La constitution de l'ionosphère

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La constitution de l’ionosphère

R. Jouaust

To cite this version:

LA CONSTITUTION DE

L’IONOSPHÈRE

Par R. JOUAUST.

Som maire. - L’emploi des ondes radioélectriques a permis l’étude de l’ionisation de la haute atmosphère

aux altitudes _comprises entre 100 et 500 km. région qu’on dénomme l’ionosphère. Il a été constaté

que l’ionosphère comportant essentiellement trois _régions de variation _rapide de la densité électronique.

On a _pu évaluer _pour chacune de ces _régions la valeur de cette densité qui présente des variations diurnes et saisonnières. L’étude de ces _{variations conduit à la conclusion que l’ionisation de la haute}

atmosphère est due en _{grande partie} à _{l’action des rayons ultra-violet et que la} disparition des électrons est due à la recombinaison des ions _positifs.

Par

_ionosphère,

on entend la

partiè

de la haute

atmosphère

entre 100 et 400 km d’altitude

_qui

inter-vient dans la

_propagation

des ondes

_{radioélectriques.}

Ce nom

_{d’ionosphère}

lui vient du fait que pour

expli-quer les

phénomènes observés,

on

_admet,

_{que dans}

cette

_région

se trouvent un

_grand

nombre de

_particules

électrisées.

_Jadis,

les

_propriétés

de

_{l’ionosphère}

étaient déduites des lois

_qu’on

observait en cours

_{d’exploitation}

relatives à la

_propagation

des ondes

_{radioélectriques.}

Depuis

quelques

années des

_expériences

directes ont été _{réalisées pour étudier cette}

_région

de

_{l’atmosphère}

dont la constitution semble reliée à un certain nombre de manifestations

_{géophysiques}

ou

_{astrophysiques}

(perturbations magnétiques,

activité

_solaire).

La con-naissance de cette constitution

_peut

_{donc être utile pour} aider à élucider le mécanisme

_{qui régit}

l’existence de ces diverses manifestations.

C’est le

_{physicien anglais Appleton qui}

institua les

premières expériences

pour l’étude

systématique

de

l’ionosphère.

Mais la méthode la

_{plus employée}

aujour-d’hui est celle du

_sondage

vertical ou des

_pul,aiions

rapides

dues aux

_physiciens

américains Breit et Tuve. Nous allons décrire sommairement cette méthode :

un

_poste

_{radiotélégraphique}

travaillant sur faible

lon-gueur d’onde

(inférieure

à 2

_mégacycles

_{par seconde} ou 150 m de

_{longueur d’onde)}

émet des

_signaux

très

brefs,

de l’ordre de

_quelques

dix millièmes de seconde. Ces

_signaux

sont reçus à une faible distance

et

_après

_{amplification}

convenable

_enregistrés

sur un

oscillographe. L’enregistrement

au lieu d’être

_unique

est double. Il

_présente

l’allure de la

_figure

1.

On _{admet que le}

_signal

1

_correspond

à l’onde de sol et le

_{signal 2}

à une réflexion des ondes sur les couches ionisées de la haute

_{atmosphère (’).}

Il est facile de se rendre

_compte

que le

produit

du

temps

qui

s’est écoulé entre

_{l’enregistrement}

des

deux

_signaux

_{par la vitesse de la lumière donne le} (1) Cette méthode à été _appliquée en _particulier par Appleton et ses collaborateurs en _{Angleterre; Kirby,} Berkner et Stuart,

Gilliand aux Etats-Un’s, C’est aux travaux de ces

expérimenta-teurs _que nous _empruntons la majorité des _{renseignements}

con-tenus dans cette étude.

double de la distance entre le sol et la couche réfléchis-sante de la haute

_atmosphère.

Que

se

_{passe-t-il lorsqu’on}

fait varier la

_fréquence

de l’émission. Les résultats sont _{traduits par la}

_{figure 2}

où on a

_porté

en abscisse les

_fréquences

et en ordonnée les hauteurs

qui

sont mentionnées

_plus

haut. Ces résultats sont du reste variables d’un

_jour

à

_l’autre,

d’une

_région

à une autre. La _{courbe que} nous

repro-duisons pour

indiquer

la marche

_générale

des

phéno-mènès se

_rapporte

à des observations faites à midi au

voisinage

de

_{l’équinoxe}

de

_printemps

dans le sud de

l’Angleterre.

..

’

Fig. 1.

Les réflexions ou échos commencent de

_jour

à se

produire

à

_partir

de 2

_mégacycles.

De 2

_mégacycles

à 3

_mégacycles

la réflexion

_paraît

se

_produire

sur une

couche située à environ 100 km de hauteur. Vers 3

_mégacycles

une discontinuité se

_produit

et

_jusqu’à

4

_mégacycles

la réflexion a lieu entre 200 et 300 km de hauteur. Puis vers 4

_mégacycles

nouvelle disconti-nuité et la réflexion semble se

_produire

dans une nou-velle

_région

moins bien définie et

_comprise

entre 400 et 500 km. A 7

_mégacycles

les échos

_{disparaissent.}

Nous insistons bien sur ce

_point.

Les résultats sont variables avec le lieu des

_expériences

et l’heure de la

journée.

La courbe que nous avons donnée

_représente

pourtant

en _gros ce

_qui

se _{passe dans le milieu de la}

journée

et sous nos latitudes.

Les trois

_régions

de

_{l’ionosphère}

mise en évidence sur cette courbe ont été

_désignées

_par

_Appleton,

sous

les noms de couche

_E,

couche

FI,

couche

F2.

Pal’

couche,

il conviend)-ait de

_désigner,

comme nous le verrons dans la suite, une

_région

de

_{l’af1nosphè1’e}

où la densité d’ionisation

_brusquement.

La couche E semble bien

correspondre

à cette

con-ception.

Sa hauteur est _{à peu}

_{près indépendante}

de la

290

fréquence

avec

_laquelle

on la détermine. La hauteur trouvée est la même

_{lorsqu’elle}

est déduite de mesures

faites à

_grande

distance ou à faible distance. Tout ceci

correspond

bien à ce

_qui

se

_passerait

_{pour la réflexion}

sur la zone de

_séparation

de deux milieux d’indice différent. Les autres couches semblent moins bien déli-mitées. Parfois dans la

matinée,

on observe des réflexions sur une couche intermédiaire entre E et

FI.

On dénomme

E2

cette couche intermédiaire.

Comme nous l’avons

dit,

le

_{phénomène présente}

des variations

_{journalières. Au}

fur et à mesure

_qu’on

approche

du coucher du

_soleil,

on _{constate que la} fré-quence limite de la couche E

diminue,

et

_après

le cou-cher du

soleil,

on observe sur cette couche des réflexions pour des

longueurs

d’onde

_qui

_{n’étaient pas réfléchies}

de

_jour.

On

_pourrait

_{dire que la couche E}

_éprouve

une

sorte de

_glissement

vers les

_grandes

_longueurs

d’onde. La hauteur de la couche

F2

1 s’élève au fur et à mesure

que le

jour

s’avance et au coucher du soleil elle vient se confondre avec la couche

F,

qui,

elle s’abaisse.

_Mais,

aujourd’hui,

c’est un autre _{facteur que la hauteur}

apparente

des couches

_qui

sert à caractériser l’état de

l’ionosphère.

Ceci nous _{amène à exposer la théorie par}

_laquelle

les

_physiciens

_anglo-saxons

à la suite d’Eccles et de

Larmor ont

_expliqué

les

_phénomènes

observés. D’autres théories ont été mises avant. Sans

_prendre

_partie

dans

la

discussion,

nous _{croyons nécessaire}

_d’exposer

les

idées

_théoriques

des

_principaux

_{expérimentateurs.}

Les

expériences

ayant

été

_guidées

et leurs résultats traduits conformément à cette

_théorie,

il est absolument néces-saire

_d’y

avoir recours _{pour exposer leurs} travaux. La théorie

_imaginée

_{par Eccles} est la suivante :

Dans un milieu ionisé contenant N

_porteurs

électrisés par centimètre cube à une _{altitude suffisante pour que} la

_pression

soit assez faible pour que le nombre des chocs entre

_porteurs

et molécules soit

_négligeable

devant la

_fréquence

des

_{oscillations,}

l’indice de réfrac-tion pour des ondes de

fréquence

f

est

_{(e charge}

du

porteur

dans le

_système

_{électrostatique,}

m sa

_masse)

_{(’ ).}

Pour une certaine valeur de la

_fréquence

_f,

l’indice devient

_imaginaire,

ce

_qui

n’a

_plus

aucune

_{signification}

physique.

On admet que la réflexion a _{lieu pour toutes} les

_fréquences

pour

lesquelles

cette condition

d’imagi-narité est

_remplie.

D’autre

_part

la netteté de ces réflexions

_oblige

à admettre

_qu’il

_y a dans la haute

atmosphère

des

_régions

pour

lesquelles

on _passe

brus-quement

d’une valeur réelle à une valeur

_imaginaire,

c’est-à-dire des

_régions

dans

_lesquelles

le

_gradient

de la densité

_{électronique}

est élevé. C’est à ces

_régions

qu’on

a donné le nom de couches.

Nous disons que les

porteurs

électrisés sont des il) L’absorption se calcule en faisant intervenir les chocs

négligés ci-des,us. Pour la démonstration, voir _{Mesny :} Les Ondes électriques courtes. »

électrons. A

_pt’iori,

rien ne

permet

d’affirmer

_qu’il

en

est ainsi. C’est l’influence du

_champ

_magnétique

ter-restre sur la

_propagation

des ondes

_qui

_permet

cette affirmation. En

_{effet, Larmor,}

_puis

_Appleton

ont

com-plété

la théorie d’Eccles en tenant

_compte

de l’action

du

_{champ magnétique}

terrestre sur les

_porteurs

élec-triques en

mouvement. Nous résumerons sommairement

les résultats de cette étude

_(’).

L’indice de réfraction devient :

H~ etHrles composantes

du

_champ

_magnétique

terrestre

parallèle

et

_{perpendiculaire}

à la direction de propaga-tion de l’onde

_exprimées

dans le

_système

électroma-gnétique.

1 .

"

Fiâ. 2.

On voit

_qu’il

existe deux valeurs de la

_fréquence

rendant nulle la valeur de

_l’indice,

l’une : 1

_{+ a}

= ₀

ou

qui

conduit à la même valeur de la

_{fréquence critique}

que la théorie d’Eccles dans

laquelle

on ne tient pas

compte

du

_champ

_terrestre;

l’autre :

La théorie montre

_également

_{que dans} ces conditions une onde

_plane

se transforme en deux ondes

_polarisées

circulairement en sens

_inverse;

chacune de ces ondes

(1) Pour le détail des calculs, voir : C. ‘r. AppLETON.

of IVireless Sectiort of the Institution _of Electrical _Enginers,

correspond

à l’une des valeurs d’indice

_critique

calculée ci-dessus.

Celle pour

laquelle

la valeur de l’indice

critique

est la même que celle déduite de la formule d’Eccles

est

_appelée

_{le rayon}

_ordinaire,

l’autre le rayon

extra-ordinaire. Par suite de

_{l’absorption,}

on _{n’observe pas}

toujours

le rayon extraordinaire.

Cependant

dans

l’ex-périence d’après

laquelle

nous avons tracé la

_{figure 2,}

on _{avait pu le} mettre en évidence et les couches

corres-pondant

à sa réflexion

_figurent

en

pointillé.

Il est facire de

_{prédéterminer}

le sens de la

polarisa-tion du rayon ordinaire suivant que les

_porteurs

élec-trisés sont des ions ou des

_électrons,

sens de rotation

qui

doit être inverse dans

_{l’hémisphère}

nord et

l’hé-misphère

austral.

_Appleton

en

_Angleterre

et Green en Australie ont bien vérifié que le sens de

_polarisation

du rayon ordinaire

correspondait

au cas d’électrons.

Néanmoins tout récemment

_{Kirby et}

Judson

₍₁₎

ont émis

_{l’hypothèse}

_{que pour la couche E les}

porteurs

électriques agissant

sur la

_propagation

des ondes étaient des ions lourds et non des masses

_{électroniques.}

Ils basent cette

_hypothèse

sur ce fait

_qu’ils

n’auraient

jamais

observé de doublement de la couche E et aussi sur des considérations sur la recombinaison des

por-teurs électrisés

_qui

auraient besoin d’être discutées. Dans tout ce

_{qui suivra,}

nous admettrons l’existence

unique

d’électrons.

Pendant quelque temp~

les

_{physiciens anglais}

avaient

substitué à la formule d’Eccles donnée

_plus

haut la formule suivante due à Hartres : -.

obtenue en introduisant une

_polarisation

comme le

fait

Lorenz dans la théorie des

_{diélectriques.}

Devant les

critiques

de

_Darwin,

ils sont revenus à la formule

originelle

d’Eccles.

_D’après

cette

_iormule,

on voit que

lorsque

le nombre _{d’électrons par centimètre cube est} tel que :

l’indice

de réfraction devient nul.

La valeur

_fl

déduite de cette relation est la

_plus

grande

des

_fréquences

_pour

_laquelle

il

_peut

_{y avoir}

réflexion sur une couche de densité 1i". C’es t ce

_qu’on

appelle

la fréquence

critique.

Les

_expériences

acluelles

sur

_{l’ionosphère}

sont conduites de

_façon

à déterminer

la

_fréquence

limite de

chaque

couche et à en déduire

par la formule 2 ce

qu’on

est convenu

_d’appeler

la den-sité

_{électronique}

de la couche.

Il est certainement

_plus

_{sage, pour étudier les}

pro-priétés

de

_{l’ionosphère,}

de raisonner sur cette densité

électronique

que sur les hauteurs

_apparentes

des

cou-ches,

dont la mesure est assez aléaloire En

effet,

lorsque

(1) Journal _of Reseai-ch _of the Natzonal Bureau _of

14, no 4, 1935, p. 46~.

des ondes traversent des milieux

ionisés,

leur vitesse .est différente de la vitesse de la lumière. C’est ce

_qu’on

appelle

la vitesse de _groupe reliée à _{l’indice par la} relation

fi - C1fl.

On voit que

lorsque

l’indice

_approche

de

zéro,

la vitesse de groupe devient t très faible. Une onde

_qui

traverse la couche E voit sa vitesse retardée par cette

couche,

cette vitesse variant d’ailleurs avecla

_fréquence

de l’onde. _{Les valeurs que l’on déduit pour la hauteur} des couches F en admettant

_qu’elles

cheminent avec la vitesse de la lumière sont donc erronées et les varia-tions de la vitesse de groupe avec la

_fréquence

_peuvent

expliquer

l’allure

_{irrégulière}

de la hauteur

_apparente

de F. C’est donc la densité

électronique

ou du moins

ce

_qu’en

vertu des théories

_{exposées ci-dessus,}

on

appelle

la densité

_ionique,

_qui

caractérise l’état de

l’ionosphère.

Fig. 3.

’

Cette densité

_ionique

_présente

des variations diurnes Il est _{bien entendu que, pour déterminer} ces variations

diurnes,

il est nécessaire de

_prendre

_{des moyenne} pour éliminer des

variations accidentelles

sur

_lesquelles

nous reviendrons.

Examinons d’abord le cas de la couche E. La densité

292

courant de la _{nuit passe par} uu minimum

_plus

ou moins

aplati

suivant la saison. Les courbes

_(fig.

₃₎

extraites d’un travail

_d’Appleton

montrent ces variations. Dans ces courbes les abscisses

_indiquent

les heures et les ordonnées les

_fréquences

en

_{mécacycles, fréquences}

qui

sont

_{proportionnelles}

à la racine carrée de la den-situé

_{électronique.}

Tout

_récemment,

_Kirby

et Judson ont

_publié

des ~courbes montrant que

pendant

le

_jour

à un moment ,donné de la

_journée

la

_{fréquence critique}

_était

propor-1

tionnelle à

_(cos

_~~)4

étant

_l’angle

_{que font les rayons} solaires avec le zénith. La densité

_{électronique}

serait donc

_pendant

les

_parties

éclaircies du

_jour

proportion-1

~nelle à

_(cos

_~)2.

Les résultats ci-dessus nous montrent immédiatement que la densité

_{électronique}

dans la couche E a des variations saisonnières. La densité maximum

_qui

a lieu à midi est

_{plus grande}

en été

_qu’en

hiver et le minimum de nuit est

_plus

_aplati

en hiver

_qu’en

été. Nous

_{rapprocherons,}

tout de

suite,

ce dernier

_point

du lait

_qu’en

été la

_période

de nuit aux hautes altitudes est excessivement courte.

Des travaux récents

_d’Appleton

et de Naismith mon-trent que dans le sud de

l’Angleterre

la densité

élec-tronique

de midi

_présente

un maximum vers le solstice d’été et un minimum au solstice d’hiver. Le

_rapport

de ce maximum à ce minimum est de

1 ,x ,

valeur

numé-rique

dont

_Appleton

et

_Chapmann

ont tiré des conclu-sions comme on le verra dans la suite. Nous

indique-ronds,

également,

le résultat suivant dû à

_Appleton

et et valable pour le sud de

l’Angleterre.

A

_{l’équinoxe}

de

_printemps,

la densité

_{électronique}

dans la couche E est de

_1,2

_{X 10e électrons par} centi-mètre cube. Mitra

_{(1) opérant}

aux

_Indes,

dans une latitude

_plus

basse,

trouve dans les mêmes conditions Les variations diurnes et saisonnières de la couche

F2

sont

_beaucoup

moins

_marquées.

D’après Appleton,

la couche

F2

présenterait

un maximum d’ionisation vers 10 h du

_{temps local,}

un autre vers 18 à 19 h. La variation saisonnière serait peu nette. La densité

électronique présenterait

deux

maxima peu

marqués,

l’un en _mars, l’autre en octobre-novembre. L’ionisation est

_faible,

en été Le minimum nocturne de l’ionisation de

F2

coïnciderait

en été avec le lever du soleil. Il le

_{précéderait}

d’environ une heure in hiver.

Appleton indique

au moment de

_{l’équinoxe}

de

prin-temps

les densités maxima suivantes

_(toujours

_{pour le}

sud de

_{l’Angleterre) :}

2,6 X 10+5

électrons par centi-mètre cube pour la couche

Fl,

4,2x

10+5 pour la couche

F 2.

Mitra,

aux

_Indes,

a trouvé

jusqu’à

105 électrons pour

F2.

Kirby,

Berkner et Stuart trouvent

bien,

comme

_Appleton,

_{que l’ionisation de la couche}

F2

est

_plus

faible en été

_qu’en

hiver,

mais ne notent _que le maximum du soir. Nous verrons

_plus

tard comment

Nature, 2t mars 1930.

Appleton explique

la manière dont se

_comporte

la

couche

F2.

Pour terminer nous _{noterons que, si les} mesures de

densité

_ionique,

faites sous

_{l’équateur,}

ont conduit à des valeurs

_beaucoup

_plus

élevées que celles trouvées par

Appleton

dans les

_régions

du sud de

_{l’Angleterre,}

les mesures faites dans les

_{régions polaires}

donnent des résultats

_{beaucoup plus}

faibles.

On

_peut

se demander

quel

est

_l’agent

ionisant de la

haute

_atmosphère.

Tous les

_{phénomènes indiqués plus}

haut,

en

_particulier

le

_{parallélisme}

entre la variation

de la distance zénithale du soleil et la densité

électro-nique,

semblent bien

_{indiquer qu’il}

_s’agit

d’un rayon-nement émané du soleil et se

_propageant

avec la vitesse de la lumière. On est tout _{de suite amené à penser}

qu’il

s’agit

de la Tadiation ultraviolette.

Pourtant

_Chapmann

avait émis tout d’abord une

opinion

contradictoire. Se basant sur _{le fait que, dans} l’étude des variations

_{magnétiques,}

la

_composante

lunaire est fortement _{influencée par les}

_{perturbations}

magnétiques,

il avait

_supposé

_{que la couche E}

_pouvait

être ionisée par des

particules

neutres émanées du soleil. Il les

_supposait

_{neutres pour}

_qu’elles

ne fussent pas déviées par le

champ

magnétique

terrestre.

_D’après

les calculs de

_Milne,

_Chapmann

leur attribuait une vitesse de 16U0 km par seconde. Dans ces conditions en tenant

_compte

du mouvement de la terre et de celui de la

lune,

il arrivait à cette _{conclusion que toute}

éclipse

solaire devait être

_accompagnée

d’une

_éclipse

corpusculaire

se

_produisant

un _peu avant

_l’éclipse

optique

et dont la

_ligne

de centralité était

_déportée

parfois

de

_plusieurs

centaines de kilomètres à l’est. On ne devait donc observer aucune variation dans la densité

_ionique

de

_{l’ionosphère}

sur la

_ligne

de cen-tralité de

_l’éclipse

_{optique. L’éclipse}

du 31 août 1932 dont la

_ligne

de centralité

_optique

traversait le

_Canada,

le

_{New-Hampshire}

et une

_partie

du Massachuset se

prêtait

admirablement à des

_expériences

de ce _genre.

Des

_sondages

verticaux de

_{l’ionosphère}

furent faites

près

de Boston par Heinrick et

_Pickard,

d’une

_part,

Mimma et

_Wang

d’autre

_part,

et

_près

de

_Sydney

dans l’île du

_Cap

_{Breton par}

_Kirby,

Berkner Gillian et Nor-ton --

par Henderson dans l’Ontario. Des

expériences

furent

_reprises

par des

physiciens japonais

aux îles

Carolines, pendant

l’éclipse

de février 1934.

Les résultats sont _{très nets. Ainsi pour}

_l’éclipse

du 31 août 1932 dont la

_{partie corpusculaire}

aurait dû se

produire

deux heures

_auparavant

et à

_plusieurs

ce-n-taines de kilomètres dans

_{l’Atlantique,}

on a constaté sur la

_ligne

de centralité

_optique

les résultats suivants : Henderson trouve au moment de

_l’éclipse

une dirninu-tion de 50 pour 100 de l’ionisadirninu-tion de la couche E.

Kirby

et ses collaborateurs une diminution de.

30 pour 100 dans l’ionisation de la couche E. Schaffer et Goodall trouvent

_également

une diminution de l’ioni-sation de la couche E

_qui

atteint son minimum 9 min

après

la totalité de

_{l’éclipse.}

La hauteur de réflexions

_qui

était de 180

_km,

s’est élevée à 3U0 et 400 km

_{pendant l’éclipse.}

Le doute ne semble donc

plus possible.

Il a été

_pourtant

constatr m fait assez curieux

_qui

semble

indiquer

l’existence cl’une

_éclipse

corpuscu-laire,

mais

_pourtant,

non _pas comme le

_croyait

Chap-mann sur des

_corpuscules

neutres,

mais sur des élec-trons. Alexanderson avait cherché à étudier l’influence de

_l’éclipse

d’août 1932 en utilisant le

_dispositif

sui-vant : un

_poste

émetteur cle télévision était établi à

Shenectady,

le

_poste

_récepteur

_(34,6

m de

_longueur

d’onde)

était à Norlli

_Conway,

sur la

_ligne

de

ceiitra-lité. L’émission de télévision aurait dû donner à la

réception

une série de bandes

_parallèles.

Pratique-ment, dans les

_expériences

faites les

_jours

_précédant

l’éclipse,

on n’obtint que de très mauvaises

récep-tions,

au lieu de

_bandes,

on n’obtint

_qu’une

série de taches noires et blanches. Le

_jour

de

_{l’éclipse,}

deux heures avant le commencement de

_{l’éclipse optique,}

il y eut un

_brusque

évanouissement de la

réception

qui,

cas fortuit sans

_doute,

ne

_reprit

_{que lors de}

l’éclipse optique.

La mauvaise

_qualité

de la

_réception

observée les

jours

précédant

l’éclipse,

est

_{interprétée}

_par Alexan-derson comme

_indiquant

des variations

_brusques

du

trajet

des

_ondes,

de l’ordre de 600 km.

Cela _{conduit évidemmentà admettre que le}

_trajet

de ces ondes était de l’ordre de

_plusieurs

milliers de kilo-mètres et _{Alexanderson pense que les ondes} reçues à North

_{Conway provenaient}

d’une diffusion sur des nuages

électroniques

situés au nord de

_{l’Atlantique}

au

voisinage

de la

_région

des aurores

_polaires.

On

_peut

concevoir que dans ces

_régions,

il a _pu se

_produire

une

éclipse corpusculaire plus

ou moins

_partielle

_des por-teurs électrisés venant du soleil. Mais en _{tout cas,}

ce résultat fort intéressant

_n’apporte

aucune confirma-tion aux idées de

_Chapmann

de la

_possibilité

de l’ioni-sation de la haute

_atmosphère

_par des

_corpuscules

neutres.

Disons _{toutefois que Maeda}

_qui

a observé

l’éclipse

de soleil du 14 février 1934 à

_Loop-Island,

à l’est des îles

_Carolines,

tout en reconnaissant l’action très nette

des rayons ultraviolets sur les couches E et

_F,

_pense que certaines

particularités

observées le

jour

de

l’éclipse pourraient

être

_expliquées

_par une

_éclipse

corpusculaire.

L’ionisation de la haute

_atmosphère

est bien due à des rayons ultraviolets.

Appleton,

dans ces

_conditions,

_{admet que les}

_quatre

couches

_{qu’on peut}

observer sont dues à l’action de la lumière ultraviolette sur l’azote moléculaire et ato

mique,

l’oxygène

moléculaire et

_atomique

_{pour les}

quels

il

_indique

les constantes suivantes :

Atome

_{d’oxygène,}

_{potent.d’ionis. 13,6V corresp.à910Â}

Mol.

_{d’oxygène,}

_ _ 16 -

7701 Molécule

d’azote,

- -

16,9

-

730 À Des résultats

ci-dessus,

Appleton

et

_Chapmann

ont tiré

_quelques

considérations

_{théoriques :}

Soit à un instant

_{donné q}

le

_régime

de

_production

d’électrons sous l’action de

_l’agent

ionisant. _Cette pro-duction est

_équilibrée

_par la décroissance de

l’ionisa-tion,

Si celle-ci est

_produite

_par;la

recombinaison des électrons et des

_ions,

on a, en

_appelant

1T la densité

ionique :

Mais il se

_pourrait

_{que les électrons cessassent}

_d’agir

sur la

_propagation

des ondes

_{radioélectriques}

en

s’at-tachant à des atomes neutres. Dans ce _cas, on aurait :

A .d. t d .

d’.. t. dN t

A midi,

au moment du maximum d’ionisation

dl es

nul ; on a donc :

dans le

_premier

cas et dans le second cas, on a :

Envisageons

tout de suite le

_premier

cas. Nous affec-terons des lettres h et e les valeurs relalives au

sola-tice d’hiver et au solstice d’été. On doit avoir pour les densités

_ioniques

à

midi,

en hiver et en été :

Mais,

d’après Chapmann,

le taux

_{d’ionisation q à}

midi est

_{proportionnel}

au

_cosinus,

_l’angle

_{zénithal ~}

du soleil est inversement

_{proportionnel}

à la

tempéra-ture absolue du milieu. On a donc :

et en _{admettant avec Milne que} a est inversement pro-1

portionnel

à

12, ’t

température

des

électrons,

on a fina-lement :

/20132013201320132013201320132013

Dans le sud de

_{l’Angleterre}

_{pour le solstice d’hiver}

d’été,

on a :

Or,

les mesures de densité

_{électronique,}

à

_midi,

dans

1 la couche E en

Angleterre

et à

iRTashington,

au

294

ce

_qui

semble

_{indiquer : 1° due}

le

_disparition

de l’ioni-saiion est bien due à la recombinaison des ions et des

1

électrons ;

2’ que le

produit

1 12

est

indépendant

de la maison.

_Remarquons

_{queKirby et}

Judson ont lrouvé que

1

la densité

_ionique

était

_{proportionnelleâ}

cos

_{,1’ .}

Puisqu’à

un instant

_donné,

on a :

et _{que q} est

_{proportionnel}

à cos

_{! , ils}

en _{concluent que} d IV

-

doit être très faible. Y.

représenterait

donc une

dt

combinaison

_rapide,

donc une

_grande

valeur de s-t

en vertu des formules données

_{plus haut,}

donnant le

rapport 2013

en fonction de la

_fréquence

_critique,

une

1/1

graiide

valeur de 11I.

On n’aurait donc pas dans la couche

E,

d’après

Kirby

et

_Judson,

des

_électrons,

mais des ions lourds. Nous exposons cette idée sans la discuter. Notons que la décroissance de la densité

_ionique,

au coucher du

soleil,

divers

_{expériiiientateurs}

ont déduit la valeur

de a _pour

_lequel

on a trouvé des valeurs

_comprises

entre

_1,,ï

X 1U-1o et 4,5 X 1U-~o.

Pour

_expliquer

les

_phénomènes

_qui

se

_passent

dans la couche E et

_qui

sont très nettement différents de ceux de la couche

_E,

_Appleton

fait intervenir la

tempé-rature

_produite

_{par l’action du soleil dans la}

_région

où se forme la couche F. l,a dilatation de

_{l’atmosphère}

produirait

une raréfaction entraînant une (Iiinintition

de l’ionisation.

Nous n’avons par

envisagé

ce

_qui

se _passe

au-des-sous de la couche Il ~- a

_{la, évidemment,}

une

ré-gion

ionisée. Mats élant donné la

_pression

_{plus élevée,}

les chocs _{y sont}

_plus

nombreux. 0r, toutes les théories

exposées

ici sous une forme un _peu

_simplifiée

suppo-sent _{que la}

_fréquence

(les chocs est inférieure à la fré-quence des S’il n’en est

_plus

_ainsi,

il y a

absorp-tion. C’est pour cela que de

jour

on n’a _{pas de} ré-flexion sur la couche _{E pour 1’ -.}

_fréquences

inférieures

à 2

_mégacycics.

Au co tira ire,

lorsque

la nuit

_arrive,

l’ionisatioll diminuant

_partout,

_{l’absorption}

dans la

région

inférieure à E diminue et des

_{frecluence· plus}

faibles

_{que 2 m,gagyrles peuventparvenirà}

la couche E et

_s’y

_{réfléchir C’est aussi pour} cette raison que les

postes

de radiodiffusion ont une

_{plus grande portée}

de

nuit que de

jutzr.

De

_jour

on n’entend que ronde directe (onde due

_sol),

de nuit ces ondes arrivent à la couche

E,

réfléchissent et arrivent à

grande

dis-tance.

Un

_phénomème

très curieux a

_permis

de déterminer

expérimentalement

le nombre des chocs

_pendant

la

nuit dans la couche E. C’est ce

_{qu’on appelle}

l’effet

Luxembourg. Lorsque

le

grand

cercle

_joignant

un

récepteur

à un émetteur de radiodiffusion de

_petite

lon-goeur d’oncle

(200

à

_m)

passe à

_proximité

du

de

_Luxembourg,

on _{constate que}

_malgré

la différence

des

_longueurs

d’onde,

on entend

_Luxembourg

sur ronfle

courte,

surtout

_pendant

les

silences, quand

le

_poste

à onde courte émet seulement son onde

_porteuse.

Cette onde

_porteuse

est _{modulée par}

_Luxembourg.

On attribue cette modulation à une sorte de modulation de

l’ionosphère

par le

poste

puissant

de

_Luxembourg.

Quand

des ondes

_{radioélectriques}

traversent

l’iono-sphère,

les électrons

_prennent

sous l’action du

_champ

électrique

une certaine vitesse

qui

vient se combine

avec teur vitesse

_{d’agitation.}

En

_quelque

sorte,

les ondes modifient la

_température

des électrons. En vertu de la relation u ~ 1 libre parcours, v

fré-quence des

chocs,

cette

_{fréquence augmente,}

par

suite,

l’absorption

d’énergie.

Au

_voisinage

d’un

grand poste

comme

_Luxembourg,

le coefficient

_{d’absorption}

warie donc avec l’intensité

du

_champ

émis,

par

conséquent,

avec la modulation

du

_{poste. L’absorption}

d’une onde continue traversant

cette zone variera donc suivant la modulation du

_poste

perturbateur

et à la

_réception

_reproduira

la

modula-tion de ce

_poste.

Bailey

et

_Martyn

ont _{démontré que la}

_profondeur

de cette moaulatiou élant inversement

_{proportionnelle}

à

V J?2

-~--

fréquence

de modulation du

_poste

per-turbateur.

Des résultats obtenus par l’influence de

Luxeulbourg

sur les émissions du

_poste

suisse de Beromünster écouté

en

Hollande,

ils ont _{pu déduire que dans la couche E}

de nuit la

_fréquence

des chocs était de l’ordre de 2 > 10-1 par sec.

Tout récemment,

Walker a _{trouvé par des} considéra-tions sur les coefficients de réflexion

1,9

X 103 pour le nombre de chocs par seconde dans la couche F.

En admettant que pour des courants de

fréquence

très

faible,

la conductibilité

_spécifique

de la haute

atlnosphère

peut

être calculée

_{par la}

relation .

1 ë’ 2 ₁

nr l v

nombre d’électrons _{par centimètre}

_cube,

_echarge

de

Fétectron,

lit sa niasse, i nombre de chocs par unité de

temps,

on es[ _{conduit pour la couche £’ à} une

conlucti-bilité de de 10-ii e _unités

électromagnétiques

C. G.

S.,

de 11 - i

_pour

la courhe F’.

Nous

_rappellerons

_{qtieScliuster(l),}

pour

expliquer les

phénomènes

magnétiques

terre·tres, avait été amené a attribuer à la hante

_atmosphère

une conductibilité de u. e. m. c. _g. s. Nous nous bornons à

_signaler

sans commentaires cette coïncidence.

Les

relations

entre le

_Magnétisme

terrestre et

_{l’Ionosphère.}

On a constaté

_depuis

_longtemps

_qu’une

relation devait exister entre les

phénomènes

manifestés par le

magnétisme

terrestre et la constitution de

_{l’ionosphère.}

Les

_exploitants

ont _{constaté, par}

_exemple,

_{que les}

commtiiiications

_{transocéaniques (France-EtatsUnis)}

étaient moins bonnest le

_jour

où,

l’Institut de

_Physique

du Globe caractérisait le

_jour,

comme

_agité

au

_point

de vue

_magnétique.

Il est

_évident,

_que c’est dans les

_{régions polaires}

où

les variations des

_phénomènes

_magnétiques

sont le

_plus

évidentes que la relation entre ces

_phénomènes

et la constitution de

_{l’ionosphère}

devait

_apparaître

le

_plus

clairement. L’année

_polaire

1931-U~3z a en _effet appor-té des résultats fort inappor-téressants. Les résultats ont

sur-tout été fournis par la mission

_française

du

Scoresby-Sund,

les missions

_anglaises

et allemandes à

_Tromsoë,

la mission russe à Iakoutsk et la mission

_polonaise

à l’ile aux Ours.

Les deux couches trouvées sous les basses latitudes

ont été retrouvées dans les

_régions

_polaires,

mais avec

des densités

_{électroniques heauconp plus}

faibles

_(de

70 pour

100).

Comme

_{conséquence,}

les

longueurs

d’onde

_employées

_{pour le}

_sondage

veriical devaient être

_beauéoup

_plus

laibles et il a été nécessaire de descendre

_jusqu’à

des

longueurs

d’onde de

150m,

pour observer des échos.

Cette diminution de l’ionisati jn dans les

régions

polaires

n’a ien

_qui

doive

_surpretidre,

étant donné ce

qui

a été dit

_plus

haut sur le rôle de la radiation

ultra-violette sur l’ionisatioii.

La variation diurne _{de la couche E n’est pas la même} dans les

_{régions polaires}

que sous les latitudes

tempé-rées.

C’est au

_voisinage

du _{coucher du soleil qre celle} ionisation est maximum O11

_{peut expliquer}

cette

parti-cularité de la

_façon

suivante : dans les

_{régions polaires,}

au

_voisinage

~le la zone d’activité aurorale

maximum,

où

se trouvaient les diverses

missions,

l’ionisation n’est t

plus

due

_uniquement

à l’action de la lumière solaire.

Les électrons émanés du

_{soleil jouent}

un rôle

(électrons

primaires

ou électrons secondaires suivant les idées de

Dauvillier).

Or,

ces électrons arrivent sir la terre par

la

_région

_{d’obscurité. Comme l’a fait rcmarquer} un des

physiciens

de la mission

_anglaise,

c est surtout

_pendant

t

la

_période

de _{nuit que les}

_perturbions

_magnétiques

étaient le

_{plus fréquentes.}

Toutes les missions ont été d’accord sur le

_point

sui-vant : -. les

perturbation> magnétiques

_ont,

_pour

effet,

de

_suppl’imrr

les échos sur toutes les

_fréquences

utili-sées. Les échos ne

_{réapparaissent qu’un}

certain

_temps

après

la

_disparition

de la

_{perturbation ;}

suivantl’expres-sion

_imagée

de

Brun-Bruewitch,

chef de la mission russe, on dirait

qu’ull

écran s’intercale entre le sol et les couches réfléchissantes de

_{l’ionosphère.}

Les missions

_françaises

et

allemandes,

qui

effec-tuaient des mesures de

_chainp

de

_{postes éloignés,}

ont

également

constaté que la valeur de ce

_champ

tombait à des valeurs irès faihles et mème devenait nulle au

moment _{d’un orage}

_magnétique.

A ce

_{sujet le}

Lieue-nant de Vaisseau

Haber,

chef de la mission

_française,

a

pu constater

_qu’un

violent orage

magnétique,

rendant t

impossible

toute

_réception

au

_{Scoresby-Sund,}

se

mani-festait par un

_léger

fléchissement des

_{réceptions à}

Rabat,

du

_poste

de Pontoise. La mission allemande

_clui

procédait

à des relevés

_{goniométriques}

a _{constaté que} ces relevés étaient bien meilleures les

_jours

de

_grande

agitation

magnétique.

Ceci

_implique

la

_disparition

des ondes réfléchies dans la haute

_{atmosphère qui}

interfé-rant avec l’ollfle

directe,

troublent les relevés.

Fig. 4.

Les aurores

_polaires

_jouentle

même rôle

_{que les}

per-turbations

_{magnétiques.}

Nous

_{reproduisons d’après}

la mission allemande des courbes

_(fig.

₄₎

_donnant,

d’une

part

l’activité aurorale le 20 mars 1933 et l’intensité du

champ

du

_poste

de

_Leipzig

mesurée à Tromsoë.

Signalons

enfin que

_Lugcon

à l’île aux Ours a

cons-taté que les

parasites

qui

se

_produisant

sur les côtes américaines cessaient _{d’être perçus,}

_lorsqu’une

aurore

se produisait

à l’ouest du

_poste

de

_réception.

Voici comment on

_peut,

_{avec Appteton, expliquer}

ces résultats : les

perturbations

magnétiques

et les

phéno-mènes auroraox sont

_provoclués

_(Birkeland,

Deslan-drea,

_Stnrrner)

_{par t’arrivée} dans

_{l’atmosphère}

d’élec-trous émanés du soleil

_{(indirectement}

suivant les idées de

_Dauvittier)

Ces électrons

_pénètrent

dans

l’atmos-pllère

bien au-dessous de la couche

E,

dans cette

_région

à

_laquelle

nous avons _{fait allusion à propos des ondes}

de radiodiffusion et

_qu’on

_{appelle quelquefois}

la cou-che D. Dans cette

_région,

les chocs sont

nombreux,

la

pression

étant asspz élevée. Il en résulte un

amortisse-ment des ondes

qui

ne

_{peuv~~nt parvenir}

_jusqu’à

la cou-che E pour

s’y

réfléchir’. L’idée de Brun-llruewitch se

trouve alors

_justifiée.

Etant donné ce

_qui

a été

_dit,

on

_peut

s’attendre à

trouver une relalion entre la

_propagation

des ondes et la

_périodes

de 27

_jours

des taches solaires. C’est ce

qu’ont

mis en

_évirlence,

les missions

françaises

et

alle-mandes. Elles ont d’abord constaté que l’intensité et la

fréquence

des

_{perturbations magnétiques,}

d’une

_part,

l’activité aurorale,

cl’autrepart,

présentaient

nettement du moins

_pendant

la

_période

de une

pério-dicité de 27

_jours.

La constitution de

_{l’ionosphère,}

caractérisée pour

les

_Français,

_{par l’intensité} du

_champ

des

_postes

296

réfléchissant

_apparent

de la couche E

_présentait

la même

_{périodicité, toujours}

_pendant

la nuit

_polaire,

mais décalée d’une

_{demi-période,}

les

_postes

_éloignés

étant mieux reçus dans les

périodes

de calme

magnéti-que et de faible activité aurorale.

Tous ces

_phénomènes

devenaient moins nets

_pendant

le

_{jour polaire.}

Dauvillier a eu l’idée de tracer la courbe de l’activité solaire _{caractérisée par les nombres de Wolff. Il} a cons-taté que cette courbe

qui,

bien

entendu,

présente

la

périodicité

de 2 7

_jours,

était en

_phase

avec la courbe

de bonne

_{réception radiotélégraphique}

et en

_opposition

de

_phase

avec les courbes d’activité

_magnétique

et

d’activité aurorale.

Rappelons qu’il

a

_déjà

été

_{signalé (Mathias,}

Traité

d’Electricité

_{atmosphérique}

et

_tellurique,

_p.

₃₄₆₎

_qu’au

Groenland,

le maximum des aurores

_polaires

se

pro-duisaient au moment du minimum des taches

_solaires,

alors que

d’après

Fritz,

dans d’autres

_régions

les maxi-ma et les minima

_{correspondaient}

_{pour les deux}

phéno-mènes.

Les recherches sur

_{l’ionosphère}

_{entreprises pendant}

l’année

_polaire

ont été continuées à

Tromsoë,

par le

professeur Harang,

directeur du

_{Nordlyobservatoriet.}

D’une communication

_qu’il

a bien voulu nous

_faire,

il résulte que lors des

périodes d’agitation magnétique, on

constate une diminution de la densité

_{électronique}

de la couche

_F2.

_Appleton,

_pour

_expliquer

cette

diminu-tion,

admet que les causes

_qui

_provoquent

_{l’agitation}

magnétique,

provoquent

également

une élévation de

température

de la haute

_atmosphère.

Relation entre

l’ionisation

de la

couche

E et les

_phénomènes

_orageux.

C. T. R. Wilson avait émis

_l’opinion

_{que les} causes

qui

provoquent

les

_phénomèmes

_orageux

_agissaient

également

sur la couche E.

_Bailey

et

_{Martyn (’)}

ont cherché à

_{expliquer théoriquement}

le mécanisme

_qui

pouvaitrelier

les

_{deux phénomènes.}

_Appleton

_{(2) signale}

que des relations ont été trouvées entre le nombre des orages et les taches solaires.

En ce

_qui

concerne les ondes

_{radioélectriques}

Wat-son Watt a,

_{indiqué qu’au}

cours d’un orage, il avait pu constaté que la

densité

de la couche E s’était élevée à 8 X 105 électrons par centimètre

cube;

celle de la couche F étant tombée à 4 X 165. D’une

façon

géné-rale,

d’après

Watson

_Watt,

_{les orages} d’été

_lorsqu’ils

se

_rapprochent

à une

_cinquantaine

de kilomètres du

point

où on

_procède

à des

_sondages

verticaux

provo-quent

une

_augmentation

notable de l’ionisation de la

couche E.

Ces affirmations de Watson Watt sont contredites par

Kirby

et Judson

(3)

qui prétendent

que les

anoma-lies constatées

_parfois

dans la couche

E,

se

caractéri-sant _{par des réflexions} sur des

_fréquences

_élevées,

sont dues à une toute autre cause

_qu’une

’augmentation

de l’ionisation. Ils en auraient constaté à

_Washington,

alors

_qu’aucun

_{orage n’avait sévi}

_pendant

les 24 h

précédentes

à moins de 300 km du

_{poste. Mitra,}

au

contraire,

observant sous la latitude des

Indes,

pré-tend que les orages sont

susceptibles

de modifier l’état de la couche E.

Conclusion. - Tels

sont,

aujourd’hui,

les

princi-paux résultats

qu’on peut

considérer comme

_acquis,

relativement à la constitution de

_{l’ionosphère. Isolés,}

ces résultats ne

_{présenteraient}

_pas

_beaucoup

_{d’intérêt,}

mais

_rapprochés

d’autres

_{phénomènes géophysiques,}

ils semblent

_pouvoir

donner des

_{renseignements}

sur

le mécanisme

_{qui régit}

ces

_{phénomènes.}

(,) Phil.

Mag., 1934, 18, p. 369.

(2) Proc. Roy. Soc., 1933, 141, p. ’T01.