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L’observation des accidents optiques de l’atmosphère.
L’altitude des stries, signe précurseur du temps
Ch. Gallissot, E. Bellemin
To cite this version:
Ch. Gallissot, E. Bellemin. L’observation des accidents optiques de l’atmosphère. L’altitude des stries, signe précurseur du temps. J. Phys. Radium, 1927, 8 (1), pp.29-50. �10.1051/jphys- rad:019270080102900�. �jpa-00205279�
L’OBSERVATION DES ACCIDENTS OPTIQUES DE L’ATMOSPHÈRE.
L’ALTITUDE DES STRIES, SIGNE PRÉCURSEUR DU TEMPS
par M. CH. GALLISSOT et Mlle E. BELLEMIN.
Observatoire de Lyon.
Sommaire. 2014 Les stries atmosphériques se révèlent par leurs effets: scintillations,
ombres volantes, perturbations dans la formation des images, et ce sont presque exclusi- vement leurs effets qui, jusqu’à présent, ont fait l’objet d’observations suivies.
Les auteurs, s’adressant directement à la cause de ces phénomènes, ont observé systématiquement les stries, à l’aide d’un dispositif très simple permettant l’application de la méthode de Topler lorsque la source employée est une étoile. Ils donnent une
description des aspects généraux rencontrés et des ombres volantes correspondantes.
ainsi que les faits principaux résultant de l’observation. Les stries se présentent le plus
souvent dans la région de contact de deux courants différents; elles sont réparties dans
une couche étendue, sensiblement horizontale (couche troublée).
L’observation de la scintillation chromatique fournit un renseignement sur le sens
des variations en altitude de la couche troublée. Pratiquée systématiquement durant
six années consécutives, elle a décelé:
1° Une variation périodique annuelle de l’altitude moyenne de la couche troublée.
La courbe représentative de la variation présente deux maxima (mars et septembre) et deux minima (juin et décembre).
2e Une dépendance étroite entre les variations en altitude de la couche troublée et les manifestations du temps (nébulosité et pluies). Le premier de ces phénomènes précède l’autre avec une avance notable qui a progressé lentement de 10,5 jours à 17 jours, en
six ans.
La position de la couche troublée par rapport à la région d’altitude comprise entre 2 500 et 4 500 mètres, paraît jouer un rôle particulièrementimportant dans la gestation du temps. Lorsque cette position est connue, elle permet de prévoir les variations futures de la nébulosité.
1. Les stries atmosphériques. - Quoique la variation de la densité de l’air le
long d’un trajet quelconque soit pratiquement considérée comine continue, les mouvements
de l’atmosphère amènent en contact des courants qui peuvent différer sensiblement par leur température et leur état hygrométrique. Dans la région de contact se produit une
couche hétérogène, dont la présence se manifeste par ses effets : scintillation des étoiles,
ombres volantes, perturbations dans la formation des images données par les instruments, etc.
Ces divers phénomènes sont bien connus, néanmoins il n’est pas inutile, pour leur
juste compréhension, d’être renseigné le plus exactement possible sur leur cause même,
c’est-à-dire sur la nature, les dimensions, la répartition des accidents optiques rencontrés
par un faisceau lumineux dans sa traversée de l’atmosphère.
C’est dans ce but que nous avons observé systématiquement les hétérogénéités de l’atmosphère (stries) à l’aide d’un procédé qui s’inspire de la méthode de Topler, en adoptant comme source lumineuse une étoile. Malgré leur faible éclat, il y a avantage
à s’adresser aux étoiles plutôt qu’à un astre plus brillant ; leur répartition dans le ciel, en effet, permet l’observation dans des directions variées, d’où une investigation plus com- plète et des vérifications qui échappent à l’observation effectuée dans une direction unique.
Les observations faites au cours d’une même soirée, en choisissant des étoiles dans différents azimuts et à diverses hauteurs, nous montrèrent que les accidents optiques
n’étaient pas répartis d’une façon quelconque, mais localisés dans une couche étendu sensiblement horizontale. Nous lui avons donné le nom de troublée.
"~ous nous aperçûmes bientôt que les accidents ne se présentaient sons les mêmes
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphysrad:019270080102900
aspects suivant l’époque de l’année, et que leur altitude jou-iit certainement un rôle parti- culier, car elle semblait liée aux conditions atmosphériques.
Nous fûmes ainsi conduits à chercher un mode d’observation simple et rapide, permet-
tant d’obtenir un renseignement sur l’altitude, afin de pouvoir préciser le rôle et l’impor-
tance de ce facteur. Nous verrons qu’effectivement l’altitude des accidents optiques et les
manifestations du temps sont en étroite dépendance. Ce fait donne à la couche troublée une
importance particulière.
Nous limiterons, dans cet article, l’exposé de notre étude aux faits principaux d’obser-
vation qui montrent comment se révèle l’existence de la couche troublée et aux résultats obtenus par la considération du seul facteur altitude.
2. Dispositif d’observation. - Lorsque la source lumineuse est une étoile, la méthode de Topler est d’une application laborieuse. Pour faciliter l’observation, au lieu d’arrêter comme dans le procédé de Foucault les rayons dont la propagation est régulière
par un écran opaque, nous avons trouvé plus avantageux d’effectuer la sélection entre les rayons perturbés et les rayons réguliers au moyen d’un biprisme de Fresnel.
1
La figure 1 rend compte du dispositif adopté.
.
L’objectif L (diamètre : 0,30 m ; distance focale : 6 m) reçoit la lumière d’une étoile.
Au foyer F, et très légèrement en deçà, est disposé le biprisme, de façon que l’arête bissecte l’image stellaire. On regarde l’objectif L à l’aide d’une petite lunette l (grossissement 18).
Si l’objectif L est éclairé par une source quelconque, la lunette 1, armée du biprisme, donne de cet objectif deux images Li et L,, symétriques par rapport à l’arête du
biprisme; lorsque la source est une étoile, l’objectif L est éclairé par des rayons parallèles
et à chaque prisme correspond une image d’une moitié de l’objectif, si bien qu’il apparaît
dans le champ de la lunette 1 sous la forme de deux demi- disques séparés par une bande obscure E.
Considérons un rayon dévié pendant son trajet dans l’atmosphère et qui frappe l’objectif L clans sa moitié supérieure, par exemple. Ce rayon atteindra soit le prisme 1 (rayon 1), soit le prisme 2 (rayon J). S’il atteint le prisme 1, il apparaîtra dans l’image L1, partie craire; s’il atteint le prisme 2, il apparaîtra dans l’image L2 partie obscure (bande E).
Le biprisme introduit ainsi entre les rayons déviés une sélection. Pour en faire saisir les
-conséquences, nous prendrons un exemple simple.
Supposons que le faisceau, composé de rayons parallèles, rencontre, avant d’atteindre
l’objectif L, un accident optique constitué par une petite lentille divergente M, de sur- -lace s; supposons, en outre, que le faisceau conique émergent de M tombe en entier sur la moitié supérieure de L, la surface couverte étant ~. Si q est l’énergie lumineuse qui traverse
un élément de surface unité normal aux rayons parallèles du faisceau incident, M reçoit l’énergie ~s qui se répartit sur ~’; désignant par q’ l’énergie lumineuse par unité de
’surface répandue de ce fait sur S,
Une portion K, des rayons atteindra le prisme 1 ; une portion K2, le prisme 2. Lez
rayons Ki vont dans la partie claire de Li ; les rayons dans la bande obscure E. Qu’aper- çoit-on en regardant l’image L dans sa partie claire dont l’éclairement, à un coefficient de
proportionnalité près, est ~? Un disque m, sombre, d’éclat q’, entouré au-dessous d’une
plage d’éclat q + l’, les rayons Ki donnant l’éclairement q’ qui s’ajoutent au fond d’éclat q ; les rayons 11, ont été éliminés, la région supérieure reste d’éclat q. Remarquons que le
disque m est l’image du contour apparent de l’accident ~1 éclairé en lumière parallèle. On
aura les dimensions de M, et cela quelle que soit sa distance à l’objectif L, en mesurant les
dimensions de m. La mesure est immédiate si on met une graduation sur l’objectif L. Un
accident suffisamment convergent, très éloigné, se comportera comme un accident diver-
gent ; siiliisaininent proche de l’objectif L, il se présentera encore suivant un disque sombre (contour apparent de l’accident) qui pourra présenter à l’intérieur une tache lumineuse.
mais de faible éclat; une partie de la lumière ayant traversé l’accident est, en effet, éliminée par le biprisme.
D’après ce que nous venons de dire, on conçoit le rùle du biprisme ; il permet de voir
les accidents : tout accident qui traverse le faisceau lumineux se manifeste par l’apparition
d’une tache sombre (flocon) dans les parties claires, soit Li, soit L2. Ces éléments de sur-
face, qui se détachent en sombre sur fond clair, peuvent être considérés comme les ombres
portées, sur l’objectif L, par les accidents éclairés en lumière parallèle.
En réalité, le phénomène est un peu moins simple; les aberrations de l’objectif L, la diffraction qui affecte fatalement la propagation de pinceaux lumineux très étroits, inter- viennent. De plus, l’arête du biprisme, si fine soit elle, constitue un écran partiel : enfin,
si les accidents sont trop nombreux, ils se chevauchent en perspective et ils n’apparaissent plus suivant leur contour apparent, ce que l’on voit étant alors l’intégration des effets pro- duits par la rencontre d’une série d’accidents échelonnés sur le trajet des rayons lumineux.
Les déviations des rayons perturbés ne sont généralement pas également distribuées autour de la direction incidente ; presque toujours, il existe des directions privilégiées au point de vue de l’importance des déviations. On peut les déceler en changeant l’orientation de l’arête. Cette remarque est utile, car lorsque les déviations sont faibles, on détermine par tâtonnement l’orientation la plus avantageuse; on détermine également par tâtonnement le .rhoix de la position à donner au biprisme par rapport au foyer F.
3. Aspect des strtes. - Les stries ocrent différents aspects suivant les soirées d’observation et surtout suivant les saisons Les figumes a, b, c, planche I, représentent l’image partielle de l’objectif i, donnée par un des prismes, telle qu’elle apparaît dans le champ obscur de la lunette L. Les séries se présentent sous la forlne globulaires (aj surtout.
en hivers la forme de balles floconneuses (b) se rencontre principalement au p-rintemps et
en automne ; la forme en traînées vaporeuses (c) en été. Les flèches indiquent le général du déplacement. Si les dessins offrent bien une représentation du champ à un
instant donné, il serait nécessaire de les animer pour clu’ils en donnent la physionomie
exacte. Les stries sont en effet, en perpétuelle agitation ; toutefois, les mouvements ne sont
qu’exceptionnellement désordonnés, ils décèlent le ou les courants véhicules des accidents, Yoici, dans chaque cas, les apparences observées et les faits principaux qui s’en dédui- sent immédiatement.
~c) Les éléments obscurs (flocons), qui apparaissent uniformément répartis sur l’objectif L, de forme grossièrement elliptique et dont les dimensions (mesurées sur l’objectif L) restent comprises entre 2 et 3 cm, se déplacent d’un mouvement rectiligne
continu. Parais, ce mouvement est perturbé par intervalle; : les flocons changent de
direction un court instant, puis reprennent leur marche primitive ; le changement de
direction affecte l’ensemble des flocons et il arrive même devoir le changement de direction
et la reprise du mouvement primitif s opérer dans le champ de l’instrument.
Si l’on répète l’observation dans des directions diverses, en s’adressant à différentes étoiles, on retrouve les mêmes apparences, sans altération sensible dans la forme et les dimensions des flocons.
Nous en déduisons que les acodents qui donnent les apparences (a) sont de forme grossièrement globulaires, avec un noyau d’indice digèrent du milieu ambiant et dont les dimensions sont sensiblement celles mesurées les flocons. Le fait que les accidents
appâtassent nettement séparés, qu’ils participent taus au même mouvement régulier, que les perturbations affectent leur ensemble, implique leur répartition dans une couche de
faible Us sont entraînés par un courant et les perturbations montrent qu’ils sont
localisés. au voisinage d’un deuxième courant.
Nous ajouterons que les accidents qui donnent les a,s.Pect,-, (a) sont optiquement divergents. avous pu le constater à l’aide d’observations directes (1). En outre, les.
flocons sont, eu général, allongés dans le sens perpendiculaire à la direction de lueur dépila- cemelltr et le courant véhicule vient t toujours des végioas nord. Ces accidents semblent a.SS0Z diiiéronts de ceux que l’oit peut réalisex en laboratoire au moyen d’un courant d’agir chaud: le courant véhicule es.t alors, le courant chaud et, le,s accidents, observés par la méthode de TÜpler se présentent sous forme de flocons moins réguliers alloiigés, clans le
sans du léplagc?ine»E. Li diver-ence dos accidents carrespontlant aux aspects (a) est peut- être- attrilâuabke à la présence dans le Royau d’une certaine quantité de vapeur d’eau, ce qui expliquerai pourquoi l’indice est faihle que celni ]e 1"air environnant.
b) Les Dal10& floconneuses (b B, plus ou moins régulières,. de dimensions variables, mais dont le diamètre (mesuré sur objectif L) n’excède Îarnais 3 eux, révèlent des accidents
p1us nombreux 0L plus tourmentés; la fo’rme s’altère plus- ou moins pendant le déplace-
ment. 011 distiiïg-Lie, en général, deux courante qui apparaissent soit comme dans le cas précédent, soit simultanément, soit alterua.tiven1ent. Le fait que les accidents sont entraî- nos par les deux co-nrants implique que se pénètrent plus ou moins, mais la couche troublée reste relativement de faible épaisseur.
c, / essentiellement différent des= cas précédents; la forme floconneuse a dis- paru, les stries apparaissent sous forme de traînées grisâtes plus ou moins déchiquetées ;
(t) Le biprisme étant au foyer>1’ d’e F objectif L, ondisposeuuc 1"en lil"le convergence- distance focale 30 cm. de Saçon que L e-t C io.ixoeon.l un système On o1Jse-rve- le faisceau issu de C à l’aide petite lunette- astronomique rlont l’objectif r est Üans- le plan c0njugué de L par rapport à C. A l’aide d’u.n écran, dans lequel on a pratiqué une, fente convenable, on masque l’objectif U afin qu’il ne reçoive
que des rayons primitivement perturbés, c’est-à-dire ceux qui vont atteindre la bande obscure E. On cherche à mettre au point les aceiklent; N1.X lorsque les circonstances atmospl»érkxues s°y pcétent,
on trouve une mise au point, au delàt du de
PLANCHE J.
elles se déplacent d’une façon rapide dans une direction unique, et sont toujours allongées
dans le sens du déplacement. Parfois, les traînées ondulent ou oscillent : ce caractère n’affecte jamais les accidents et (b). De plus,- contrairement a ce qui se produit dans les cas (a) et (b), l’aspect varie très sensiblement avec la distance zénithale de l’étoile
empruntée pour l’observation. Au fur et à mesure que la, distance zénithale croît, l’alté- 3
ration s’exagère, les traînées apparaissent plus sombres et souvent plus déchirées, leur
mouvement d’ondulation s’accentue. Enfin, la direction de déplacement est fréquemment
celle du vent au sol, ou en diffère peu.
Les accidents qui donnent aux stries l’aspect (c) sont ceux qui troublent le plus la for-
mation des images ; les images stellaires deviennent des disques flous, plus ou moins étalés.
La couche troublée peut être d’épaisseur relativement grande. Il est possible de se
faire une opinion en observant les images d’étoiles à différentes hauteurs (1); les perturba-
tions des images augmentent toujours avec la distance zénithale, mais relativement moins
quand la couche est épaisse que lorsqu’elle est mince.
Dans les trois cas principaux que nous venons de décrire, et qui englobent les aspects généraux que l’on rencontre dans l’observation des stries, la détermination de la fiirec- tion et du sens des courants se fait sans ambiguïté. L’observation donne directement la
projection de la direction de déplacemeut des accidents sur le plan perpendiculaire à
la ligne de visée ; on en déduit par le calcul (~), ou plus simplement à l’aide d’une
projection stéréographique, la projection de cette direction sur le plan de l’horizon.
Les déterminations effectuées au cours d’une même soirée sur des étoiles diffé- rentes, réparties dans le ciel, donnent des directions concordantes, Les accidents que
nous observons dans les différentes directions participent donc au mouvement général
d’une couche étendue.
Mouvements et forme des stries ne sont pas assurément toujours observables avec une égale netteté: parfois l’agitation est désordonnée, parfois on aperçoit simultanément deux régions troublées qui se distinguent par la.forme et l’opacité des flocons ; mais ces
cas sont exceptionnels.
Entre les exemples types que’nous donnons, et que nous avons avec intention choisis dans des cas extrêmes, se placent, au point de vue des apparences sous lesquelles se présentent les stries, des aspects intermédiaires. Lorsque les flocons apparaissent séparés,
de formes identiques, aux contours réguliers, les dimensions des accidents auxquels ils correspondent diffèrent peu de celles mesurées sur l’objectif. Or, nous avons vu que ces dernières (page 32) restent comprises entre 2 et 3 cm. Lorsque les taches, que nous avons
appelées flocons, apparaissent morcelées, irrégulières et simultanément de dimensions très diverses, les dimensions les plus faibles sont de l’ordre du centimètre, les plus grandes de 4 cm. Ces valeurs sont tout à fait comparables, quoique légèrement supérieures,
à celles que l’on trouve en laboratoire en observant les stries artificielles qui prennent
naissance dans un courant d’air chaud. 11 nous semble permis d’admettre que dans
l’atmosphère les accidents optiques, ou tout au moins les noyaux d’indice assez différent de celui clu milieu ambiant pour provoqaer des déviations sensibles, restent de dimensions limitées de l’ordre de 2 à 3 cm. Nous excluons le cas (c), ses apparences nous renseignent
insuffisamment sur la nature des accidents. Nous verrons comment la scintillation chroma-
tique permet d’obtenir un renseignement sur l’altitude des accidénts. Ceux-ci, dans le cas
des aspects (c), ne s’élèvent jamais beaucoup au-dessus c3u sol.
4. Ombres volantes. - Nous avons vu les stries localisées au voisinage de deux
courants et, pour un état déterminé de l’atmospbère, se présenter avec le même aspect sur
une grande étendue ; nous ne pouvons concevoir les deux courants séparés par une surfaces nettement définie et sans irrégularités ; nous la supposons plus ou moins ondulée, les.
stries prenant naissance dans les ondulations. Ondulations et stries interviennent simulta- nément pour perturber la propagation des rayons lumineux.
, Un faisceau lumineux de rayons primitivement parallèles, après sa traversée de la (1) EKHOL)I et "Mesures des hauteurs et des mouvements des nuages, Upsal (1885), p. 22.
Lorsque les accidents deviennent par trop nombreux, le faisceau qui frappe l’objectif L est composé de rayons uniformément répartis ayant toutes les directions comprises dans un cône de révolution de faible angle au sommet. Le faisceau est troublé de façon homogène et tend à se comporter comme s’il émanait d’un astre possédant un diawètre apparent. Dans ce cas, le rôle sélectif du biprisme est illusoire,
a bande obscure E disparaît. _
région troublée, est composé de rayons plus ou moins déviés; certains divergent, d’autres convergent. Si l’on observe directement l’objectif L (sans l’intermédiaire du biprisme),
celui-ci n’apparaît pas uniformément éclairé. A un instant donné, la répartition de la
lumière sur l’objectif L est celle de l’onde incidente à cet instant; nous ferons remarquer que, pour un état de perturbation déterlniné, cette répartition dépend de la longueur du trajet parcouru par l’onde entre le lieu de la perturbation et l’objectif récepteur L.
Par suite du mouvement des stries, la transformation est incessante, l’objectif apparaît
parcouru par des ombres : ombres volantes. Ces ombres sont une conséquence optique des
accidents rencontrés, elles dépendent à la fois de la nature, de la répartition, du mouve-
ment de ces derniers. 1
Une certaine uniformité règne dans la constitution de la couche troublée; il en résulte
un ordonnancement dans les déviations successives qui accompagnent le déplacement des stries, si bien que ces perturbations se reproduisent périodiquement, d’où le fait que les ombres volantes apparaissent avec une configuration déterminée, qui se reproduit à inter-
valles réguliers ; leur caractère distinctif est leur mobilité, elles sont ou fugitives cu oscit-
lantes. Fugitives, c’est-à-dire qu’elles apparaissent et disparaissent brusquement, si bien qu’on ne peut les percevoir qu’un très court instant ; oscillantes, c’est-à-dire que les
ombres, qui se présentent sous forme de bandes sensiblement parallèles (c’est le cas le plus fréquent) sont animées d’un mouvement de va-et-vient rapide, dans le sens perpenq diculaire à celui de leur allongement.
’
Il y a une différence essentielle entre les éléments obscurs que nous avons appelés flocons, observables grâce à la sélection introduite par le biprisme, et les ombres volantes.
Un flocon est l’effet d’une lentille (accident optique de forme et de constitution détermi-
nées; qui se déplace dans le faisceau lumineux reçu’par l’objectif. L’ombre volante est une
conséquence optique des déformations de la couche troublée (ondulation de la surface de
séparation) ’ainsi que du mouvement des accidents qui la constituent.
A des accidents optiques déterminés correspondent des ombres volantes détermi- nées. Nous allons décrire sommairement les caractères des ombres volantes dans les trois
cas (a’~l, b et (c!.
Cus (a), fig. a’. - Essentiellement fugitives, elles apparaissent périodiquement dans
le champ de façon instantanée avec une configuration déterminée et disparaissent de même, s’évanouissant dans des directions opposées. Lorsque les ombres se présentent
sous forme de bandes parallèles, on constate netteinent qu’une bande apparaît et disparaît
par concentration et divergence alternative des rayons lumineux clans deux sens opposés perpendiculaires aux bandes, comme s’ils émanaient d’une lentille cylindrique tour à tour
concave et convexe. La direction principale de déplacement des flocons (observation à
l’aide du biprisme) est, dans ce cas, perpendiculaire aux ombres.
Cas (b), fig. b’. - Les ombres volantes ’se présentent sous forme de bandes oscil-
laiites, plus ou moins régulières ; l’oscillation, d’amplitude variable, est toujours perpendi-
culaire à la direction d’allongement deF bandes ; elle se fait le plus souvent en ciselux,
c’est-à.di1-e qu’une bande, en oscillant, prend deux positions successives qui Bfont entre
elles un certain a,ngle. Les directions d’allongelnent des bandes coïncident ou diffèrent très peu de celles des courants entraînant les stries (fig. b et b’).
Cas (c), fig. c’. - Les ombres volantes présentent le même aspect que les stries.:
traînées vaporeuses plus ou moins sombres animées d’un mouvement d’oscillation perpen- diculaire à la direction de leur allongement. Cet allongement a toujours lieu suivant la direction de déplacement des stries observées à l’aide du biprisme et, souvent, le sens de ce déplacement t peut s’apercevoir, sans qu’il soit nécessaire de recourir à la sélection par le
biprisme, grâce à des éléments plus sombres qui sillonnent les ombres, les parcourant
dans le sens de leur longueur.
Sans insister sur diverses particularités qui ont leur intérêt, par exemple les rapports
variables entre la forme allongée des ombres (répartition des stries) et la direction des cou-
rants (cas a, cc’ et b, b’), nous attirerons seulement 1 attention sur les caractères généraux dea
