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L’ionosphère et les évanouissements brusques des ondes
radioélecriques courtes
R. Jouaust
To cite this version:
LE
JOURNAL
DE
PHYSIQUE
ET
LE RADIUM
L’IONOSPHÈRE
ET LESÉVANOUISSEMENTS BRUSQUES
DES ONDESRADIOÉLECRIQUES
COURTESPar R. JOUAUST.
Conférence faite devant la Société
Française
dePhysique,
le 13janvier
1939.SÉRIE VII. - TOME X. N° 6. JUIN 1939.
Le
présent
article a essentiellement pour but dedécrire une
perturbation particulière qui
seproduit
parfois
dans lapropagation
des ondesradioélectriques
courtes
(de
longueur
d’ondecomprise
entre 100 et15
m)
qui
sont utilisées pour les transmissionsradio-télégraphiques.
Ce
phénomène
a pu êtrerapproché
d’autresmani-festations constatées en
géophysique
et enastro-physique (perturbations magnétiques, éruptions
chro-mosphériques).
D’autres articlesrédigés
par desspé-cialistes
indiquent
les relationsqui
existent entre legenre de
perturbation
que nous allons décrire et les manifestationsauxquelles
nous venons de faireallu-sion. Des conclusions en sont
tirées,
tant aupoint
devue de l’action de la radiation solaire sur la haute
atmosphère, qu’au point
de vue du rôle quejouent
lesrégions
élevées del’atmosphère
sur certainsphéno-mènes
magnétiques.
Mais pour tirer ces
conclusions,
il est nécessaire deconnaître le mécanisme
qui produit
cesperturbations
radioélectriques,
parconséquent
depréciser
le rôleque
joue
la hauteatmosphère
dans lapropagation
des ondes. Ceci nousoblige
donc àparler,
toutd’abord,
de cette
région
de la hauteatmosphère appelée
l’iono-sphère, qui
permet
lapropagation
auxgrandes
dis-tances des ondes
radioélectriques.
Nous devronséga-lement décrire la constitution que
précisément
lesphénomènes
depropagation
nous conduisent àattri-buer à
l’ionosphère.
Cerappel
despropriétés
del’iono-sphère fera,
jusqu’à
un certainpoint,
doubleemploi
avec un article paru dans cette revue
(1).
Nous avonspourtant
cru cerappel
utile d’autantplus qu’il
nouspermettra
designaler
certains résultats nouveaux.Lorsqu’en
1907,
Henri Poincaré démontral’impos-sibilité
d’expliquer
par la diffraction lesgrandes
por-tées réalisées dans les transmissionsradiotélégra-phiques,
un certain nombre dephysiciens :
Havi-side, Kennelly, Nagaoka
invoquèrent,
pourexpliquer
(1) Journal de Physique. 1937, 7, p. 287.
les résultats
obtenus,
laprésence
dans la hauteatmo-sphère
d’une coucheionisée,
sans du restespécifier
parquel
mécanisme cette couchepouvait
intervenir dans lapropagation
des ondes.Watson,
lepremier,
traita leproblème
de lapropagation
des ondes entre le solet une couche
sphérique
conductriceconcentrique.
Enadmettant que la couche ionisée se
comportât
commeun conducteur et en lui attribuant une certaine
con-ductibilité,
il étaitpossible,
enpartant
des formulesde Watson de retrouver une formule
empirique
qu’Austin
avait établie en se basant sur les mesures duchamp
despostes
radioélectriques,
mesures exécutéessur des navires effectuant le
trajet
Etats-Unis-Europe.
Disons tout de suite que le mécanisme
invoqué
par Watson est encore celuiauquel
on a recours pourexpliquer
lapropagation
des ondeslongues
(supé-rieures à 10 000
m).
Pour cesondes,
l’ionosphère
secomporterait
comme un conducteur. Cette remarqueétait nécessaire pour
comprendre
cequi
sera dit dans la suite sur lesparticularités
constatées dansl’enre-gistrement
desatmosphériques.
Plus
tard,
Ecclesimagina
une autre théorie pourexpliquer
le rôle del’ionosphère.
D’après Eccles, lorsqu’un
rayon hertzienpénètre
dans
l’ionosphère,
lesporteurs
électriques
(on
a puconstater que c’étaient des
électrons)
entrent enmou-vement sous l’influence du
champ
électrique
del’onde. Il en résulte un courant de convection
qui
sesuperpose au courant de
déplacement.
Le
pouvoir
inducteurspécifique
et l’indice de réfrac-tion sont modifiés.L’indice de réfraction n devient :
lV
nombreld’électrons
par centimètrecube,
echarge
de l’électron dans le
système
électrostatique, m
samasse, la
fréquence
de l’onde enpériodes
par seconde.252
Fig.1.
On voit que l’indice de réfraction
diminuant,
le rayon hertzien s’écarte de la normale à la surfaceréfringente.
Si la densitéélectronique
continue à croître avecl’altitude,
cet écartaugmente,
le rayon hertzien finit par devenirhorizontal,
puis
estrenvoyé
vers le sol. Nous nous trouvons en
présence
d’unpro-blème bien connu
d’optique.
Les ondesqui parviennent
dansl’ionosphère
sontrenvoyées
vers le sol par unmécanisme du même genre que celui du
mirage.
Aujourd’hui,
on admet que c’est ainsi que sepro-pagent
auxgrandes
distances les ondesradioélec-triques
courtes.Par
exemple,
pour les transmissionsFrance-États-Unis,
on admet que les ondes subissent deux réflexions dansl’ionosphère
et une sur le sol. La marche des rayons est celle de lafigure
1.Nous venons
d’employer
le motréflexion,
relative-ment à ce
qui
se passe dansl’ionosphère.
En faisantainsi,
nous nous conformons à un usagegénéral,
quoiqu’en réalité,
ils’agisse
d’une réfraction. Mais pour certainsproblèmes,
il est commode d’assimiler lephénomène
à une réflexionrégulière.
Considérons un certaintrajet
de rayon hertzien TACBR(fig.
2).
En dehors de
l’ionosphère,
lesportions
TA et BRsont
rectilignes
et parcourues avec la vitesse de la lumière.Il n’en est pas de même de la
portion
courbéeACB,
parcourue avec une vitesseplus
faible,
la vitesse de groupe(1).
Mais Breit et Tuve ont démontré que le
temps
nécessaire à l’onde
radioélectrique
pourparcourir
letrajet
TACBR était le même que celuiqui
seraitnéces-saire pour
parcourir
avec la vitesse de lalumière,
le (1) En réalité, d’après VAN MIEGHEM, par suite de l’absorption cette vitesse serait un peu différente de la vitesse de groupe. Assem blée générale de l’U. R. S. I., Vol. 5, p. 304.Fig.2.
trajet
TDR obtenu enprolongeant jusqu’à
leurpoint
de rencontre les deux droites TA et RB.
C’est le
physicien anglais,
E. V.Appleton, qui
amontré le
premier
l’existence d’une coucheréfléchis-sante dans la haute
atmosphère
par uneexpérience
dérivée de celles de Fresnel pour la
production
desfranges
d’interférence.Soit
(fig.
3),
à une certaine distance d’unposte
transmetteur
T,
unposte
récepteur
constitué par uneantenne verticale R.
Le
champ qui
agit
sur cette antenne est la somme duchamp
de l’onde directeRA,
champ
normal au solet de la
composante
suivant la verticale duchamp
RB du rayon réfléchi TOR.Suivant la
fréquence
del’onde,
et.la distance des deuxpostes,
laphase
entre les deuxchamps
varie. En faisant varier lafréquence
duposte
transmetteur onpeut
amener les deuxchamps
à être enphase
ou enopposition
dephase
et,
parsuite,
obtenir pourl’inten-sité à la
réception
une série de maxima et de minima. C’est ce que vérifiaAppleton.
Connaissant la distance des deuxpostes,
onpeut,
desfréquences correspondant
aux maxima et auxminima,
déduire la hauteur de lacouche réfléchissante.
Aujourd’hui,
pour étudierl’ionosphère,
onemploie
un autreprocédé
dû à Breit et Tuve.Un
poste
émetteur émet dessignaux
trèsbrefs,
de l’ordre de 1 à 2 dix-millièmes de sec.Ces
signaux
sont reçus à une distance de l’émetteurqui
peut
varier d’unecinquantaine
de mètres à unkilomètre. Un
oscillographe
estplacé
derrièrel’appa-reil
récepteur.
On constate sur
l’enregistrement oscillographique
qu’à chaque signal
émiscorrespondent
à laréception,
au moins deux
signaux :
lepremier correspond
àl’onde de
sol,
l’autre à une onde réfléchie verticalementpar
l’ionosphère,
c’est cequ’on appelle
l’écho. Trèssouvent,
dureste,
derrière cepremier
écho,
on enobserve
d’autres,
leplus
souventplus
faibles,
maisqui parfois,
aucontraire,
peuvent
surpasser lepremier
en intensité. Tous ces échos sontrégulièrement
espa-cés. On admet
qu’il s’agit
de réflexionsmultiples
entrel’ionosphère
et le sol(1).
(1) Tel n’est pas l’avis du P. LEJAY, (C. R., 1939, t. 208,
p. 400) qui trouve que les distance des échos successifs ne sont pas exactement des multiples d’un même nombre. Pour notre
part, nous avons eu l’occasion d’effectuer de nombreuses mesures en ayant soin, pour tenir compte du fait que la vitesse de balayage
n’est pas uniforme, d’enregistrer en même temps que les échos un
courant de fréquence bien connue. Nous avons toujours trouvé à la précision des mesures que les échos étaient équidistants. MITRA
(Philosophical Magazine, 1933, 1, 20) arrive au même résultat par un procédé indirect. Mitra explique pourquoi il est possible qu’un écho ayant subi deux réflexions soit plus fort qu’un écho n’en ayant subi qu’une seule. Il est évident que les deux réflexions
ne se produisent pas au même point que la réflexion unique.
L’in-fluence de l’accord de l’appareil sur la forme de l’écho a été
signa-lée par divers observateurs. Mais il serait peut-être prématuré
d’en conclure que les échos peuvent avoir une fréquence différente de celle du signal. Le fonctionnement du récepteur peut expliquer
253
Fig. 3.
Les
planches
1 et 2 donnent desexemples
d’enre-gistrement
d’échos.Connaissant la vitesse de déroulement ou de
balayage
del’oscillographe,
onpeut
mesurer letemps t
qui
s’est écoulé entre l’arrivée de l’onde de sol et celledu
premier
écho. Onpeut
calculer la hauteur h de lacouche
ionosphérique
surlaquelle
s’estproduite
laréflexion par la formule : _
,
c étant la vitesse de la lumière.
Il
s’agit,
bienentendu,
d’une hauteur fictivepuisque
nous admettons que les ondes sepropagent
avec lavitesse de la
lumière,
alors que, comme nous l’avons ditplus
haut,
dansl’ionosphère
leur vitesse est unpeu
plus
faible.Le mécanisme
identique
à celui dumirage qui
nousa servi à
expliquer
lagrande
portée
desondes,
ne sau-rait êtreinvoqué
ici pourexpliquer
la réflexion derayons hertziens arrivant normalement sur
l’iono-phère.
Une autreexplication
doit être cherchée.Remarquons
que la formule donnant l’indice deréfraction :
conduit pour n à des valeurs
imaginaires lorsque
A ce
moment,
on ne saurait doncplus parler
depro-pagation.
On est donc conduit à admettre que lesFig. 4.
ondes se réfléchissent
lorsqu’elles
arrivent dans unerégion
del’ionosphère
ayant
une densitéélectronique
telle que :
Telle est la théorie
généralement
admise etqui
a servi depoint
dedépart
auxhypothèses
que nousallons exposer sur la constitution de
l’ionosphère.
Supposons
que dessondages
verticaux soient effec-tués vers midi local au moment del’équinoxe
avec desondes dont la
fréquence
varie de 2 à 7 Mc/sec
(lon-quence varie de 2 à 7
Mc /sec (longueurs
d’ondescomprises
entre 150 et 43m).
On constate que de 2 à3 Mc environ la réflexion se fait à une hauteur d’envi-ron 100 km. A
partir
de 3Mc,
la hauteur de réflexionsaute
brusquement
à 250 km. Elle croît avec lafré-quence
jusqu’à
des hauteurs de 5 à 600km, puis
la réflexion cesse aux environs de 7 Mc(fig.
4).
Précisionsbien,
dureste,
que les valeursnumériques
que nousdonnons,
ne le sontqu’à
titred’exemple.
Nous allons voirqu’elles
sont variables avec les heures et lessai-sons.
La
première
couche de réflexion estdésignée
sous le nom de coucheE,
la seconde sous le nom de couche F.Souvent,
dans lajournée
et surtout enété,
onobserve entre ces deux couches une couche
intermé-diaire
qui
réfléchit les ondes defréquence comprise
entre 3 et 4 Mc environ et dont l’altitude est de 180 à
200 km. On lui donne le nom de couche
F,
enappelant
couche
F2
la couche que nous avonsdésigné
par F. Mais comme nous n’avons pas l’intention d’insisterdans cette étude sur toutes les
particularités
de la structure del’ionosphère,
nous nousbornerons,
dansce
qui
vasuivre,
à la considération des couches E et F. Commentexpliquer
le résultat constaté?Il faut admettre
qu’à
une altitude de 100 km setrouve une couche ionisée dans
laquelle
legradient
de densité
ionique
est très élevé. °Les ondes
qui
se réfléchissent sur cette couchetrouvent la densité
électronique
nécessaire à leurréflexion,
à des altitudes assez peu différentes pourque ces différences soient insensibles à nos
procédés
de mesure. La couche nous
paraît
donc de hauteurconstante.
Pour la couche
F,
legradient
de densitéionique
étant
moindre,
au fur et à mesure que lafréquence
augmente
les ondes sontobligées
d’aller cherchernotablement
plus
haut larégion
convenable à leur réflexion.Remarquons
que lafréquence,
parlaquelle
les ondescessent de réfléchir sur une
couche,
cequ’on appelle
la
fréquence critique
t c
de lacouche,
permet
dedéter-miner la densité
électronique
maximum dans la coucheenvisagée.
254
Au
voisinage
de lafréquence critique
sur la coucheF,
on observe souvent deux échos assez
rapprochés,
l’und’eux cessant de se réfléchir
plus
vite que l’autre. Ceciest dû à l’action du
champ magnétique
terrestrequi
agit
sur les électrons mis en mouvement sous l’actiondu
champ
électrique
de l’onde. C’est l’action bienconnue d’un
champ
magnétique
sur un électron enmouvement.
Les
phénomènes
sont différents suivant que lechamp
terrestre estparallèle,
normal ou incliné parrapport
à la direction du rayon hertzien. Dans le casparticulier qui
nous occupe de lapropagation
verti.cale,
tout se passe(1)
comme si nousavions,
aupoint
de vue de la hauteur de
réflexion,
deux ondes de fré-quencelégèrement différentes,
l’une defréquence
f
correspondant
à cequ’on appelle
paranalogie
avecl’optique
le rayonordinaire,
l’autrecorrespondant
aurayon extraordinaire
qui
secomporte,
aupoint
de vuede la
réflexion,
comme si elle avait unefréquence
f’
un peuplus
faible quef
et telle que :avec :
H intensité du
champ magnétique
terrestre en gauss,e en unités
électrostatiques,
c vitesse de la lumière.Sur la
figure 4,
la courbe en traitplein
serapporte
au rayon ordinaire.La
planche
1représente
les résultats dequelques
sondages
ionosphériques
verticaux. Cesplanches
sont la
reproduction
desphotographies
de l’écran d’unoscillographe
cathodique placé
derrièrel’appa-reil
récepteur.
Une oscillation de relaxation donne à la tache
lumi-neuse un
déplacement
horizontal relativement lent avec retourrapide
à laposition
initiale. Lesignal
reçudonne à la tache un
déplacement
vertical.Les
signaux
d’une durée d’environ 2 dix-mil-lièmes de sec étaient émis à la cadence d’unsignal
parcinquantième
de seconde. Lesignal
lui-même assure lasynchronisation
dubalayage
hori-zontal. La
synchronisation
des oscillations de relaxa-tion se faitplus
facilementlorsque
leurfréquence
estun
sous-multiple
de celle duphénomène
synchronisa-teur.
C’est pour cela que la
fréquence
de l’oscillation derelaxation
qui
produit
lebalayage
a étéréglée
à 25périodes
par sec.Dans ces
conditions,
unsignal
sur deux seproduit
au milieu dubalayage.
L’onde de sol et ses échos sevoient au milieu de l’écran de
l’oscillographe.
L’ondede sol du
signal
suivant seproduit
à la fin de lapériode
lente debalayage,
et son écho seproduisant pendant
~1~ ApPLETO:B. Journal of the Institution of Electrical Engineers,
1930, 71, p. 642 ; BOOkER. Proceedings of the Royal Society, 1934,
147, p. 352.
le
déplacement rapide
de retour à laposition
initiale,
est très
élargi
etpermet
de se rendrecompte
de la formede cet écho.
Les
photographies
1 et 2reproduisent
desexpérien-ces faites avec l’onde de 65 m, une demi-heure environ
après
le coucher du soleil.Les diverses
photographies
ont étéprises
àquelques
minutes d’intervalle.
On
peut
se rendrecompte
combien sont variables lesphénomènes
de réflexion(1).
Les diverses bosses que l’on observe dans l’écho
agrandi
sontprobablement
dues à lasuperposition
du rayon ordinaire et du rayon extraordinaire.Les
photographies
3 à 8 montrent les résultatsob-tenus au cours d’une nuit d’observation en
juillet 1937,
sur 80 m delongueur
d’onde.1
La
photographie
3prise
à0,55
hpermet
de voirque l’écho commence à se dédoubler.
Ce dédoublement est très net dans la
photographie
4,
prise
à3,50
h.La
photographie
5,
prise
à4,45
h montre unphé-nomène curieux : la réflexion
qui
se faisait sur la couche F estpassée
brusquement
sur la couche E. Lephénomène
a duré 15 min environ. Sur laphotogra-phie
6,
prise
10 minplus
tard,
on observe de nouveau la réflexionF,
mais onpeut
constater encore une faible réflexion sur E.La
photographie
7,
prise
vers5,30
h,
montrequ’il
n’y
aplus qu’un
seulécho,
correspondant
au rayonextraordinaire,
le rayon ordinaire n’estplus
réfléchi.La
photographie
8,
prise
1 haprès
le lever du soleil ausol,
montre un échoélargi
et de formecomplexe.
La surface de la couche F étant devenue
probable-ment très
irrégulière,
ce n’estplus
uneréflexion,
maisune sorte de diffusion
qui
seproduit.
Quelle
estl’origine
de ces couches ionisées?Disons,
toutd’abord,
que l’étude de lapolarisation
des ondes par le
champ magnétique
terrestre apermis
de conclure que les
porteurs
électrisésqui
inter-viennent dans la
propagation
des ondesradioélec-triques
étaient des électrons.Il ne saurait
s’agir
d’électrons émis par le soleil.Ceux-ci,
comme on lesait,
s’enroulent autour deslignes
de force duchamp
magnétique
terrestre etabordent la terre dans les
régions polaires.
Il ne
pourrait s’agir
que d’une ionisationprovoquée
par des
corpuscules
neutres émanés du soleil etrepous-(1) Les affaiblissements d’échos qu’on constate au cours de ces
expériences ne sont pas tous réels et peuvent être dus à des modi-fications dans la polarisation de l’onde.
L’aérien du récepteur étant un dipôle horizontal, le signal a son intensité maximum quand le champ électrique de l’onde est parallèle au dipôle, cette intensité est nulle lorsque le champ est
normal au dipôle.
Or les deux rayons ordinaires et extraordinaires étant polarisés circulairement de sens inverse, ont pour résultante lorsqu’ils sont
presque confondus une onde polarisée rectilignement, dont la direction varie avec la différence de marche des deux rayons.
Une variation de l’ordre de 20 y dans l’intensité du champ ter-restre dans l’ionosphère est susceptible de faire tourner de 90° la
255
sés par la
pression
lB1axweH-Bartoli ou d’un effetphoto-électrique
des radiations lumineuses sur les gaz de lahaute
atmosphère. Or,
des études del’ionosphère
faitespendant
deséclipses
ont montré quepour la
couche E la densité
électronique
diminuerapidement
au moment de la totalité pour
reprendre
sa valeurinitiale,
l’éclipse
terminée.L’agent
ionisant doit donc se propager avec lavitesse de la
lumière,
cequi
n’est pas le cas pour lescorpuscules envisagés.
L’ionisation de la
couche
E nepeut
donc êtreattri-buée
qu’à
des radiations lumineuses.Pour la couche
F,
les études faites au cours deséclipses
de soleil n’ont fourni que des résultats peuprécis
et contradictoires.Par
quel
mécanisme les radiations solaires ionisent-ellesl’atmosphère ?
D’après
Chapnian
(1),
à l’altitude de 100km,
l’oxy-gène
doit surtout se trouver à l’étatatomique
et ilpense que l’ionisation de la haute
atmosphère
dans larégion
E est due à l’ionisation de ces atomes.Il fait remarquer que l’atome
d’oxygène
peut
être ionisé par des radiations de l’ordre de 900~À,
mais ilémet
également
l’hypothèse
que l’ionisationpeut
êtreproduite
àpartir
d’atomes excités par des radia-tions delongueur
d’ondeplus
élevée.D’autre
part,
d’après
Saha,
le soleilconsidéré, quant
au
rayonnement
de laphotosphère,
comme unradia-teur
intégral
à 6 0000K,
ne saurait émettre assez de radiations ultra-violettes pourexpliquer
l’ionisationconstatée
qui
nepeut
être duequ’au
rayonnement
dela
chromosphère.
Nous pouvons, du
reste,
dire tout desuite,
que les variations durayonnement
dela.
photosphère
tellesqu’on
peut
les déduire des mesures de la constantesolaire ne sauraient
expliquer
les variations que noussignalerons
plus
loin dans la constitution de la couche E Partant del’hypothèse
d’unrayonnement
lumineuxagissant
sur un constituantdéterminé ;
il estpossible
de se rendre
compte
de la formation de la couche E.Chapman
arepris,
à cesujet,
un calcul effectué parLénard
(2).
Ce calcul est basé sur ce fait quel’agent
ionisant s’affaiblirait
exponentiellement
dans uneatmosphère homogène
du constituantenvisagé ;
maisque la densité de ce constituant varie
exponentielle-ment avec l’altitude.
En
appelant q
le nombre d’électrons formés par seconde à une altitudeh,
on a :avec
(1) Ve Assemblée générale de l’Union Radioscientifique
inter-nationale, Londres, 1934.
(’) LéONARD. Sitzungbericht der Heidelberg. Acaderrzie der
Wis-senschaft, 1913 ; PEDERSEN. Propagation of Radiowawes, p. 61 ;
APPLETON. Proceedings of the Royal Society, 193~, 162, p. 451.
ho
est la hauteur àlaquelle
laproduction
d’élec-trons serait maximum à
l’équateur
àl’équinoxe, qo la
quantité
d’électronsqui
serait formée par secondedans ces
conditions, X
l’angle
zénithal du soleilT
température
absolue del’atmosphère
dans larégion
envisagée, k
constante deBoltzmann,
m masseato-mique
duconstituant, g
l’accélération de lapesanteur.
A un instant
donné,
la variation du nombred’élec-trons est la différence entre le nombre d’électrons formés et le nombre de ceux
qui
disparaissent
pourdiverses causes.
En admettant que les électrons
disparaissent
parrecombinaison avec les ions
positifs
et en admettantque le nombre de ceux-ci est
égal
à celui desélectrons,
on a :
OE facteur de recombinaison. Comme
l’expérience
d7V .
, .
montre que
dN
estpetit,
onpeut
écrire :dt
et par suite :
La
figure
5 montrecomment,
enpartant
de cetteformule,
onpeut
concevoir la couche E.Pour
un jour
donné,
la densitéélectronique
doitcroître à
partir
du lever dusoleil,
passer par un maxi-mum au midilocal,
puis
décroître. Pendant lanuit,
l’action ionisantecessant,
la densitéélectronique
doitdécroître
jusqu’au
lever du soleil. *La valeur du maximum de densité
électronique
àmidi,
étantproportionnelle
àV cos À,
doit varier avec lessaisons,
êtreplus
élevée en étéqu’en
hiver,
le maximum
correspondant
au solstice d’été et le minimum au solstice d’hiver.Les densités
électroniques
doivent êtreplus
éle-vées sous les latitudes lesplus
basses.Tous ces faits se vérifient non seulement
qualita-tivement mais
quantitativement.
Enparticulier,
on256
journée
estapproximativement
proportionnelle
àV cos
À.Puisque
nous avons fait allusion à l’action de lalatitude,
signalons
que LeïvHarang,
opérant
àTromsô,
au
voisinage
du cerclepolaire,
a constaté que lesjours
magnétiquement
calmes(assez
rares dureste),
onretrouvait bien les couches E et F.
Les variations diurnes et saisonnières de la couche F
sont
beaucoup
moins nettes.D’après
certainsauteurs,
suivant la
saison,
elle aurait son minimum à 4 h ou à20 h.
Personnellement,
nous avonstoujours
trouvé ceminimum,
quelques
heures avant le lever du soleil ausol.
Le fait le
plus
certain,
c’est que toutes choseségales
d’ailleurs,
la densitéélectronique
de F estplus
élevéeen hiver
qu’en
été dans notrehémisphère.
Appleton (1) expliquait
ce fait en admettantqu’en
été la
température
estplus
élevée dans la hauteatmo-sphère qu’en
hiver. La densité du gaz est donc moindreet,
parsuite,
l’ionisation. S’il en étaitainsi,
lesphé-nomènes devraient être inversés dans
l’hémisphère
sud.
Or,
si on compare les courbes des densitésélectro-niques
moyennes pourchaque
mois àTromsô,
Washington, Huancayo
(Pérou),
à 120 de latitudesud,
à Waterhoo
(Australie),
à 300 de latitudesud,
ellessont
parallèles.
On
peut
direqu’à
l’heureactuelle,
lesquestions
del’origine
de la couche F et de ses variationssaison-nières restent entières. Du
reste,
comme le faitremar-quer
Appleton,
si on cherche àappliquer
aux résultatsexpérimentaux
obtenus sur la couche F la formule deChapman,
on est admis à attribuer à la valeur m de la masseatomique
du constituant ionisé une valeur tellement faiblequ’elle
nepourrait
convenirqu’à
ungaz très
léger (hélium,
parexemple)
dont l’existence dansl’atmosphère
est douteuse.Les études sur
l’ionosphère
sontdéjà
poursuivies
depuis
assezlongtemps
pourqu’on
ait pu mettre enévidence l’influence de la
période
undécennaled’acti-vité solaire.
On sait que cette activité a dû passer à son
maxi-mum vers 1937-1938.
Il semble bien que l’ionisation de
l’ionosphère
aitaugmenté
avec l’activité solaire.D’après
Appleton
et Naismith(1),
lerapport
del’ionisation dans la couche
E,
en1937,
à sa valeur en 1934 serait de2,3.
Pour la couche
F,
il serait de 4 pour les valeursd’été dans
l’hémisphère
nord,
de 14 pour les valeursd’hiver.
Ces nombres montrent que
l’agent
responsable
del’ionisation de la couche F varierait
plus
rapidement
en fonction de l’activité solaire que les
agents
respon-sables de l’ionisation de E.
(1) Proceedings of the Royal Society, 1937, 162, p. 473.
(2) Assemblée générale de l’Union radioscientifique interna-tionale à Venise, 1938, vol. V, fasc. 1, p. 151.
Ce ne sont
point
lesradiotélégraphistes qui,
lespre-miers,
ont eu l’idée d’une couche ionisée dans la hauteatmosphère.
Cette
hypothèse
avait été émise d’abordpar
Balfour-Stewart, puis
reprise
parSchuster,
pourexpliquer
lesvariations diurnes du
magnétisme
terrestre.Cette couche se
comporterait
d’après
cesphysiciens
comme une couche conductrice animée de mouvements
de
période
diurne.Il en résulterait sous l’action du
champ
terrestre,
des courants
induits,
susceptibles
de modifier engrandeur
et en direction la valeur duchamp
au sol.Le mécanisme serait le même que celui de la
réac-tion d’induit dans les machines à courant
continu,
d’où le nom de «
dynamothéorie
» donné à cette hypo-thèse.Il semblait que la preuve
apportée
par les radioélec-triciens de l’existence de cette couche tranchait laquestion.
Un certain
parallélisme
entre les variations diurneset saisonnières de la couche E et celles de la variation
diurne conduisait à penser que c’était cette couche E
qu’il
convenait de faire intervenir pourexpliquer
la variation diurne.Mais tout au
contraire,
la connaissanceplus
appro-fondie des
propriétés
de cette couche a conduit toutd’abord à des constatations
qui
semblaient devoirfaire
rejeter
ladynamo-théorie.
Les radioélectriciens ont pu, non seulement
éva-luer la densité
ionique
de la coucheE,
mais,
par l’amor-tissement des échossuccessifs,
apprécier
le nombre des chocsqui
seproduisaient
par seconde entre atomes etélectrons.
Avec ces
données,
il estpossible
d’évaluer la conduc-tibilité totale de la couche E. Par conductibilitétotale,
nous entendons la conductibilité d’une couche de
1 cm de
long,
de 1 cm delarge
etayant
une hauteurégale
à celle de la couche.Par suite de l’action du
champ magnétique
ter-restre sur lesélectrons,
la couche E secomporte
aupoint
de vue conductibilitéélectrique
comme un corpsanisotrope.
La conductibilitéqui
intervient dans lathéorie de Schuster est la conductibilité dans une
direction transversale par
rapport
auchamp
magné-tique
terrestre.Or,
pour cettegrandeur,
les radioélectriciens étaient conduits à 2 x 1011 U.E.S. C.G.S. alors que pourexpliquer
lesphénomènes
de variationdiurne,
il fallait lui attribuer 9 X 1015d’après Chapman,
4,5
X 1013d’après
Perkéris.Il
appartenait
àAppleton
(1)
d’élucider cettedlffl-culté.
Appleton
fait remarquer quel’emploi
des ondesradioélectriques
ne donne derenseignements
que surle nombre d’électrons libres contenus dans
l’iono-phère.
Or,
à côté de ces électronslibres,
doivent setrouver des ions
négatifs
provenant
de l’attachement des électrons à certains atomes.257
On sait
qu’en particulier,
les électrons s’attachent facilement aux atomes.d’oxygène
(1).
Des considérations
théoriques
dues àMassey
(2)
conduisent à admettre que le nombre d’ions
négatifs
serait 100 foisplus
élevé que le nombre d’électronslibres. En faisant intervenir ces ions
négatifs
dans laconductibilité de la couche
E,
on obtient pour cetteconductibilité une valeur de l’ordre de
grandeur
decelle
requise
par Perkéris.Certains résultats déduits de l’étude de
l’iono-sphère
viennent confirmer les conclusionsthéoriques
de
M assey.
Au cours de la
nuit,
la décroissance de la densitéélectronique
estrégie
par la formule :Cette
formule,
comme nous l’avons ditplus
haut,
suppose que le nombre des ions
positifs
estégal
à celui des électrons libres.Or,
l’étude de la décroissance del’ionisation
pendant
lapériode
nocturneconduit,
pour le facteur derecombinaison,
à une valeurplus
élevée que celle que la théorie
permet
deprévoir.
Si on admet la
présence
d’ionsnégatifs,
le nombred’ions
positifs
lV+ doit êtreplus
élevé que celui desélectrons
N~.
La formule
qui
régit
la diminution nocturne de l’ionisation devient :et en admettant
que :
1V_ nombre d’ions
négatifs :
On voit que la valeur
apparente
du coefficient de recombinaison oc’ estplus
élevée que la valeur réelle oc. Lacomparaison
de la valeur trouvéeexpérimentale-ment pour oc’ et de la valeur trouvée
théoriquement
pour x conduit aux mêmes résultats que la théorie deMassey.
Il
peut
sembler que les nouvelles considérations quenous venons
d’exposer
sont en contradiction avecl’hypothèse
faiteplus
haut de laproportionnalité
de q
et deN,2.
En
réalité,
il n’en est rien comme l’a montréApple-ton
(3) ;
du fait que lerapport
du nombre d’ionsnéga-tifs au nombre d’électrons resté
constant,
lapropor-tionnalité
de q
àNe2
est conservée.Pour terminerez cet
exposé
despropriétés
del’iono-sphère,
noussignalerons
que tout récemmentApple-ton et Weekes
(4)
ont mis en évidence des marées(1) GOLDSTEIN. Annales de physique, 1938.
(2) Proceedings of the Royal Society, ~.937, 164, p. 542.
(3) Assemblée générale de l’Union radioscientifique
interna-tionale, Venise, 1938, vol. 5, fasc. 1, p. 272.
(4) Assemblée générale de l’Union radioscientifique
internatio-nale, vol. V, fasc. 1, p. 24.
ionosphériques
dont certainesparticularités
auraientencore besoin
d’explications.
Nous mentionnerons
également
qu’il
estaujourd’hui
absolument certain que les violents orages
magné-tiques
sontaccompagnés
d’une diminution de la den-sité de la couche F.Ces orages amènent du reste de
grandes
perturbas
tions dans les liaisons
radiotélégraphiques
par ondescourtes. C’est ainsi
qu’au
cours des oragesqui
se sontproduits
en1938,
lesexploitants
français
ont dû recourir àl’emploi
des ondeslongues,
pendant
que lespostes
américains pour écouler leur trafic avecl’Angleterre
devaient transmettre leursdépêches
àBuenos-Ayres
d’où elles étaientréexpédiées
à desti-nation.Les évanouissements
brusques.
- Pendant lapériode
d’activité solaire de1927-1928,
l’attentionde
Môgel
avait été attirée sur desinterruptions
desradiocommunications par ondes courtes.
Il constata que ces
interruptions
ne seproduisaient
que sur des
trajets
éclairés,
etput
même mettre enévidence que de
petites perturbations magnétiques
seproduisaient
au moment del’interruption.
Ces faits furentsignalés
dans un mémoire daté de 1930(1) qui,
malheureusement,
passainaperçu.
En mai
1935,
l’attention du Comitéfrançais
deradiotélégraphie scientifique
fut attirée sur unphé-nomène du même genre par une Société
exploitant
des liaisonsradiotélégraphiques.
Nous ne pouvons mieux faire pour rendre
compte
dela nature du
phénomène
que dereproduire
les termesde la lettre dans
laquelle
il futsignalé :
«Brusque-ment,
à12,12
h et enl’espace
de 2 sec, tous lesrécep-teurs sont devenus absolument silencieux.
L’opéra-teur de service recherche un accident
possible
dansl’alimentation. La vérification des sources prouve
qu’il
n’en est rien.Enfin,
vers12,45
h,
lessignaux
commencent à
réapparaître ;
ceux deplus grande
fré-quence, lespremiers,
et à12,50
h,
tous lessignaux
reprennent
leur intensité normale. »Des
descriptions identiques
de la nature duphéno-mène ont été données à maintes
reprises.
On voit cequi
lecaractérise,
c’est larapidité
aveclaquelle
il seproduit, rapidité qui
lui a fait donner en France le nomd’évanouissement
brusque
(2).
C’est ce caractèrequi
permet
de la différencier nettement des autresaffai-blissements ou
pertes
de contactqui
seproduisent
enradiotélégraphie.
Cette
rapidité
permet également
de déterminerexactement l’heure à
laquelle
lephénomène
sepro-duit ; généralement,
les heuresindiquées
par les divers observateurs concordent à une minuteprès.
Ladurée de ces évanouissements est très courte, 15 à 20 min
environ,
quelquefois
cette duréepeut
atteindrel’heure,
mais onpeut
dans ce cas,envisager
l’existencede
plusieurs
évanouissements successifs.Lorsque
lephénomène
futsignalé
en mai1935,
ilfut
présenté
comme un incident très rare : enFrance,
il n’avait été observé
qu’une
fois en1932,
deux fois(1) ~f6GEL. Telefunken Zeitung, décembre 1930.
258
en 1934 et n’avait pas été constaté en 1933. Comme
on le verra dans la
suite,
il s’est manifestéfréquem-ment en
1936,
1937 et 1938. Onpourrait
penser quecette
augmentation
du nombre des évanouissementsbrusques
constatés,
était due à ce que l’attention avaitété attirée sur eux. On trouvera dans l’article de R. Bu-reau, des résultats
qui
semblent bien prouver que cetteaugmentation
est réelle etqu’il
faut l’attribuer à cefait
qu’on
est entré en1935,
dans unepériode
degrande
activité solaire.
z
Un
phénomène
de début aussibrusque
et de durée aussi courte semblait bien seprêter
à des recherches de coïncidence avec d’autresphénomènes.
C’est cequi
conduisit le Comitéfrançais
deradiotélégraphie
scientifique
à attirer l’attention des autres comitésnationaux
dépendant
de l’Unionradioscientifique
internationale et divers observatoires surl’évanouis-sement
qui
venait de lui êtresignalé
en mai 1935.Depuis,
de nombreux évanouissements luiayant
étésignalés
de nouveau, le Comitéfrançais
avec lacolla-boration de la Direction de la
Télégraphie
sansfil,
du Ministère des Postes etTélégraphes
et de laCompagnie
Radio-Franceentreprit
lapublication
mensuelle decirculaires donnant les heures de début et de la fin des évanouissements
brusques,
ainsi que lestrajets
affectés.Ce sont ces circulaires ainsi
qu’un
travailidentique
de
Dellinger (1) qui
ont servi de base de travail auxdiif érents astronomes
qui
ont cherché les relationsentre les évanouissements et les
éruptions
chromo-sphériques.
Comme nous l’avons
dit,
lephénomène
d’évanouis-sement si rare dans les années
1932,
1933et.1934,
estdevenu très
fréquent
pendant
les années de 1935 à 1938.En ne se basant que les observations faites par les
postes
récepteurs français
deradiotélégraphie,
onconstate que le
phénomène
s’estproduit
16 fois demai à décembre
1935,
50 fois en1936,
76 fois en1937,
81 fois en 1938.
La
majorité
des évanouissements semblent sepro-duire aux mois de
juin
et dejuillet,
mais on ne sauraittirer aucune conclusion de cette constatation.
On
admet,
cequi
est trèsvraisemblable,
quel’aug-mentation anormale de l’ionisation
qui,
comme nous allons le voir causel’évanouissement,
seproduit
là oùle soleil est au zénith.
Or,
les liaisons desexploitants
français
de laradiotélégraphie
dont nous utilisons les résultats sont surtout situées dansl’hémisphère
nord(Amérique
duNord, Chine,
Japon).
Il est donccer-tain que c’est au
voisinage
des mois dejuin
etjuillet
que ces liaisons
peuvent
être affectées par lesévanouis-sements
brusques.
Par
contre,
Berkner se basant sur des résultatsobtenus dans
l’hémisphère
sud trouve que les évanouis-sements sont surtoutfréquents
d’octobre à avril.Enfin,
on a cherché si une certainepériodicité
nepouvait
être trouvée dansl’apparition
desévanouis-sements
brusques,
enparticulier
si on ne retrouvaitpas la
période
de27 j
de la rotationsynodique
dusoleil. Aucune
périodicité
n’a été trouvéejusqu’ici.
(1) Journal of Research of the Bureau of Standards, 1937, 119,p. 114.
Quelle
peut
être la cause de ces évanouissementsbrusques?
On aurait pu l’attribuer apriori
à unedimi-nution
rapide
de l’ionisation des couches E et F. Onse serait mal
expliqué
du reste dans ces conditionspourquoi
les évanouissements ne seproduisaient
que sur des circuits éclairés.Or,
un certain nombre d’observatoiresprocèdent
à des déterminationscon-tinues des
propriétés
del’ionosphère.
Il a donc étépossible
de voir cequi
seproduisait
au moment d’un évanouissement.Les échos
disparaissent brusquement, puis
oncons-tate
qu’ils
commencent àréapparaître
d’abord sur la coucheF,
puis
sur la couche E. L’évanouissementterminé,
on retrouve les couches dans un étatiden-tique
à celuiqu’elles
avaient avantl’apparition
duphénomène. Quelquefois
la densitéélectronique
a unpeu
augmenté
dans la couche E. Ces résultats montrentque l’évanouissement est dû à un amortissement
considérable des
ondes,
paraugmentation
del’ioni-sation dans les
régions
où se faitgénéralement
cetamortissement.
Ceci nous amène à
préciser
les causesqui
provoquent
l’amortissement des ondes dans leur
trajet.
Cet amortissement est dû au choc contre des
molé-cules ou des atomes de gaz des électrons mis en
mou-vement sous l’action du
champ électrique
del’onde,
choc
qui produit
unedégradation d’énergie.
On
peut
démontrerqu’à
une altitudedonnée,
l’amortissement est
proportionnel
à :N densité
électronique
aupoint envisagé, v
nombrede chocs par seconde en ce
point
entre les atomes etles électrons
(1)
w = 2 zf.
Le deuxième terme de ce
produit
est maximumquand v
= ca.Mais dans la
région
del’atmosphère
où cettecondi-tion est
remplie,
la densitéélectronique
est faible. L’amortissement maximum seproduit
un peuplus
haut.
En admettant que les chocs varient avec l’altitude suivant une loi
exponentielle
et en tenantcompte
dece que nous avons dit
plus
haut sur la constitution dela couche
E,
onpeut
admettre que le maximumd’amortissement se
produit
à une altitude de 70 à 80 km dans unerégion qu’on appelle
larégion
D(2).
Les évanouissements semblent donc bien dus à une
augmentation
de l’ionisation dans cetterégion.
Une curieuse remarque de Berkner
justifie
cettemanière de voir
(3).
Berkner
procédait
à dessondages
verticaux del’ionosphère
au moment d’un évanouissementqui
nefut du reste caractérisé que par un affaiblissement des ’
(1) En réalité, la formule complète devrait tenir compte de
, l’action du champ magnétique terrestre. En introduisant cette
action,
on constate que l’amortissement n’est pas tout à fait le’
même pour le rayon ordinaire et le rayon extraordinaire.
(2) APPLET01T. Proceedings of the Royal Society, 1937, 162,
p. 450.
, (3) BERKNER. Assemblée générale de l’U. R. S. 1., 1938, vol. V
