingtaine ^de jours après l’érup-

tion du Mont-Pelé, et, d’abord irrégulières, prirent ^un

caractère permanent ^vers le mois de janvier ^1903.

Les 21 et 22 février de cette année, la diminution de la radiation solaire atteignit, ^à Bagnères, ^{la moitié de}

la valseur normale. L’atmosphère ^{était alors vérita-}

blement chargée ^d’une poussière qui paru.t ^descendre lentement et dont on put recueillir des traces nettes

sur certaines toitures de zinc--,.

1. Nous

ne

croyons pas, cependant, que de telle, hypotheses pUISSt’lli ^Ctl’C acceptées

^SaIlS

l’éSel’1’eS.

puissent ^être acceptées sans réserves.

2. Ann. Soc. Météor., février 1905.

5. L’observation est intéressante, ^mais il y

^a

^tout lieu de croire que, du moins ^{en ce} qui ^{concerne la véritable chute der} poussières ^{des 21 et} 22 février, signalée

^aux

mêmes dates dans

un

grand nombre ^de points ^de l’Europe occidentale et centrale

[C. ^{R. 136} (1003’ 636], l’uriginc était saharienne et

nen

erup-

observation ancienne, ^un peu oubliée mais extrême- ment curieuse, d’un phénomène d’origine probablc-

ment éruptive. ^Il s’agit du brouillard extraordinaire

qui, ^en juin 1785, couvrit la presque totalité de

l’Europe ^{et dura} plus d’un moisi.

« Ce brouillard, ^{ou cette} fumée, ^ne ressemblait

aucunement aux brouillards ordinaires, ^{car ceux-ci}

sont généralement ^{fort humides ; toutes} les relations s’accordent à considérer l’auire comme très sec (no-

tamment les observations de Sennebier à Genève) ...

Les pluies abondantes qui ^{tombèrent en} juin ^{et en} juillet ^{ne le} dissipèrent pas. Jamais les orages ^ne furent aussi fréquents que pendant la durée de ce

brouillard. Enfin, ^{et ceci est très} digne ^de remarque, le brouillard paraissait doué d’une vertu phospho- rique : ^{du moins,} quelques observateurs assurent que, le jour de la nouvelle lune, ^il répandait ^{une lumière}

presque égale ^à celle de la lune dans son plein ^et qui

suffisait à apercevoir distinctement les objets ^à plns

de 100 toises ² >>.

Et encore cette mention :

« On ^a remarqué que les brouillards de couleur bleue qui régnèrent ^si généralement pendant ^{l’été de}

1785 n’étaient point formés par ^une vapeur humidc;

leur odeur était très différentc de celle des aulres

brouillards, ^{et ils se} tcrminèrent, dans le Nord de la France, par des orages qui occasionnèrent beaucoup

d’incendies3 >>.

Bien que la ^cause de ce remarquahle phénomène

soit assez incertaine, ^{le sens} général de la propaga- tion, du Nord au Sud, ^{donne une valeur à} l’hypo-

thèse d’une origine volcanique ^{en Islande, où des} éruptions formidables eurent lieu dans les premiers jours ^de juin. ^« L’atmosphère de l’île était déjà, ^dès

le mois de mai, remplie ^{de fumée,} de vapeurs ^et de

poussières, ^{à ce} point que, près ^des montagnes, ^il faisait nuit en plein jour4. ^»

tive. Les caractères du dépôt ^{recueilli ont montré ces} poussières

très analogues ^{à celles} qui ^tombent régulièrement ^{sur le nord}

de l’Afrique

^{ou sur}

l’Atlantique ^et dont la provenance n’est pas douteuse. Kons avons d’ailleurs indiqué plus haut que la période

de janvier ^{à mars est} l’époque de l’année pendant laquelle ^ces

chutes de poussières ^{sont de} beaucoup plus fréquentes. ^{Il n’est}

pas impossible

^-

^il

^nous

paraît ^même probable

^-

que la ^recru- descence et la régularité constatées à partir ^de janvier ^{dans les} phénomènes observés par M. Marchand n’aient pas

^eu

d’autrc

cause

que l’abondance plus grande ^de poussières africaines.

1. Sa durée fut beaucoup plus lungue, de trois à quatre mois,

en certains points. ^Il parut ^à Copenhague le 24 mai et y per- sista 126 jours; ^à Mannheim, ^il dura du 16 juin ^{au 6 octobre.}

Il _commença le même jour, ¹⁸ juin, dans des lieux très éloi-

gnés ^les

^uus

des autres,

^comme

Paris, Avignon, ^{Turin, Padoue.}

Toutefois, le

sens

général ^de

^sa

propagation était du Nord

au

Sud.

car

il

ne

fil

son

apparition que le 26 juin ^{ii cil} Portugal.

Voir à

cc

sujet : ^{CH. lI}

^{ARHNS. -}

^{Naturc et} oriyinc ^des dil- férentes espèces de bnoutllards

secs.

Soc. Philom., ^{lu l’é-} vricr 1851 ; ^ut Journal l’Institut. 19, 61.

2. Ann. Chim. et Pli ys. (2). ^{13, 106.}

3. Ann. thiJJl. et Pjltjs. (2 , ^{33. 416.}

L Cil. MARHNS, luc. cil.

13.

^-

On trouvera dans l’ensemble des faits qui précèdent des raisons suffisantes d’admettre la pré-

sence permanente ^dans l’atmosphère, ^et jusqu’à ^de grandes ^{hauteurs, de} poussières solides a un état extrême de division, complètement invisibles a moins d’être accidentellement en grandes ^masses. La ques- tion qui ^reste posée ^{est celle de} l’importance ^{du rôle}

de ces parcelles ^de poussière ^{dans les} phénomènes ^de

condensation.

On aurait sur ce point ^une indication importante

si l’on pouvait estimer leur nombre.

Nous ^avons dit, ^en effet, qu’Aitken avait été con-

duit à cent mille environ par centimètre cube pour

un ordre de grandeur fréquemment ^{atteint du nombre}

des _{noyaux de} condensation dans l’air pris ^{au voisi-}

nage du sol. Le nombre des particules ^{solides corres-} pond-il ^{à cette} détermination?

Les données semblent faire complètement ^défaut

pour répondre ^{à cette} question : ^{du moins nous}

n’avons connaissance d’aucune. On peut essayer ^une évaluation indirecte, ^{et dont la} signification ^restera

d’ailleurs fort vague, ^en utilisant les résultats d’ana-

lyses ^{de G.} Tissandier 1,

D’après celles-ci, ^le poids moyen des particules

contenues dans un mètre cuhe d’air, ^à Paris, ^serait d’environ 0,008 gr., ^un poids ^{maximum de 0,025} gr,

ayant été constaté après ^huit jours de sécheresse en

juillet 2. ^A la campagne, ^à Sainte-Marie-du-Mont, ^les

nombres obtenus sont beaucoup plus ^{faibles :}

0,00025 _{br. dans} ^les conditions normales, ^{avec un} maximum de 0,0045 après ^une période ^{de séche-}

resse. D’autre part, ^les dimensions, ^très variables, étaient, pour les particules minérales, de 0mm, 01 ^à 0mm, 001, ^et au-dessous,

En supposant ^le dépôt uniquement constitué de

parcelles minérales, ^{de densité} 2, ayant, ^{comme vo-} lume moyen, celui d’un cube de 0mm, 001 ^{de côté’,}

on trouve pour ^leur nombre, ^{avec le} poids ^moyen, 0,0005 gr., du dépôt ^{normal à} Sainte-Maric-du-Mont : par ^mètre cube, 1,5,108; et, par centimètrc cube, 150 particules ^seulement.

Ce nombre est grandement éloigné ^{de celui d’Aitken ;} mais, ^en fait, ^bien qu’il ^{soit une} indicatioo, ^{il ne}

nous apprend ^{rien de net,} parce qu’il faudrait pou- voir apprécier ^dans quelle proportion ^les particules beaucoup plus petites, ^{de diamètre de} l’ordre du dixième ou du centième de micron, existent dans le

dépôt pulvérulent.

1. L oc. cü., _p. 1 à 10.

2. OH opérail par aspiration ^{lente di 1 an’} Ù travers de 1 eau distillée uni ^{rcleiiaii les} partirttle,. ^Leur poids ^utait donne par le poids du re-idu

sec.

L air traBcréait avant

sa

sort’e

un

tube témoin renfermant

^uii

tampon ^de coton-poudre (lui. ^{dissous dans}

i ethcr.

ne

deBait _pas laisstr de ^ti-ace- appréciable;" de substances solides.

3. Dimension de l’ordre de grandeur de celles O. particules

en

suspension produisant ^le phénomène ^{des couronne· dan- ie-}

observations de )1. Marchand.

En appliquant ^{à l’examen} des gaz les méthodes

ultra-microscopiques, ^{M. de} Bro2liel

¹

^a signalé ^dans

des milieux gazeux artificiellement troublés par des fumées (fumées ^{de tabac ou de} chlorhydrate ^d’ammo- niaque, par exemple), des nombres considérables, pou- vant atteindre plusieurs ^millions par ^{cn13. de} parti-

cules d’un diamètre variant de quelques ^{dixièmes a} quelques ^{millièmes de micron.}

De tels centres sont décelés, par les mêmes procé-

dés, ^{dans l’air} ordinaires ; ^{mais nous} n’avons ^aucune indication sur leur nombre, et, surtout, ^sur letto ^il(l- ture solide ou liquide, que la méthode d’observation

ne peut faire connaître. Il paraît difficile d’ètre fixé

expérimentalement ^{sur cc} point ^dont 1 importance

serait ici très grande, ^{car, d’une} part, ^il peut ^exister quelque ^{doute sur la} présence ^en quantité ^suffisante

de matières solides à un aussi grand ^état de division dans l’air normal, et, ^d’autrc part, ^{une théorie très} ingénieuse, que ^nous allons maintenant exposer, semble permettre ^{de trouver dans la} présence ^de particules liquides, ^de dimensions uniformes voisines du ccn-

tième de micron, ^{les centres de} condensation néces- saires à l’interprétation des résultats d’Aitken.

IV.

^--

Les poussières liquides.

^-

Théorie de M. Langevin.

14.

^-

La question de la détermination du _rayon que doivent avoir des gouttelettes pour ^{rester en} é(lui-

libre de pression ^avec la vapeur d’eau a différents états de sursaturation pcut ^ètre traitée par des consi- dérations de pure thermodynamique, ^{en étudiant a}

ce point ^{de vue} l’évolution d’un système ^{formé de} gouttelettes ^d’eau électrisées et de vapeur sursaturée, quand ^{une certaine} quantité ^de vapeur passe a l’état

liquides, le volume total rcstant constant, ^et suivant

une transformation réversible. La condition d’équili-

bre s’obtient on écri;ant cluc la dérivée du potentiel thermodynamique ^du système par rapport ^{au volume}

de la goutte, dont la variation ne correspond ^{à aucun}

travail extérieur, ^est égale ^{à zéro.}

C’est ce qu’ont ^fait indépendamment ^{J.-J. Thomsoii}

²

et M. Lan,eN,in--,. La solution très élégante ^{de M. Lan-} gevin n’a pas été publiée par ^son auteur, mais les

principes ^{en sont} exposés ^dans les thèses de deux de

ses élèves : d’abord dans le travail l bien ^connu de lI. E. Bloch4 sur les ions produits par le phosphore

et dans les gaz récemment préptrés ^{ensuite, dans}

la thèse de chimie de M. Henriet : « Contribution à l’étude de l’air atmosphérique . ^»

1. Étude

sur

les suspensions gazeuses. Le Radium, 6 HHIU)

203.

:!. Conductivity of Electricity through gazes, p. 149 (1903.

3. C"ui-du College ^de France, 1903-1904.

4. Ann. Chem. et Phys. ^{S 4} 1903 23-144. Chap.

^IX,

p. 133-134.

5. _11111. rle l’observatoue Muni ipal, 7 ^{i 1966 I1} partie.

Chap.

^fil.

conséquence

M. Langevin, ^cette intéressante hypothèse de l’exis- tence constante dans l’atmosphère, ^{même assez loin de}

l’état de saturation, d.eau condensée sous forme de

particules invisibles, d’un diamètre de l’ordre de

1/100 ^{de micron} (10-6 cm.). ^Ces particules, ^{dans un}

état d’équilibre ^stable, chargées ^{ou non,} correspon-

draient, par les dimensions que leur assigne ^{la théorie,}

aux gros ^ions dont 31. Langevin ^a démontré la pré-

sence dans l’atmosphère, ^et dont les dimensions ^se déduisent de la mobilité. Elles joueraient ^{le rôle} capi-

iat, ^sinon unique, ^{dans les} phénomènes de conden-

.

sation _par faibles détentes, véritables poussières ^li- quides constituant les germes les plus efficaces pour la formation des gouttelettes ^d’eau.

Bien que la clarté de l’exposition des résultats puisse

en souffrir, ^{nous ne} développerons pas ici la suite des raisonnements qui conduisent M. Langevin ^{à la}

formule d’équilibre t. ^{Nous nous bornerons à donner}

cette formule et à en discuter les conséquences.

rappelons d’abord le fait, signalé plus ^haut (n° 8),

de la variation de la tension superficielle pour des gouttes de rayons suffisamment petits, ^{résultant des} expériences de Reinold et Rucker. Nous allons voir intervenir ici la variation de cette tension qui, ^nous

l’avons dit, présente ^un minimum pour des diamètres de gouttes ^de l’ordre du centième de micron.

Ceci posé, la formule de M. Langevin ^{est la sui-}

vante :

p’ ^{est la} pression ^{de la} vapeur dans le récipient ; ^p

la pression ^maxima correspondant, pour la même

température, ^à l’équilibre ^entre la vapeur ^{et une sur-} face plane liquide ; d la densité du liquide; d ^celle

de la vapeur; ^{e la} charge, que ^nous supposerons, dans tout ce qui ^{va suivre,} égale ^{à la} charge ^élémen- taire; r le rayon de la gouttelette; ^{A la tension su-} perficielle. Remarquons que p’ p représente ^{la sursatu-} ration, qui intervient ici dans la formule, ^et par ^son

logarithme.

Pratiquemeut, le second membre peut ^{être sim-}

plifié. ^D’abord, p’-p ^est complètement négligeable

devant le premier ^{terme ; ensuite, le} rapport d d ^s’ex-

prime par

1. Un

en

trouvera l’expocé ^{dans le} Mcmuirc de M. lleiiriet,

loc. cut.. p. 263 à 270.

2. K’ = 76.1000 1,293.0.622,273- 13,396.981=346,13338

=461,7.104, en unités G.G.S.

la formule s’écrit alors :

Reittaî-qiie.

^-

^{Dans le cas de} gouttes ^{non char-} gées ^et de rayon ^assez grand pour que dA dr ^soit _négli-

geable, ^{on aurait}

C’est ^une forme différente de la formule de Lord Kelvin, ^mais qui s’éloigne ^assez peu de ^cette dernière pour des sursaturations ^très faibles. En effet, ^si p’ ^est

peu différent de p, de telle sorte que la différence

p’-p=Ap ^soit petite, ^on peut ^écrire

ou

cc qui ^est bien la formule de Lord Kelvin.

15.

^-

Iievenons à la formule complète

dont les racines doivent donner les rayons d’équilibre

de la goutte pour les différents ^états du système.

On obtiendra ces racines en construisant les deux courbes

et cherchant les points d’intersection.

Construisons la courbe en y. Un aura y=0 pour ^de très petites valeurs de r, telles que

dA dr+ ZA r = e 8tr4 : ^puis,y augmentera ^et passera par

un maximum _pour une certaine valeur du _rayon;

après quoi, ^{A diminuant et} dA dr ^devenant négatifs (d’après ^les variations de A dans les expériences ^de

Reinold et Rucker), y diminue. La courbe doit tra-

verser l’axe des abscisses, s’abaisser jusqu’à ^un minimum, ^se relever pour couper de ^{nouveau cet} axe, et les rayons r1 et r2 de ces points ^d’inter-

section sont d’un ordre de grandeur ^{voisin de}

5 à 6.10-7 cm.). ^Ensuite, la courbe s’élève et, A tendant ^{vers une constante et} dA dr ^{devenant négli-}

geable, ^elle s’infléchit, ^{à mesure} que ^r augmente, dans ure direction asymptotique ^{à l’axe des abs-}

cisses.

Sur la figure ci-contre, la courbe y ^se rapporte ^à

Fig. 1.

une goutte chargée. ^{Pour une goutte non} chargée, ^on

aurait une courbe telle que yi, ^se confondant _avec pour ^toutes les valeurs du rayon supérieures ^{à 10-7 cm}

environ, d’après ^les indications approximatives que

nous avons données précédemment (n° 9) ^{sur les} grandeurs ^{relatives du terme} e2 8tr4. L’influence ^de la charge ^{est donc nulle, et les} deux courbes ^sont

identiques, ^{dans la} région de minimum correspondant

anx rayons ^{de 5 à} 6.10-7 cm.

Considérons maintenant la courbe en z

Examinons d’abord ce qui pourrait ^se produire, ^et

les états d’équilibre possibles, ^{dans le cas} hypothé- tique ^d’une pression de sursaturation constante

(maintenue telle, malgré ^{la formation des} gouttes)

et, par suite, ^d’une température constante. Alors,

z =cte, ^{et la courbe se réduit à une droite} parallèle

i l’axe des abscisses, telle que Pl P2, ^et plus ^ou

moins éloignée ^{de cet axe, suivant la} sursaturation donnée.

Si celle-ci est suffisamm3nt grande, la droite ne

coupe pas la courbe _{en y ;} ce qui ^{veut dire} qu’à ^ces

sursaturations très fortes, il ^ne peut y avoir d’équi-

libre pour les gouttes qui, après ^{s’être formées,} gros- siront indéimiment.

Pour des sursaturations moindres, la droite cou-

pera yi ^{en deux} points ^{Pi et P 2 dont le} premier ^seul

donnera un état d’équilibre ^stable 1 pour de, valeurs

extrêmement petites ^{al du} rayon, de l’ordre des dimensions nlo1éculaires et correspondant a ^{un agré-}

gat ^d’un petit ^{nombre de} molécules, analogue ^{à celui} qui ^semble constituer, ^en moyenne, les petits ^ions.

Et ceci sera plus facilement obtenu, c’est-à-dire pour des sursaturations plus ^{faibles, si les centres} origi-

nels sont chargés ^et si la courbe y ^se substitue à yi.

Mais, pour des sursaturations plus ^{faibles encore,}

et pour la saturation elle-même (p’=p,z=0), ^on

aura un autre état d’équilibre ^{stable avec la valeur r2}

du rayon, ^ou des valeurs voisines, donnant une con-

densation permanente, invisible, ^en gouttelettes ^d’un

diamètre de l’ordre du centième de micron.

Ces goutteleites invisibles se formeront encore et

pourront subsister, mên2e au-oessous de la satura-

tion, pour des valeurs ^de p’ plus petites que p; ^et

ceci, ^en raison de la forme que donne ^à la courbe en y la variation de la tension superficielle.

Enfin, pour les ^très faibles sursaturations, ^{la droite} peut ^encore couper la courbe en y ^{en un} point plus

ou moins éloigné ^{dans la} partie ^{de la branche} asym-

ptotique, ^{et un autre état} d’équilibre ^est possible, correspondant, ^cette fois, ^{à des} gouttes de rayons relativement grands, donnant la condensation visible observée dans les expériences de détente.

Reprenons ^la question ^{sous une autre forme, et}

supposons-nous ^{au moment} précis où la détente vient d’être faite, ^la _vapeur n’ayant pas ^encore commencé à se condenser. Nous sommes en présence ^d’un système qui ^{va évoluer} adiabatiquement (en ^raison

de la rapidité ^{de la} condensation) ^{et à volume con-}

stant. Dans ces conditions, p’ ^{et T sont des fonctions}

du volume des gouttelettes ^2, c’est-à-dire du rayon ^r;

il en est de même de ^z.

La courbe N aura une forme analogue ^à celle que

représente ^la figure. C’est d’abord une droite sensi- blement horizontale dans la portion ^{Pi P2,} parce que la pression p’ varie peu ^tant que le rayon n’a pas atteint une valeur notable ; elle s’abaisse ensuite et v a

couper l’axe des abscisses ^{en un} point correspondant

à p’=p, c’est-a-dire à la saturation, ^{et à une} grande

valeur du rayon.

La courhe en z sera d’autant plus éloignée ^de

l’axe des abscisses que la sursaturation initiale sera

plus grande. Elle pourra donc couper, ^{ou ne} pas couper, ^la partie ascendante de y ^ou de Yi’ mais elle coupera toujours ^{ces courbes en un} point éloigné ^P3, correspondant ^{à un} rayon relativement grand a3.

1. Le raisonnement de )1. Langevin ^montra que les branches descendantes

x

et B ^de la courbe nn y ^sont des région; ^d’in;ta-

bilité :

nous

admettons ici

ce

résultat.

2. Car, ^à mesure que ^la condensation s’effectue, la pression

de sursaturation p’ ^{diminue, et la} température ^{T s’élève} par le

dégazement de chaleur qui accompagne ^cette condensation.

a, partie y1, points

section P, ^et P 2’ pour des rayons extrêmement pe- tits _a1 et ci,. Le premier ^{de ces} points, ^{seul, cor-} respond ^{à nn état} d’équilibre ^{stable. Dans} l’évolution du système, le rayon de ^la goutte s’arrêtera à la va- eur rcl, de l’ordre des dimensions moléculaires ; il

n’y ^{aura donc aucune} condensation, ^{ou du} moins, ^les gouttelettes produites ^ne représentent qu’une agglo-

mération de quelques molécules, rappelant ^l’édifice qui constitue, ^en moyenne, les petits ^ions.

Mais si, pour ^{la même} sursaturation initiale, ^les gouttelettes ^sont chargées, la courbe z ne coupant

plus ^la partie élevée de y, le rayon des gouttes grossit jusqu’à la valeur d’équilibre ^{a,;, très} grande, ^en pro- duisant une condensation visible. Tel est l’effet d’une détente telle _que 1,30, par exemple, qui, ^{ne donnant}

rien dans l’air pur ^non ionisé, _provoque ^{au contraire}

la condensation si cet air renferme des centres char-

gés, ^{et sur ces centres mêmes.}

En général, la condensation visible en gouttelettes

de grands rayons colnmencera à apparaître quand ^on

atteindra ^une valeur de la sursaturation donnant une

courbe z tangente ii yi (détente 1,38 ^{et S=9 dans}

les expériences de C.-T.-H. Wilson) pour l’air exempt de cllarbes électriques, ^ou tangentc à y (détente 1,25

et S=4) pour l’air ionisé.

16.

^-

Le point ^suivant parait capital ^{dans la} question qui ^nous occupe ^ici.

La condensation étant effectuée, supposons qu’on évaporc ^les gouttes, par compression ^du gaz, par

exemple, ^en général, par ^un réchauffement quel-

conque. ^Leur rayon diminuera, niais pas au-dessous de la valeur _{r2, à} cause de l’instabilité des régions

u et B, qui ^ne pourraient ^{être franchies que par une}

surchauffe notable.

Il peut ^{donc subsister dans le} gaz, ^{revenu à son} Ptat primitif après ^{avoi1’ été snumis à la con densa-} tiort, ^de véritables gouttelettes invisibles, ^{de dia-}

mètre voisin de 0,01 1nicl’on, qui persistent ^même rlrrccrccl la vapeur n’est plus saturante, ^et qui peuvent

servir de germes à des condensations nouvelles, ^sans qu"il soit nécessaire de faire appel ^{à la} présence ^de poussières ^solides (dont ^la possibilité n’est d’ailleurs pas exclue) ^{à un aussi} grand état de ténuité.

En résumé, d’après ^ce qui précède, l’existence de

gouttelettes liquides suffisamment petites ^en équi-

libre avec une atmosphère ^{non saurée de} vapeur d’eau serait possibles, ^{et ceci comme} conséquence ^de

la diminution que fait éprouver ^{il la} pression ^{de la}

vapeur à la surface de la goutte ^{la variation de la}

tension superficielle ^de l’eau dans le cas des gouttes

de petits rayon.

Ces gouttes, par leurs dimensions, ^{sont assimi-}

lables aux gros ials, ^{dont )J.} Lnnpevin ^{a démontré}

l’atmosphère. gros ions représenteraient gout-

telettes chargées. Et la théorie de M. Langevin ^con-

duirait en outre à ceci que, seules, ^{deux formes de}

ces agglomérations moléculaires sont possibles ^{à l’état} d’équilibre stable : celle qui ^{constitue les} petits ^ions correspondant ^{aux très} petits rayons tels ^{que al, et} celle qui constitue les gros ions de rayons voisins de _r2.

17.

^-

Quoi qu’il ^{en soit de ces} conséquences, l’ingénieuse ^{théorie de M.} Langevin ^{semble trouver}

une justification remarquable ^{dans un résultat numé-} rique que l’on peut ^en déduire : il s’agit de la valeur de e, quantité élémentaire d’électricité.

Pour obtenir la sursaturation S =p’ p nécessaire à la condensation sur les ions négatifs, il faut écrire que la courbe en z, assimilée à ^une droite horizon- tale, ^est tangente ^au point ^le plus ^{élevé de la}

courbe y. En ^ce point, ^on peut négliger ^{les variations}

de la tension superficielle, ^{et l’on est conduit à la}

relation (Langevin) :

Nous _pouvons essayer le calcul ^avec les valeurs données plus ^{haut et relatives à la détente i,25 dans}

les expériences ^{de C.-T.-R. Wi!son, savoir : T=2620,8}

et S =4,36. ^On a, d’autre part, ^{A=75 et}

h’ =461, 7.104, ^{en unités C. G. S. 1.}

En effectuant, ^{on obtient} e=4,85. ^10-10

c’est-à-dire une valeur qui,

^-

^très fortuitement, ^il

est vrai, ^étant données les conditions du calcul,

^-

^se

trouve être presque exactement celle qui résulte des

mesures directes les plus ^récentes (Ruiherford ^et Geiger, Millikan).

Si l’on ne peut attribuer à cette concordance une

importance ^{réelle, il n’en} parait pas moins certain que la méthode, rigoureusement appliquée, ^{est sus-} ceptible ^{de donner} beaucoup mieux que l’ordre de

grandeur ^{de e, et que les} considérations qui ^{ont con-}

duit M. Langevin ^{à sa formule} reçoivent, ^{de ce} chef,

un sérieux appui.

Y.

^-

Conclusions.

^-

Condensations atmo-

sphériques.

18.

^-

Nous avons signalé plus ^{haut, comme ré-}

sultant de nos connaissances actuelles, ^{à la vérité} fort incertaines. sur les matières solides en suspen- sion dans 1 air normal, _{que des} doutes pouvaient

1. 10g (1FT LgS) = 9,232.

exister sur la présence ^{de ces} particules ^en quantité

suffisante pour leur donner le rôle prépondérant ^dans

le phénomène ^des condensations.

Au contraire, ^les particules liquides ^{de M.} Lange- vin, qui ^{ne seraient autres} que les supports des gros

ions, avec ou sans charge, ^{et dont} l’existence, ^du

moins à l’état de centres chargés, ^aussi bien que le

pouvoir condensant, ^sont incontestables, satisferaient

comme nombre, ^{à la condition} requise par les résul- tats d’Aitken.

D’après ^{les mesures} exécutées à son laboratoire du

Collège ^{de France,}

^-

^mesures insuffisamment nom-

breuses, ^{il est} vrai, ^{et faites sur} l’air d’une grande

ville, c’est-à-dire dans des conditions _peu favorables à la généralisation ^des résultats,

^-

^M. Langevin ^con-

sidère les _{gros ions} comme 50 fois plus ^nombreux

que les petits ions existant normalement dans l’air. Il évalue a 10 000 le nombre de ces gros ^ions de chaque signe, ^{soit à 20 000 le} nombre des particules ^char- gées, par centimètre ^cube d’air’.

Or, ^{celles-ci ne} peuvent représenter qu’une ^fraction

de la totalité des particules. ^{« Les} particules chargées

ou gros ions, ^{résultent en effet de la} diffusion, ^vers

les particules ^{neutres, des} petits ^ions attirés électro-

statiquement par elles. Mais ^ce phénomène ^{est limité}

par la recombinaison des gros ions ^avec les petits

ions de signe contraire, et, ^{si les} petits ions des deux

signes ^sont également ^{nombreux, il s’établit un} régime permanent ^dans lequel ^une partie ^des particules ^est

transformée en gros ^ions. Cette fraction est d’ailleurs

indépendante ^{du nombre des} petits ^ions, puisque ^les

deux phénomènes ^inverses de diffusion et de recom-

binaison se font avec des vitesses proportionnelles ^à

ce nombre » (Langevin).

Si ce mécanisme de la formation des _{gros ions} est

réel, ^on peut prévoir que, dans le ^cas oil l’air ne ren-

fermera _que des ions d’un seul signe, ^toutes les par- ticules seront transformées en gros ions. C’est ce que

l’expérience ^vérifie quand ^on prend, par exemple,

(omme source ionisante, ^une lame de zinc chargée négativement ^{et soumise à} l’action de ^la lumière ultra-

1. D’après

^ces

données de M. Langevin, le nombre moyen des

petits ions serait de 200 de chaque signe, par centimètre cube.

Ce nombre est

au

moins cinq ^fois plus faible que la moyenne des déterminations assez nombreuses faites par divers observa- teurs avec l’appareil ^d’Ebert;

^ces

déterminations s accordent

assez

bien autour du nombre mille considéré plutôt ^comme

un

peu faible. Mais

^on

sait combien paraissent incertains les résultats obtenus

avec

le dispositif d’Ebert, où les ions de faible mobilité peuvent ^être captés ^{dans une} proportion impossible ^à prévoir.

Les

mesures

plus récentes de Pollock. à Sydney, par

^un

pro- cédé différent et vraisemblablement plus ^sûr. conduisent,

au

contraire, ^à des nombres beaucoup plus ^faihles que

^ceux

de NI. Langevin [J.-A. ^POLLOCK.

^-

^{Les ions de} l’atmosphère. ^Le

Radium, 6 1909) 129], ^{Polluck trolV’e,}

^en

^effet.

^comme

^teneur moyenne de l’air ^à Sydney, par centimètre cube ^et pour chaque signe :

^en

petits ions, ^{40: en} gros ions, deux mille environ. Un remarquera que le rapport indiqué par ^M. Langevin. de 1 à 50.

su

retrouve

encore

ici.

violette. Il se produit ^alors uniquement des gros ions

négatifs; ^et leur nombre est de l’ordre de 100 000 par centimètre cule. en accord avec le nombre des germes,

d’après les déterminations d’Aitken1.

En répétant l’expérience ^{avec de l’air} préalallement

filtré sur du coton, ^aucun gros ion ^{ne se} forme dans le gaz privé ^{de ses} particules; ^les petits ions y sub- sistent seuls, ^{sans se} transformer2,

Il est difficile de ne pas être frappé par les consi- dérations précédentes. Elles donnent une force sin-

gulière à l’hypothèse ^des particules liquides ^{de dimen-}

sions de l’ordre de celles des _gros ions, identiques ^à

ces gros ions ^eux-mêmes quand ^{elles sont} chargées,

et dont l’existence permanente ^{est une} conséquence

de la théorie de M. Langevin3,

19.

^-

En résumé, ^d’une part, ^le pouvoir ^{de con-}

densation des gros ions, aussi bien _que leur existence dans l’air, ^{est un fait} d’expérience ^{et ne} peut ^être

discuté. M. E. Bloch, dans le travail que nous avons

cité (n° 14), ^{en a} donné de nombrenx exemples : ^les

différentes sources de production ^{de ces centres} chargés de faible mobilité, ^telles _qne l’oxydation ^du phosphore, ^les combustions et, ^en général, ^{les actions} chimiques, ^le barbottage ^des gaz dans l’eau, peuvent

être utilisées pour des expériences de condensation faciles à reproduire. ^C’est par la présence ^{de tels}

centres dans les gaz refroidis provenant ^des flammes,

dans l’air qui ^a traversé l’eau d’un flacon laveur ^ou dans celui qui ^est rejeté par les poumons, que s’expli-

quent les activités anormalcs très exactement obser- vées par Coulier ^et par Aitken (nos ^{1 et} 2).

D’autre part, l’action de ces particules ^ne dépend

que de leurs dimensions et est indépendante ^{de leur} charge (charge élémentaire), relativement trop ^faible par rapport ^à la surface. Nous l’avons fait remarquer

plus ^haut (n° 9) ^{et M. E. Bloch l’a,} pour ^ainsi dire, expérimentalement démontré. Elles ^se comportent,

parce que poussières liquides, ^{comme le font} peut-

être aussi les poussières solides de mêmes dimen- sions, ^mais plus simplement, ^en quelque ^sorte, puisqu’elles ^sont déjà ^les gouttelettes originelles prêtes ^à grossir dans l’air sursaturé.

La question ^{du nombre reste à} trancher. Pour cela

on ne saurait trop ^désirer que de nouvelles recherches soient entreprises ^et longuement poursuivies, ^tant

sur la quantité ^des germes de condensation, par ^un

1. P. LANGEVIN.

^-

Sur les ions de l’atmosphère. ^{Soc. de} Piays., ^{19 mai lU05.}

2. P. LANGEVIN.

^-

Soc. de Phys., ² juin ^1905.

3. Il n’est pas inutile ^de faire remarquer l’extrême petitesse ne la

masse

d’eau qui,

^sous

^cette l’orme de particule liquide-

de diamètre égal ^il 0,01 micron, ^{serait contenue dans}

^un

^volume d’air. En acceptant le nombre d Aitken, 100000 par cm3, cette

masse

représenterait ^{la crnt} millionième parfie ^{de l’t’au à}

Fêtât de vapeur dans l’air à

^un

degré moyen d’humidité, ^{à la}

température ordinaire 13° : soit, environ, 6.10-5 milligramme par

métré cube.

sur l’importante question du nombre des ions de différentes sortes existant normalement ^dans l’atmo-

sphère, question fondamentale au point ^{de vue météo-} rologique, ^et presque irritante, ^{dans son état} actuel, par ^les contradictions et les incertitudes des résultats connus 1.

20.

^-

Quant ^aux petits ^{ions, dont le} pouvoir ^de condensation, ^{en raison des faibles} dimensions du noyau, résulte avant tout de la charge, ^et qui sup- posent, pour ^être efficaces, ^des sursaturations très

fortes, ^il paraît ^{difficile de} juger ^de l’importance ^de

leur rôle dans les condensations atmosphérique, ^et

même d’être assuré de ^sa réalité.

Les conditions requises pour leur intervention

peuvent-elles ^{se trouver réalisées dans les masses}

d’air animées d’un mouvement ascensionnel rapide

et se refroidissant _par une -détente sensiblement

adiabatique? ^Rien n’autorise à l’affirmer.

Lorsqu’une ^masse d’air entrainée rapidement ^vers

des régions plus ^{hautes se refroidit} progressivement par la ^{détente, les} poussières ^{solides et} liquides qu’elle

renferme interviendront seules tout d’abord _pour provoquer ^la condensation dans la masse a peine ^sur-

saturée ou méme simplement ^{saturée. Il en résultera}

des nuages relativement has, _{du genre} cumulus, ^ou des pluies, ^{si les} goutteletles deviennent suffisamment grosses ; ^et la masse d’air se trouvera progressive-

ment dépouillée ^{de ses} germes de condensation facile.

De même que dans les expériences de C.-T.-R. Wil- son, cette purification préalable ^est nécessaire pour que les petits ^{ions aient à} intervenir, ^{et l’on doit}

encore supposer, pour ^cette intervention, _{que la} ^masse

purifiée puisse atteindre, par ^une ascension nouvelle,

un état de sursaturation au moins égal ^à 4,4, ^corres-

pondant à ^un refroidissement de plus ^{de 20} degrés.

Des condensations pourront ^{alors se} produire, ^immo-

bilisant plus ^ou moins les ions négatifs, tandis que les

positif s, ^entrainés par le mouvements ascensionnel, agiront à ^{leur tour si} la sursaturation peut ^atteindre

la valeur 6 environ.

Dans les régions ^{hautes, telle} pourrait ^{être l’ori-} gine de certains cirrus. Si les conditions requises

sont réalisées dans des régions plus ^{basses, des} pluies chargées, ^{les unes} négatives, ^{les autres} positives, pourront ^en résulter, ^les premières ^{devant être} plus fréquentes ^{que les secondes,} par suite de la facilité relativement plus grande ^de la condensation ^sur les ions négatifs.

Au contraire, les condensations par les germes ordinaires ne peuvent ^donner originellement que des 1. Sur l’initiative de M. Teisserenc de Bort, ces recherches seront prochainement entreprises ^à

^son

Observatoire de Trappes,

dans des conditions qui paraissent excellentes,

^en

raison de la situation de cet établissement.

positifs ^et négatifs ^n’étant pas séparées, ^{et ceux-ci}

étant supposés provisoirement ^en quantités égales.

La prédominance ^des pluies négatives, ^{soit au} point ^{de vue de la} fréquence, ^{soit au} point ^{de vue de} la charge, constituerait donc, ^au moins, ^une proba-

bilité ^en faveur de la réalité du rôle des petits ^ions.

Il n’en est pas ainsi. ^{Les mesures} les plus ^récentes,

sous des climats très différents, s’accordent pour reconnaitre la prédominance des chutes et des apports

positifs, ^aussi bien dans les pluies ordinaires que dans les pluies orageuses, quoique l’origine ^{de ces}

dernières semble plus ^{favorable à} la réalisation des conditions nécessaires à la condensation ionique.

Mais le seul fait que les pluies sont souvent char-

gées, ^{et tantôt} posilives, ^tantôt négatives, ^semble pourtant ^montrer qu’il y ^{a autre} chose que l’inter- vention des germes ordinaires, à moins que, parmi

les gros ions, ^il n’y ^{ait un excès de l’un des deux} signes. ^Les pluies pourraient ^alors apporter ^{des excès}

de charge correspondants ; il resterait à expliquer ^les

excès de l’autre signe.

Les mesures de Pollock, ^à Sydney, ^que nous avons

citées plus ^haut (n° 18, note), ^{donnent, dans les}

moyennes, ^{un excès} notable de gros ions négatifs (2228 ^ions négatifs ^{contre 1914} positifs, ^{soit un excès}

de un septième environ), ^les petits ^{ions étant en} quantités sensiblement cgales (59 positifs ^contre

58 négatifs). ^{A.-S. Eve}

¹

^{a fait} justement ^obser-

ver que ^ce résultat, qui suppose qu’un ^nombre plus grand ^de petits ^ions négatifs que de petits ^ions positifs ^se transforme en gros ions par diffusion vers les particules neutres, s’accorde ^{en somme} très bien

avec les propriétés ^{connues de ces deux sortes d’ions,} puisque ^{les ions} négatifs ^diffusent plus vite que ^les ions positifs. ^D’autre part, la neutralisation plus rapide

^-

^et pour ^{la même cause}

^-

^des gros ions

positifs par les petits ^ions négatifs agit ^{dans le même}

sens, de telle sorte que, dans l’état d’équilibre, ^la prédominance ^constante des gros ions négatifs parait certaine. Ces déductions sont d’ailleurs confirmées par des expériences récentes de M. de Broglie.

On peut ^donc admettre, ^{comme très} probable, ^a généralité ^{du résultat de Pollock} pour les gros ions de l’atmosphère. ^Il fournirait une explication ^très simple ^des charges négatives ^{dans les} pluies ^ordi- naires, ^sans régime orageux, où elles sont, ^en effet,

allsez fréquentes, ^{et cela, sans} faire intervenir la con-

densation par les petits ^ions.

Il reste à expliquer ^les charges positives qui, ^dans l’ensemble, ^sont prédominantes. Différents observa- teurs, et tout particulièrement ^G.-C. Simpson2, ^en

ont cherché I*origine ^{dans un} effet de la chute même 1. Phil. Mag. ⁹ (1910) ^657.

2. Phil. Trans. 209 (1909) ^579.

^-

^Proc. noy. ^{Soc. 83}

(1910, ^394.