Propagation de la lumière dans l'atmosphère

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Submitted on 1 Jan 1935

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Propagation de la lumière dans l’atmosphère

J. Duclaux

To cite this version:

LE

JOURNAL

DE

_PHYSIQUE

ET

LE

RADIUM

PROPAGATION

DE LA

LUMIÈRE

DANS

L’ATMOSPHÈRE

Par M. J. DUCLAUX.

Sommaire. - L’intensité d’une onde lumineuse provenant d’une source _{éloignée (8} 000 m) varie _toujours considérablement d’un point à l’autre, même sur une distance de quelques centimètres seulement. Elle peut varier, même pour un air très _calme, dans le _rapport de 1 à 10. Pour mesurer _{correctement, par la}

photo-graphie, l’absorption atmosphérique, sur une distance de l’ordre du kilomètre, il faut _emplover des sources

lumineuses et des _récepteurs de

_grand

diamètre, et d’autant

plus grands

que la distance est plus

considé-rable.

SÉRIE VII.

-

TOME

VI.

~° 2.

, FÉVRIER

1935.

On sait que l’éclairement d’un écran vertical par une

source lumineuse

_{éloignée (plusieurs kilomètres),}

si-tuée dans le même

_plan

horizontal,

n’est pas uniforme.

L’apparence

est _{la même que si des ombres} se

proje-taient sur l’écran. Ces ombres sont mobiles et se

défor-ment

_{rapidement (ombres volantes) (1).}

Je me suis

_proposé

de faire une étude

_quantitative

de ce

_phénomène.

La source lumineuse est un

projec-teur

_{d’automobile,}

de 25 cm de

_diamètre,

distant de

8 000 m.Les rayons lumineux sont reçus par une

_grande

lentille L de 50 cm de

_diamètre,

_ayant

une distance focale de 1 mètre

_(fig.

_1Au

_foyer,

un

_{petit objectif}

0 de

Fig, i .

focale courte

₍₁₂

_mu)

et très ouvert

_{(FI2) reprend}

les rayons et forme sur une

_{plaque photographique}

P une

image

de la lentille

L,

due 22 mm de diamètre. Cette

image

donne une _{coupe du faisceau lumineux incident}

à soi, _{Elle n’a pas} une densité uniforme.

Pour

_pouvoir

remonter des densités aux

_{éclairement,}

CI) Voir par exemple (J.BLLISSOT et BELLEMIX. J. _{Pltys., 1927,} 8, p. 29.

la

_plaque

_est,

à une de ses

_{extrémités,}

_exposée

sous un

coin

_{sensitométrique.}

La courbe de noircissement étant

tracée,

la mesure des densités sur la

_plaque

P fait

connaître la

_répartition

des intensités lumineuses dans le faisceau incident.

Fig.2.

L’expérience

montre que cette

_répartition

est tou 4’

jours

très

_{irrégulière,}

même

_quand

les causes de trouble de

_{l’atmosphère}

son t _{réduites autant que}

_possible.

Pour les réduire,

j’ai opéré

toujours

au moins deux

50

heures

_(et

souvent trois

_{heures) après}

le coucher du

Soleil,

à la fin de

_septembre,

_par un ciel entièrement

ou _{presque entièrement} couvert. De

_plus

_{le rayon}

lumi-neux

_passait

sur _{presque toute la distance de} 8 000 m

à 70 m au-dessus du sol

_qui

était entièrement

recou-vert d’herbe. Toutes ces conditions sont très favo-rables à

_{l’homogénéité}

de

_{l’atmosphère.}

La

_{figure 2}

est

_{l’agrandissement}

de l’un des

_{clichés ;}

tous les autres ont le même

_aspect.

La

_figure

3

donne,

d’après

les lectures au

_{microphotomètre,}

la

_répartition

des intensités lumineuses dans une section du faisceau

passant

par l’axe de la lentille L. On voit que d’un

point

à un autre ces intensités sont dans le

_rapport

de

1 à 5. Elles varient du

_simple

au double sur une dis-tance

_qui

_peut

être moindre

_{que 2}

cm.

Fig. 3.

Ces variations très considérables sont en réalité des

minima,

car le mode d’étude du

phénomène

l’atténue

nécessairement.

_{Malgré l’emploi}

des

_plaques

les

_plus

sensibles,

je

ne _{suis pas parvenu à diminuer la durée}

de pose à moins de

0,3

seconde

environ,

même par les

_journées

les

_plus

claires. Cette durée est suffisante pour que les ombres se

_déplacent

d’une

_quantité

de l’ordre du

centimètre,

ce

_qui

tend à rendre

_l’image

homogène

et diminue les différences de brillance d’un

point

à un autre. De

_plus,

la détermination des den-sités du cliché a _{été faite par éléments de surface}

cor-respondant

sur le faisceau incident à des

_rectangles

de 5x7 mm, et cette détermination ne _{donne ainsi que}

des moyennes dans

lesquelles

disparaissent

les accidents locaux. Pour ces deux

_raisons,

on est conduit à admettre

_qu’il

_y a dans le faisceau

incident,

à des distances de l’ordre de 10 cm, des variations

d’inten-sité

_{qui peuvent}

être dans le

_rapport

de 1 à

_10,

bien que les conditions soient trPs favorables à

l’homogé-néité de l’air. Plus

_près

du

_sol,

et si celui ci est éclairé par le

soleil,

les variations sont sans doute encore

bien

_plus

_grandes.

Elles sont bien

_{plus grandes}

aussi si la source

lumi-un

cliamètre

_plus

faible; on

_aperçoit

alors

directement par la scintillation

qui

est

_déjà

très

sen-sible pour une

_{lampe électrique}

à une distance de 2 à 3 km.

Mesures

_d"absorption

Ce

_phénomène

d’ombres volantes

_apporte

une difficulté très

_grande

dans l’étude

quantitative

de la

_propagation

des ondes lumineuses et en

_particulier

dans les mesures

_{d’absorption.}

Il n’est

en _{effet pas du tout correct de traiter} une onde venant de très loin et d’une source lumineuse de faible

éten-due,

par les raisonnements et avec les

_appareils

_qui

conviennent à une onde observée au laboratoire à

quel-ques mètres de son

_origine.

En dehors du fait que les causes,

_qui

rendent le faisceau de lumière

_{hétérogène,}

doivent amener aussi

une

_perte

_{de lumière par diffusion}

_latérale,

il est

pro-bable que des rayons d’intensité très différente ne

peuvent

pas cheminer

parallèlement

sur de

_grandes

distances sans

_qu’il

se

_produise

une diffraction

conti-nue des

_régions

de forte intensité vers celles de faible intensité. Il est certain que la

plus grande partie

de la lumière ne s’écarte

_pas,de

sa direction

_primitive

d’un

angle supérieur

à

_quelques

secondes. _{Mais il n’est pas}

prouvé qu’une petite partie

ne _{s’écarte pas bien}

davan-tage.

Si elle s’écarte au

_point

de _{n’être pas utilisée} dans les

_appareils,

ceux-ci

_indiqueront

une

_absorption

trop

forte.

La

constitution

_{particulière}

de l’onde mettra de

plus,

dans le cas le

_{plus général,}

ces

_appareils

en

défaut. Au lieu d’une intensité

uniforme,

ces

_appareils

recevront une intensité variable entre des limites d’au-tant

_{plus larges}

_{que le diamètre de}

_{l’organe récepteur}

(par exemple

une lentille

_collectrice)

sera

_{plus petit.}

Même si la valeur moyenne de cette intensité est

cor-recte,

les instruments

_récepteurs

ne donneront une

indication correcte que s’ils

_intègrent

correctement

l’énergie

reçue. Or on sait en

_particulier

_que ce n’est pas le cas _pour une

_{plaque photographique,}

dont le noircissement n’est

_{proportionnel}

ni à

l’intensité,

ni

au

_temps,

ni au

_produit

de ces deux

_grandeurs.

Si nous nous

_reportons

au cas concret

repré-senté par la

figure 3,

nous _{voyons que} l’intensité a

varié

_{(dans l’espace,}

_{et par}

_conséquent

aussi dans le

temps,

puisque

les ombres sont

_mobiles)

_{dans le}

rap-port

de 1 à 5. Or il n’est pas du tout indifférent

_qu’une

plaque

photographique

reçoive

régulièrement

un

éclairement

_égal

à

3,

ou

_qu’elle

_reçoive

_pendant

la moi-tié du

_temps

un éclairement 1 et

_pendant

l’autre moitié un éclairement 5. La densité obtenue ne sera _pas en

général

la même. Il n’est t _pas

_possible

de calculer dans le cas

_général

la différence des densités et l’erreur commise en les

_confondant,

car les lois du

noircisse-ment ne _{sont pas} assez bien connues. Mais on

_peut

faire le

calcul,

en _{admettant que l’éclairement de la}

plaque

est

_pendant

la moitié du

_temps

_égal

à 0 et

pen-dant l’autre moitié

_{égal à}

6. Si l’on admet de

_plus

_que le noircissement de la

_plaque

suit la loi de Schwarzchild

avec un

_{exposant 1) (ce}

_qui

donne ici une

51

suis

servi,

que l’erreur commise en confondant

l’éclai-rement intermittent avec un éclairement continu

_égal

à 3 est _{la suivante pour les diverses valeurs de p.}

Ces nombres sont des maxima, car les

_suppositions

faites sont excessives.

_Cependant

ils

_peuvent

être

_plus

grands

encore _{pour d’autres}

_plaques;

il n’est pas

exagéré

de

_prévoir

dans la réalité des erreurs

_possibles

de _{l’ordre de 10 pour 100.}

A la lumière de ces

_faits,

_{il devient évident que les}

mesures

_{d’absorption atmosphérique}

sur des distances

de l’ordre du kilomètre ou

_davantage,

faites avec des

sources lumineuses et des

_récepteurs

de

_petit

diamètre

(quelques

centimètres),

sont douteuses et _{que la seule}

manière d’obtenir avec la

_{plaque photographique}

des résultats corrects est d’utiliser des sources et des

ré-cepteurs

beaucoup plus

grands,

à moins

_qu’il

soit

prouvé

par une étude

_préalable

_que le

_phénomène

des ombres mobiles ne se

_produit

_pas au lieu

d’obser-vation : ou _{que, dans les} conditions de

_{l’expérience,}

la

plaque photographique intègre

correctement

_l’énergie

qu’elle

reçoit.

Variation avec la couleur. -

_L’analogie

évidente entre les ombres mobiles et le

_phénomène

de la scin-tillation fait penser que les ombres doivent être

colo-rées,

et _que

_peut-être

aussi leur intensité

_dépend

de la

longueur

(Fonde. Pour s’en assurPr, il faudrait

_prendre

deux

_images

simultanées de la lentille L avec deux

longueurs

d’onde différentes. Je

_n’y

_{ai pas} encore réussi. J’ai

_essayé

de faire seulement varier la couleur de la lumière en

_employant

des

_plaques

ordinaires ou

ortho-chromatiques

et des

_phares

munis ou non de verres

jaunes.

Les résultats n’ont pas été sensiblement

changés ;

mais ces

_expériences

ne

_permettent

_{pas de}

comparai-son

_précise.

Rôle de la source de Un

_phare

d’au-tomobile est un

_{système optique}

très

_imparfait

avec de très

_grandes

aberrations

_générales

et

_locales,

et le faisceau lumineux

_qu’il

émet n’est

_homogène

à aucune

distance. _{Mais il est facile de voir que} ce _genre

d’hété-rogénéité

n’a

_plus

aucune

_importance

à 8 000 m de

distance. La distance focale du

_phare

est de l’ordre de 5 cm. Même en

_supposant

que

le filament de la

lampe

ait

_0,1

min de

_diamètre,

ce

_qui

est bien

au-des-sous de la

réalité,

son

_image

à 8 000 m aura une lar-geur de 16 m. La variation

géométrique

de l’intensité du faisceau à cette distance ne sera donc _{sensible que} si on _passe d’un

_point

à un autre

_point

distant latéra-lement de

_plusieurs

dizaines de

_mètres,

tandis _que

l’expérience indique

une distance de

_quelques

centimè-tres. Le

_phénomène

est donc bien

_{atmosphérique.}