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Submitted on 1 Jan 1907
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Recherches sur la température effective du soleil
G. Millochau
To cite this version:
G. Millochau. Recherches sur la température effective du soleil. J. Phys. Theor. Appl., 1907, 6 (1),
pp.389-402. �10.1051/jphystap:019070060038900�. �jpa-00241219�
389
RECHERCHES SUR LA TEMPÉRATURE EFFECTIVE DU SOLEIL ;
Par M. G. MILLOCHAU (1).
La connaissance de la température du Soleil et surtout celle des variations de la quantité de chaleur émise par cet astre sont de la
plus haute importance; c’est un problème que l’action absorbante de l’atmosphère terrestre rend difficile à résoudre et qui occupe
depuis longtemps les astronomes et les physiciens.
L’historique complet de l’actinométrie fournirait matière à un
volume et rien que la liste des savants qui se sont illustrés dans cette science serait trop longue ; aussi nous contenterons-nous de citer seulement les principaux points de cette histoire.
Newton, dont le génie a donné une si forte impulsion à la science,
semble être le premier que tenta la recherche de la connaissance de la température de l’astre du jour. Il exposa un thermomètre au
soleil, puis à l’ombre, et obtint une première mesure de la radiation
calorifiqne solaire.
Lambert (1’i~6) fit des expériences analogues à celles de Newton, mais ce fut de Saussure, en 1774, qui construisit l’instrument qui
contenait les premiers principes de l’actinomètre.
Son appareil se composait d’une boîte en liège noircie à l’intérieur et fermée par des verres du côté qu’on tournait vers le Soleil;.un
thermomètre mesurait la chaleur de cette enceinte.
Leslie, en ’18~. ~, essaya d’employer aux mesures actinométriques
son thermomètre différentiel composé d’une boule noircie et d’une
, boule incolor’e.
°J. H erschel imagina d’étudier l’échauffement dans un temps donné d’un thermomètre placé au soleil et le refroidissement de ce même thermomètre placé à l’ombre, avant et après cette mesure, créant ainsi la méthode dynamique.
Pouillet (1837) fut un de ceux qui travaillèrent le plus cette ques- tion : il imagina deux pyrhéliomètres, l’un composé d’un thermo- mètre placé dans une double enceinte noircie à l’intérieur et percée
d’un trou pour le passage des rayons solaires, l’autre formé d’une
sorte de calorimètre en argent, plein d’eau, et dont on mesurait
l’échauffement.
(1) Communication faite à la Société française de Physique ; séance du ier fé-
Trier 1907.
Article published online by EDP Sciences and available at
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphystap:019070060038900
Enfin, Violle, Crova, Àngstrôm établirent les actinomètres qui sont
maintenant généralement employés.
En 1845, Henry (de Princeton) s’avisa d’étudier la radiation des divers points du disque solaire, et notamment des taches, en proje-
tant sur un écran percé d’un petit trou une image agrandie du Soleil, la portion du faisceau lumineux passant à travers le trou étant
reçue sur une pile thermo-électrique.
Secchi reprit plus tard ces recherches.
MTilson et Gray, en 1894, employèrent le même procédé, en
substituant à la pile thermo-électrique un radio-micromètre de Boys.
Ils recevaient, sur l’une des soudures du couple thermo-électrique
de cet instrument, le faisceau de rayons solaires envoyé par un miroir plan argenté à la surface, et ramenaient l’équipage à la position zéro en envoyant sur l’autre soudure le faisceau calorifique provenant d’une lame de platine chauffée par un courant électrique.
W.-E. Wilson reprit, en 1902, la même expérience, en substi-
tuant au platine un four formé par un tube de porcelaine chauffé au
gaz.
Wilson donne trois valeurs pour la température effective du Soleil : 5 573~ absolus pour celle d’un radiateur intégral qui, substitué au Soleil, produiraitle méme effet, en employant les nombres de Rosetti
pour corriger cette température de l’action absorbante de l’atmo-
sphère terrestre ;
6 20i 0 absolus pour un radiateur intégral remplaçant le noyau solaire et subissant une absorption due à l’atmosphère de cet astre ;
6 863° absolus pour le même radiateur, en admettant en plus,
comme perte totale produite par la même atmosphère, le résultat donné par Wilson et Rambaut.
On voit donc combien il est nécessaire de nettement définir ce
qu’on entend par température du Soleil, sous peine de discuter sur
des nombres très divers, non comparables, puisqu’ils proviennent de
définitions différentes de cette température.
Avant de passer à l’exposé de la méthode actinométrique, il est peut-être bon de rappeler quelques principes de physique sur
rémission.
Les physiciens appellent corps noir un corps qui émet le maxi-
mum de radiations possible pour la température à laquelle il est porté ; ce même corps absorbe le maximum des radiations qu’il
reçoit.
391 Une enceinte fermée, un four par exemple, dont l’intérieur est
porté à une certaine température, est un corps noir théoriquement parfait, et, si on perce dans cette enceinte un petit trou, les radia-
tions émises par ce trou correspondront à celles qu’émet un corps noir parfait à la température de l’enceinte.
Si la température est élevée, ce corps noir est en même temps
un corps très lumineux ; c’est pourquoi M. Ch.-Ed. Guillaume a proposé de remplacer cette dénomination, qui prête à l’équivoque,
par celle plus logique de radiateur intégral.
Stefan a établi que l’énergie de la radiation émise par un pareil
radiateur est proportionnelle à la quatrième puissance de la tempe-
rature absolue (1). Cette loi a été vérifiée pour toutes les tempéra-
tures que l’on a pu atteindre.
Les mesures de la radiation solaire peuvent être exécutées de deux manières :
1° Par la méthode statique, qui consiste à mesurer la température
d’un corps noir exposé au faisceau solaire lorsque ce corps a atteint
l’équilibre thermique. C’est ce qu’on peut appeler mesurer la tempé-
rature du faisceau ;
2° Par la méthode dynamique, qu’on pourrait appeler aussi calo- rimétrique, qui, jusqu’à présent, est celle qui a donné les meilleurs résultats.
Dans cette méthode, on mesure l’échauffement d’un corps noir de
masse m dans un temps t, lorsque cette masse est échauffée par l’intermédiaire d’une surface s exposée au faisceau solaire.
L’échauffement produit par ce faisceau pendant une minute sur une
surface de 1 centimètre carré, mesuré en petites calories, a été dé-
nommé par les physiciens constante solaire (généralement désignée
par le symbole A), lorsque cette mesure est corrigée de l’action de
l’atmosphère terrestre.
Ce nom de cot2stante solaire est assez mal choisi, car il est presque certain que cette constante varie, et c’est même l’étude de cette va- riation probable qui serait la plus intéressante.
L’atmosphère terrestre absorbe une grande partie de la chaleur
émise par le Soleil, et son absorption est variable suivant son état
hygrométrique ; aussi est-il très difficile d’en corriger l’action, et de
nombreuses divergences se sont produites dans les corrections faites
(1) Cette température est égale à la température vulgaire augmentée de ?’~3°.
par les divers auteurs et, par conséquent, dans les divers nombres donnés comme valeur de la constante solaire.
~ . Hansky, en 1905, dans une note sur les observations actinomé-
triques faites par lui au sommet du mont Blanc, donne le tableau suivant des valeurs attribuées par divers auteurs à A :
Lui-même conclut de la discussion de ses résultats au nombre 3cal,29. Il a observé, le 4 septembre 1900, directement, g,al,0-9 au
sommet du mont Blanc.
On voit donc la difficulté qu’il y a de tenir compte de l’effet de
l’atmosphère terrestre, et la nécessité d’exécuter les recherches
actinométriques aux grandes altitudes.
On a essayé de déduire de la constante solaire la température du Soleil, en cherchant, par l’application de la loi de Stefan, quelle
serait la température d’un radiateur intégral produisant le même
eùet sur la Terre.
Il est curieux de remarquer que, malgré les divergences des
Tnombres donnés pour A, les valeurs que l’on trouve pour cette tem-
pérature sont comprises entre deux limites assez rapprochées, 54000
et 6 200°.
J. Scheiner, dans son ouvrage S1trahlung und I emperatur der
Sonne (~ ), donne le tableau suivant des nombres obtenus en appliquant
ce calcul aux résultats donnés par divers auteurs :
En 1902, M. Féry, étudiant les pouvoirs émissif’s de divers corps,
imaginait un nouveau pyromètre qu’il appliquait peu après, indus- triellement, à la mesure de la température des fours.
Ce pyromètre est basé sur le principe suivant :
Si on concentre sur la soudure d’un couple thermo-électrique ayant une très faible masse le faisceau provenant d’un radiateur
intégral, à température constante, de manière que la soudure voie ce
corps toujours sous le même angle, la différence de potentiel aux
(1) Leipzig, 1899.
393 bornes de la pile reste constante quelle que soit la distance du corps, tant que son image couvre la soudure.
Cette différence de potentiel, que l’on peut mesurer avec un gal-
vanomètre, est liée à la température du radiateur par la loi de Ste-
fan, cette température étant la racine quatrième de cette différence
de potentiel multipliée par un coefficient qui est la constante de
l’instrument et que l’on détermine par un étalonnage fait en visant
un radiateur intégral à température connue, par exemple un four électrique dont on mesure la température par une autre mé-
thode l’ ) .
Le premier appareil de M. Féry était une lunette avec objectif de fluorine, substance qui n’absorbe, comme on le sait, que les rayons de très grande longueur d’onde. La pile était formée par deux fils
en croix (constantan et fer) soudés en leur milieu et formant réti- cule, les deux autres extrémités de chaque fil soudées à deux bagues
de cuivre séparées et isolées formant les deux pôles de la pile ; de petits écrans métalliques masquaient les bras de la croix du réticule,
ne laissant à découvert qu’une partie centrale, sur laquelle était
soudé un petit disque destiné à augmenter la sensibilité.
Un oculaire visait à la fois le réticule et l’image du corps chaud à observer, et l’on pouvait ainsi placer convenablement cette image.
M. Féry substitua ensuite un miroir concave argenté ou doré à l’objectif de fluorine, les miroirs argentés n’absorbant pas les rayons de grande longueur d’onde.
C’est alors qu’il pensa qu’on pouvait utiliser un pareil instrument
à la mesure de la température du Soleil et qu’il me demanda d’être
soa collaborateur pour cette recherche.
Nous modifiâmes le dispositif du pyromètre pour cette nouvelle destination de la manière suivante :
Un miroir de verre argenté, ayant 103 millimètres de diamètre et 800 millim,,tres de distance focale, fut monté sur un tube de cuivre
dont l’autre extrémité pouvait être fermée par un bouchon composé
de deux cercles, l’un fixe, l’autre tournant sur le premier, tous deux percés d’ouvertures en forme de secteurs de l’angle de 901. Ce bou-
chon forme ainsi un diaphragme en forme de papillon avec lequel
on peut faire varier le faisceau reçu par l’instrument de zéro à la
(1) Le point de fusion de certains métaux peu oxydables a été déterminé avec
une grande précision par divers savants et est généralement utilisé pour ces
mesures.
moitié de la surface du miroir, et mesurer la proportion utilisée au
moyen d’une division graduée tracée sur l’un des cercles.
Au foyer du miroir est placé un couple thermo-électrique iden- tique à ceux employés pour les télescopes pyrométriques industriels
Féry, c’est-à-dire composés de deux fils en croix, l’un de fer, l’autre
de constantan, soudés à leur point de croisement.
Derrière la pile est un prisme à réflexion totale renvoyant le fais-
ceau venant du miroir dans un oculaire muni d’une bonnette noire mobile.
On observe dans ce télescope comme dans un télescope de Newton, et l’on voit dans l’oculaire la pile formant réticule çt
’
l’image de l’objet céleste observé.
L’oculaire peut être mis au point sur le réticule, et une coulisse
mue par une crémaillère permet d’amener ce réticule dans le plan
focal du miroir.
Le courant produit est mesuré par lecture directe d’un galvano-
,mètre à bobine mobile donnant les millivolts à un centième près.
Si l’on pointe ce télescope sur le Soleil, on mesure donc la tem- pérature moyenne de la partie de l’image de cet astre découpée par le petit disque qui recouvre la soudure chaude du couple thermo- électrique ; on peut donc étudier avec cet instrument la loi de varia- tion de la température effective (1) des diverses portions de la sur-
face solaire.
La Société du mont Blanc et M. Janssen ayant mis généreusement
à notre disposition leur observatoire et les ressources nécessaires pour faire cette expérience au sommet du mont Blanc, nous adop-
tâmes le programme suivant, divisé en deux parties :
1° Étude de la du centre de solaire
aux diverses heures de la Journée et à des altitudes diverses pour étudier faction at1nosphérique Les stations choisies furent : Meudon (altitude, 150 mètres) ; Chamonix ~~1 000 mètres); les Grands- Mulets (3 ~~0 mètres), et, enfin, l’observatoire Janssen du sommet du mont Blanc (4 810 mètres) ;
2° Étude de l’e&missioJù calorifique des divers points de la surface
solaire. Pour cette recherche, la méthode employée a été empruntée
à celle décrite en 1868 par M. Janssen, et qui lui a servi pour l’ob-
(1) Expression de M. Le Chatelier pour indiquer la température qu’aurait le
Soleil s’il se comportait comme un radiateur intégral.
,
395 servation des protubérances, sous le nom de méthode chro>io?>ié-
trique .
Elle consiste à laisser le télescope immobile, l’image se déplaçant
sur le réticule par l’action du mouvement diurne, et à noter, à des
temps marqués successifs, les déviations du galvanomètre.
Le résultat est traduit ensuite par une courbe obtenue en prenant pour abscisses les positions du réticule sur le globe solaire et pour ordonnées les déviations du galvanomètre.
Après une série d’observations à Chamonix, je partis le 20 juillet
pour 1 observatoire des Grands-Mulets, où il fut fait séjour jusqu’au
~3 juillet, jour où nous montâmes au sommet, par le passage dit du Corridor. Dans la dernière partie de l’ascension, nous fûmes assail-
lis par un orage et arrivâmes à l’observatoire juste à point pour y recevoir deux coups de foudre qui, fort heureusement, ne nous pro- duisirent que des effets d’électrisation plutôt désagréables.
Une série de mauvais temps s’étant produite, le pyrhéliomètre ne put être monté par les porteurs que le 29 juillet, et les observations furent immédiatement commencées.
Les meilleures conditions atmosphériques furent réalisées le 2 août,.
Dès le matin, de nombreux cirrus couvraient le Soleil ; mais, vers sept heures, le ciel commença à s’éclaircir et resta d’une pureté re- marquable jusqu’à la nuit.
L’hygromètre enregistreur, qui indiquait le matin une grande sé- cheresse, remonta jusqu’à deux heures, puis subit de faibles varia- tions jusqu’à six heures, où il commença à baisser.
La courbe journalière obtenue ce jour-là, en mesurant d’heure
en heure la radiation du centre solaire, est très régulière et extrê-
mement intéressante 2).
Le 4 août 1906, après treize jours de séjour à l’observatoire
Janssen, nous quittions le sommet du mont Blanc pour redescendre à Chamonix.
Les 21 et 26 septembre, une série de mesures fut faite à Meudon;
puis l’instrument fut transporté au laboratoire de l’École de Phy- sique et Chimie, où M. Féry en pratiqua l’étalonnage.
’
Cet étalonnage fut fait en pointant le télescope avec pleine ouver-
ture du miroir sur un four électrique à résistance de platine porté
à 16 3° absolus.
La constante de l’instrument, toutes corrections faites, fut trouvée
être de 705, c’est-à-dire que la température T d’un radiateur inté- gral produisant la déviation ~, exprimée en microvolts, pour la
pleine ouverture du diaphragme (1), sera, d’après la loi de Stefan,
En visant le cratère d’un arc électrique dont la température a été
admise de 3 773°, la même constante a été trouvée égale à a 1~.
Pour les observations solaires, le diaphragme limitant le faisceau reçu par le miroir était disposé pour que la déviation du galvano-
mètre soit de 1 millivolt environ, lorsqu’on pointait sur le centre du
Soleil. Dans ces conditions, la soudure du couple thermo-électriqne
ne dépassait pas de plus de 25" la température ambiante, et les
déviations du galvanomètre étaient rigoureusement proportionnelles
à la surface du diaphragme, comme l’avaient montré des expériences préalables.
FIG. ’~ .
Courbe représentative de l’action atmosphérique terrestre.
Les observations ont montré que la station des Grands-Mulets semble peu favorable aux recherches de ce genre, malgré son alti-
tude. Comme elle est située sur les flancs du mont Blanc, les remous
de l’atmosphère y sont particulièrement gênants, et les résultats qui
y ont été obtenus montrent une action très irrégulière de l’absorption
de cette atmosphère.
(1) Une déviation de 1 millivolt représente un déplacement de 6 centimètre
sur le cadran du galvanomètre.
397 La moyenne des valeurs trouvées pour le centre du Soleil, vers midi, aux diverses stations, a été (fig. 1) :
Les mesures obtenues au sommet du mont Blanc, le 2 août, ont
été les suivantes (fig. 2) :
~
F’IG. 2.
Sommet du mont Blanc, courbe journalière du 2 août 1906 (mesures prises au centre de l’image du Soleil).
Ces mesures peuvent servir à une estimation de l’effet atmosphé- rique. En effet, si on appelle 1, l’intensité de la radiation en dehors de l’atmosphère, et 1 l’intensité après passage dans cette atmo-
sphère, la relation entre 1 et 1, est 1
=loe-gx, où x est l’épaisseur du
milieu traversé, et K une constante.
Si nous considérons la radiation zénithale et des radiations
obliques faisant successivement des angles « et p avec cette radiation,
on aura pour les épaisseurs x, et x~ traversées les valeurs :
si l’on fait abstraction de la courbure de la Terre.
On aura donc les relations :
En combinant deux à deux ces équations, on peut éliminer K,x et calculer I..
Le tableau suivant a été obtenu avec les mesures du 2 août
tx
.~distance zénithale) :
En combinant dans ce tableau (1 ) et (2), on trouve pour Ii) : 4149;
(l)et(3), 4162; (1) et (4), 4163; (3), ~ ~17~; (~) et (.~), l.~ 168; et, enfin, (3) et (~), ~ ~66.
On voit qu’en négligeant 4i49, provenant de deux mesures trop
voisines du zénith, où une dépression visible dans la courbe (fig. 2), auprès de midi, en fausse les résultats, la moyenne des autres nombres conduit à 10
=4166 microvolts à moins de 10 microvolts près pour l’intensité qu’aurait eue ce jour-là le rayonnement solaire en dehors de notre at mosphère.
En prenantlfpour constante instrumentale la valeur 705, trouvée
par étalonnage sur le four électrique, la température effective de la
partie centrale du disque solaire, c’est-à-dire celle qu’aurait un ra-
diateur intégral produisant les mêmes effets, serait de :
ou environ 3~400° vulgaires.
Les plus fortes déviations galvanométriques observées directement
au sommet ont été de 3 800 microvolts, le ~9 juillet, à 13~48, et de
3 800 également, le 2 août, à 14h 10.
"En essayant les mêmes calculs sur les résultats trouvés à Chamo-
nix le 13 août, journée où le ciel fut d’une remarquable pureté, on
399 constate que 1, ainsi calculé croit rapidement au fur et à mesure
que croît la distance zénithale employée ; l’atmosphère se modifie
donc aux altitudes moyennes trop vite pour permettre l’application
de la loi de Bouguer, ce qu’ont déjà constaté tous les physiciens qui
se sont occupés d’actinométrie. Cette variation est due surtout aux
changements qui se produisent dans l’état hygrométrique des diverses couches d’air.
Des observations faites à plus haute altitude que le mont Blanc,.
en ballon par exemple, pourraient donner des indications utiles
sur la valeur relative des résultats qu’on peut obtenir à l’observa-
toire Janssen.
Nous avons dit qu’on pouvait étudier l’émission des divers points
d’un diamètre solaire en laissant le télescope immobile et en notant
à des temps successifs les déviations du galvanomètre, et que des.
mesures de ce genre avaient été faites aux diverses stations citées.
La masse de la soudure du couple n’étant que de 1 milligramrne- environ, l’indication est instantanée, et le galvanomètre indique
fidèlement les variations d’intensité du flux de chaleur qui pénètre
dans le télescope.
Cependant il y a lieu de tenir compte de ce fait que le petit disque qui recouvre la soudure cesse d’être couvert entièrement par l’image
du Soleil 13 secondes avant la fin du passage et ne cesse de recevoir l’action que le même temps après ; il en est de même au commence-
ment du passage.
Il s’ensuit que la courbe doit être corrigée de l’action de ce
disque.
Nous nous proposons, dans de prochaines recherches, de réduire
les dimensions de la soudure et de faire des mesures relatives sur
l’action des divers points de la surface solaire, l’étalonnage du téles-
cope n’ayant plus dans ce cas la même importance.
Si, prenant les mesures obtenues aux diverses stations par ce pro-
cédé, on multiplie les déviations trouvées par un coefficient tel qu’on
ait le même nombre pour la déviation centrale, par exemple
f 000 microvolts, et qu’on construise les courbes à la même échelle,
on constate que toutes ces courbes sont superposables, ce qui dé-
montre que l’absorption atmosphérique terrestre est proportionnelle
à l’intensité de la radiation.
Dans les limites où la soudure est toujours couverte, la courbe
obtenue (fig. 3) est même superposable à celle construite avec les nombres donnés par W.-E. Wilson en 1894 4), ce qui semble
FIG. 3
sCourbe représentative de l’action calorifique des divers points d’un diamètre du disque solaire (Féry et Millochau, 1906). (A,B, A’,B’, tangentes au disque recou-
vrant la soudure lorsque le centre de ce disque est sur l’image du bord du Soleil.)
FIG. £.
*
Courbe représentative de l’activité solaire aux divers points du disque (W.-E. Wilson, 1894).
’