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Recherches sur la transparence de la basse atmosphère
et sa teneur en ozone
D. Chalonge, E. Vassy
To cite this version:
RECHERCHES
SUR LATRANSPARENCE
DE LA BASSEATMOSPHÈRE
ET SA TENEUR ENOZONE
Par D. CHALONGE et E. VASSY.
Sommaire. 2014 Ces études ont été faites à l’aide d’un spectrographe ultraviolet à prisme objectif d’un
nouveau modèle dont la particularité est de pouvoir fournir d’une source ponctuelle éloignée un spectre
de hauteur finie, avantage particulièrement important dans les recherches spectrophotométriques : ce
résultat est obtenu en donnant de l’astigmatisme au système optique par inclinaison de l’objectif de chambre et en photographiant les focales tangentielles.
Les coefficients d’absorption de l’atmosphère dans l’ultraviolet s’obtiennent en mesurant par
photométrie photographique l’absorption exercée par une épaisseur de 1 200 à 1400 m d’air sur le
rayonnement continu d’un tube à hydrogène : on compare, pour cela, deux spectres de l’hydrogène obtenus en photographiant le spectre de la source à une distance égale à 400 m pour le premier,
à 1 600 ou 1 800 m pour le second. Ces spectres ont révélé l’existence, pour les longueurs d’ondes plus
courtes que 2 700 Å, d’une absorption attribuable à la molécule d’oxygène et constituée par un spectre
de bandes suivi, au-dessous de 2 421 Å, par un spectre continu.
En se plaçant en dehors de la région absorbée par l’oxygène, on peut déduire des coefficients
d’absorption, la teneur de l’atmosphère en ozone. De telles mesures ont été faites simultanément à Lauterbrunnen (alt. 800 m, pression 690 mm) et près de l’Observatoire du Jungfraujoch (alt. 3 457 m,
pression 500 mm) les unes par nous, les autres par Gôtz, utilisant une méthode analogue. La concentration de l’ozone a été trouvée systématiquement plus forte au Jungfraujoch.
Il semble, de plus, que l’atmosphère de Lauterbrunnen soit plus absorbante, (abstraction faite de
l’ozone) au-dessous de 2 500 Å, que celle du Jungfraujoch.
Les méthodes
auxquelles
on a eu recoursjusqu’ici
pour étudier la
répartition
de l’ozone dansl’atmos-phère,
nepeuvent,
ainsi que l’un denous
l’a montré(1),
permettre
de résoudre avec certitude ceproblème.
Il sembleindispensable,
pour lever ou tout au moins diminuer l’indéterminationqui
subsiste,
decompléter
les donnéesqu’elles
fournissent,
par des données expé-rimentales obtenues par des moyens tout à faitdif-férents. L’étude à
laquelle
il vient d’être fait allusion(1)
ayant
montré quel’ozone,
loin d’être localisé dans une étroitecouche,
est sans douteréparti
trèslarge-ment dans
l’atmosphère
(*),
il nous a semblé inté-ressant d’étudier d’abord comment l’ozone se distribue dans les couches inférieures. En somme, au lieu de chercher à obtenir la courbecomplète
de variation de la concentration en ozone en fonction de l’altitude znous nous sommes
proposé simplement
ici de déter-miner satangente
àl’origine (.~
=0) ;
cette donnéepourra être utile pour la résolution du
problème
général.
Pour atteindre ce but
restreint,
il suffit de faire desdosages
d’ozone à diverses altitudes. Il y alongtemps
déjà
que l’on aessayé
de faire une telle étude par voiechimique (z).
Mais la discordance des résultatsobtenus,
et
l’imprécision
que semblaient avoir les méthodeschimiques employées
jusqo’ici
nous ont incité àopérer
(*) Dans un travail beaucoup plus complet, actuellement sons
preste. Dobson et Gctz ont donné une démonstration plus nette
de ce fait. _
spectroscopiquement.
La méthodespectroscopique
doit
avoir,
deplus, l’avantage
de fournir des résultatssus-ceptibles
d’êtrecomparés
avec lesépaisseurs
totales d’ozonequi,
elles,
nepeuvent
êtredéterminées,
que parspectroscopie.
,Un certain nombre de
dosages spectroscopiques
d’ozone dans l’air des basses couches del’atmosphère,
ontdéjà
été faits parBuisson,
Jausseran et Rouard(3),
par Gôtz etLadenburg
(-)
et par Gôtz et Maier-Leibnitz(5).
Mais nous avons été conduits àapporter
aux méthodesemployées
par ces auteurs des modifi-cations sensibles et nous avons puainsi,
non seulement effectuer desdosages
d’ozone trèsprécis,
mais étudierl’absorption
del’oxygène
au-dessous de 2 700Â,
surlaquelle
on nepossédait
encore que desrenseignements
insuffisants.
Pour
qu’une
conclusioncertaine,
relativement à larépartition
del’ozone,
puisse
être tirée de semblablesrecherches,
il aurait été nécessaire que lesdosages
d’ozone fussent faits simultanément à diverses altitudespendant
une assezlongue période
(au
moins unan).
Nous nous sommes bornés àopérer
en deuxstations,
assez
proches
l’une de l’autre et d’altitudes aussidiffé-rentes que
possible,
Lauterbrunnen(alt.
800m)
etl’Observatoire du
Jungfraujoch (alt. 3
457m).
Pendant que nous faisions des mesures dans l’une de cessta-tions,
Gütz assisté de Maier-Leibnitz en faisait dansl’autre,
par une méthodespectroscopique également.
Chacune des deuxéquipes
occupa successivement lesdeux stations. Malheureusement notre travail ne
put
seprolonger plus
de deux semaines(18-.*il
Août9 933) :
aussi ne pourrons-nous en tirer que des conclusionsprovisoires.
Mais nos résultats sont d’une netteté tellequ’il
nous semble trèsprobable
que ces conclusions seront confirmées.Une étroite collaboration ne cessa d’exister entre
Gôtz et nous : les méthodes
employées
furent lesmêmes,
bien queprésentant
des différences dedétail,
et les résultats se montrèrentparfaitement
compara-bles. Dans leprésent
article nous donnerons l’ensemble des résultats obtenus par les deuxéquipes,
tout en insistantcependant
sur notre propre travail. Un articlecomplémentaire
serapublié
par Gôtz dans GerlandsBeitrâge für
Geophysik.
Pour la
partie
de cette étudequi
nous concerne,tout le travail de
préparation
et dedépouillement
a été fait dans le laboratoire de M.Fabry
àqui
nousexprimons
notre reconnaissance pour l’aidequ’il
nous a fournie. Nous remercions vivement M. Daniel
Barbier,
astronome à l’Observatoire deMarseille, qui
a collaboré à laprise
desspectres.
Nous remercionséga-lement la Commission de la Station
scientifique
deJungfraujoch,
de nous avoirpermis
de travailler dansce bel établissement et d’en utiliser les nombreuses ressources.
Nos
dépenses
ont été couvertes par une subventionqui
nous a étéattribuée,
sur les fondsLoutreuil,
parl’Académie des Sciences.
,
Méthode et
appareillage.
La méthode
qui
a étéemployée
jusqu’ici
pour les do-sagesoptiques
d’ozone consiste essentiellement àpho-tographier,
au moyen d’unspectrographe
àprisme
objectif
àoptique
dequartz,
unelampe
à mercure sousenveloppe
dequartz,
placée
successivement à deux distances assezdifférentes,
quelques
centaines de mètres ouquelques
kilomètres,
et àcomparer
les noir-cissements des deuxspectres
obtenus(avec
le mêmetemps
de pose et sur la mêmeplaque) :
de cettecom-paraison
onpeut
déduire les coefficientsd’absorption
del’atmosphère
pour les diverses radiations et sateneur en ozone.
Mais un
spectrographe
ordinaire àprisme objectif
donnerait,
dechaque radiation,
uneimage ponctuelle
dont le noircissement serait difficile à mesurer. Aussi étale-t-on cesimages
en surface enplaçant
luplaque
un peu au delà dufoyer. Chaque
radiation donne ainsi sur laplaque
unepetite
tacheplus
facile à étudier. Les radiations lesplus
intenses étant assez peu nombreuses dans lespectre
du mercure, il est facile d’obtenir queles taches
correspondantes n’empiètent
pas engénéral
les unes sur les autres et soient à peuprès
toutesuti-lisables.
Cette méthode a l’inconvénient de ne
permettre
de faireporter
les mesures que sur unpetit
nombre de radiations bien déterminées. Or ces mesures révèlentl’existence,
au-dessous de2600 1,
d’uneabsorption
nouvelle
qui
se superpose à celle de l’ozone et rendplus
difficilel’interprétation
des résultats. Cetteab-sorption
que l’on a engénéral
attribuée àl’oxygène
demandait à être étudiée en détail dans tout le domainespectral
où elle se manifeste. Aussi avons-nousrem-placé
dans nos recherches lespectre
discontinu du mercure par lespectre continu
de la moléculed’hydro-gène :
mais cechangement
de sourceobligeait
à aban-donnerégalement
la méthode extrafocale d’étalement de la lumièrequi
aurait occasionné unbrouillage
de radiations diminuant notablement lapureté
des spec-tres. Nous nous trouvions doncconduits,
soit à nouscontenter,
pour les mesures, desspectres
filiformes ainsi fournis par lespectrographe,
soit à chercher une méthodepermettant
d’obtenir desspectres étalés,
mais purs.Gôtz et Maier-Leibnitz choisirent la
première
solu-tion ;
l’étroitesse de leursspectres
ne leurpermettant
pas d’en faire l’étude continue à l’aide d’un micropho-tomètreenregistreur,
ils les mesurèrentpoint
parpoint
au
microphotomètre
de Hartmann. Désireux de pou-voirenregistrer
nosspectres,
nousadoptâmes
la se-conde solution.Comment passer d’un
spectre filiforme,
à unspectre
ordinaire,
de hauteur finie ’l Enastrophysique
onélargit
souvent lesspectres
stellaires filiformesmécaniquement
endéplaçant pendant
la pose, soit lespectrographe
parrapport
à la source, soit laplaque
dans sonplan.
Mais cette méthode n’estguère applicable lorsque
l’on veutfaire,
comme c’est le casici,
de laphotométrie
photo-graphique
etqu’il
est nécessaire de connaître exacte-ment letemps
de pose. Nous avons eu recours, pour étaler lespectre
enhauteur,
à une méthodepurement
optique qui
nous
mettait à l’abri de cettedifficulté,
enpermettant
d’exposer
simultanément etpendant
untemps
bien déterminé tous lespoints
duspectre :
elle consiste à introduire del’astigmatisme
dans lesystème
optique.
Nous avons faitappel,
pourcela,
à unprocédé
dont l’idée est due à A. Couder(7)
etqui
ne semble pas avoirété employé
jusqu’ici;
il consiste à faire tomberobliquement
sur la lentille de chambre les diversfais-ceaux
parallèles
qui
sortent duprisme;
si certaines conditions sontremplies,
chacun de ces faisceauxviendra
s’appuyer
sûr
deux focales et l’une de ces deuxfamilles de focales pourra constituer un
spectre
dont les focales seront les raies.Spectrographe. -
Lespectrographe (fig.
1 et2)
consiste essentiellement en un
prisme
de Cornu de COI(hauteur
45 mm,longueur
de l’aréte de base te0 mm), suivi d’un achromatquartz-fluorine
A de 48 mm de diamètre et de 50 cm de distance focale fixés à l’entrée du tube coudé Tqui porte
à son autre extrémité lechâssis ;
laposition
de laplaque
et son inclinaison sur l’axepeuvent
être modifiéesrespectivement gràce
aunormale
p’.
Inclinons alors l’achromat autour de son diamètreparallèle
à l’arête duprisme
defaçon
à l’amener en A. L’achromat satisfaisant à la condition dessinus,.
chacune des faisceauxqui, précédemment,
venaient converger aux diversesimages
monochroma-tiques
de la source, dans leplan pB s’appuie
mainte-nant sur deux
focales, situées
en avant duplan
p’ :
la fo-calesagittale
située dans leplan
de lafigure
et la focaletangentielle
normale à ceplan (parallèle
à l’arête duprisme).
Les diverses focalestangentielles
constituent sur la surfacea b c,
lespectre
cherché. Il suffit de rac-courcir letirage
du chassis et de l’inclinerconvenable-ment pour amener la
plaque
en p, à êtretangente (ou
plutôt
légèrement
sécante)
à la surface a b c et à recueil-lir avec une très bonne netteté unepartie importante
a b du
spectre.
Fig. i.
Avec une inclinaison de 150 de la lentille A et de 30° du chassis en sens
inverse,
on obtient sur laplaque
unspectre,
d’une hauteur moyenne de1,3
mm, net entre2 300 et 3 500 À
et
possédant
unedispersion
moyenne de 15 Â par mm auvoisinage
de 2 600 À : la définition est suffisante pour que des détails distants de0,03
mmpuissent
être décelés aumicrophotomètre
enregistreur
(voir l’enregistrement fig. 5).
Il faut toutefoisremar-quer que si la netteté est bonne
lorsque
la source se trouve dans la direction S elle ne seraplus parfaite
dans une autre direction par le fait que la lentille n’est
pas rigoureusement achromatique :
la surface a b c se déformelégèrement
lorsque
la direction de la sourcechange.
D’où lanécessité,
pouropérer
dans les condi-tions de nettetéoptima,
de recevoirtoujours
les rayons sous la même incidence sur leprisme ;
c’est ce queper-met de faire un
petit
viseurplacé
au-dessus du tubequi
contient leprisme (fig. 2).
Ce
spectrographe
présente
encore unavantage
impor-tant :
l’astigmatisme,
et par suite la hauteur desfocales,
décroit
lorsque
l’on va de a vers c, c’est-à-direlorsque
l’on serapproche
del’axe;
les radiations sont donc d’autant moins étalées en hauteur que leurlongueur
d’onde estplus
courte(hauteur
des raies : à 6 bOOi,
2 mm; à 2 350 À,
0,7 mm). ll
en résulte que si l’on com-pare les noircissements de deuxspectres
d’une mêmesource donnés l’un par ce
spectrographe,
l’autre par unspectrographe
à fente de mêmedispersion,
pour un même noircissement dans levisible,
le noircissement dans l’ultraviolet estplus grand
pour lepremier
spectre
que pour le second : lepremier
estanalogue
à ce que serait le second si l’on accroissait lerayonne-ment ultraviolet de la source. C’est là un
avantage
extrêmementprécieux
dans le casprésent
oùl’absorp-tion d’une très
longue
colonne d’air va affaiblir beau-coup les courteslongueurs
d’onde(*).
Fig. 2.
.
Source de lumière.
Spectres
degradation. -
La source de radiations était un tube àhydrogène
deCha-longe
etLambrey,
construit par la Scad(9 J.
Le courant d’alimentation était de 150 m A. Le diamètre ducapil-laire n’étant que de 6 mm, le
temps
de pose nécessaire pour obtenir un bonspectre
aurait été assezlong
àgrande
distance : aussi condensions-nous la lumière au moyen d’une lentillequartz-fluorine
de 60 mm de dia-mètre et 50 cm de distance focale. L’extrémité ducapil-laire était
placée
aufoyer
de la lentille, si bienqu’à
lagrande
distance où se trouvait lespectrographe (de
1550 à 1850m),
l’éclairement était environmultiplié
par 100. Une pose de 45 sec. suffisait pourdonner,
surplaque
GuilleminotFulgur,
unspectre
présentant
un très bon noircissementjusque
vers 2 400 À.Les
spectres
degradation
se faisaient à 400 m. La lentille condensatrice était fortementdiaphragmée
pour que lesspectres puissent
êtrepris
avec le mêmetemps
de posequ’à
lagrande
distance. Nous faisions varier l’intensité de la sourceponctuelle
que constituait à (*) Une étude un peu plus complète de ce spectrographe est400 m, la lentille
diaphragmée
en donnant à la surfacedu
diaphragme
les valeurs successives de16, 8,
4, 2
et1
mm2,
lerégime électrique
du tube restant le même. Avec chacun de cesdiaphragmes,
nousprenions
unspectre
et cescinq
spectres
degradation
nouspermirent
de construire d’excellentes courbes de noircissement(densité
en fonction dulog.
de la surface dudia-phragme).
Le
spectre
del’hydrogène
étant absolumentdépourvu
de raies dans toute larégion
étudiée,
nous luisuper-posions,
pour avoir desrepères
delongueur d’onde,
unspectre
faible du mercure donné par un arc aumer-cure
placé
à une faible distance au-dessus du tube àhydrogène :
l’arête duprisme
duspectrographe
étaitverticale,
de sorte que les deuxspectres (mercure
ethydrogène)
avaient exactement la mêmedispersion.
L’expérience
nous montra d’ailleursqu’il
était inutile de superposer le mercure à tous lesspectres
(voir
p.31~, repères
par bandes de0~).
La seule
petite
difficulté de toute cetteprise
despectres
était l’orientation du tube àhydrogène
dans la direction duspectrographe :
la lentille condensatrice réduisait en effetbeaucoup
l’étendue duchamp
depleine
lumière.Mais,
au moyen designaux
lumineux,
il étaitpossible
de commander leréglage
à distance.Stations. - A
Lauterbrunnen, le
tube àhydrogène
étaitplacé
dans un chalet(*)
situé un peu au-dessus duvillage
sur la rive droite de laLutschine, près
de laligne
du chemin de fer deWengen
et l’ondéplaçait
lespectrographe.
Pour laprise
desspectres
degradation,
qui
furent tous faits à Lauterbrunnen(mème
pour les clichés relatifs auJungfraujoch),
lespectrographe
étaitplacé
sur la rivegauche,
à l’hôtelAdler,
à 400 m du chalet. La stationéloignée
laplus
courante se trouvait à 15~0 m au delà du Staubbach dans la direction deStechelberg.
Deux autres stations furent encoreutili-sées,
l’une à 2400 mprès
du Trummelbach et l’autre à 6km,
dans unepetite prairie
dominant l’usineélec-trique
deStechelberg.
AuJungfraujoch,
le tube était installé à l’Observatoire et lespectrographe
sur leglacier
à 1850 m de distance(fig.
2)
à 3 300 md’alti-tude environ sur les
pentes
duGespensterhorn,
derrière unepetite
arête rocheusequi
nousmasquait
les lumières de l’hôtelBerghaus,
voisin de l’Observatoire.Résultats.
Preuve de la
présence
d’ozone dans la basseatmosphère. -
Lacaractéristique
laplus
frap-pante
de tous lesspectres
obtenus est decontenir,
entre 2 430 et 2700 À
environ,
unspectre
d’absorp-tion moléculaire formé d’une dizaine de bandesdé-gradées
vers le rouge dont la structure de rotation(*) Nous tenons à remercier ici 112. LTrfer, ingénieur électricien
à Lauterbrunnen, qui eut l’amabilité d’installer une ligne et de
fournir gracieusement le courant nécessaire à l’alimentation de
notre tube.
est en
grande
partie
visiblemalgré
la faibledispersion.
Cetteabsorption,
faible sur lesspectres pris
à 400 m,devient très nette pour les distances de 1 500 à
2 400 mètres et assez intense à 6 km pour couper le
spectre
vers 2700 À en arrêtant toutes les radiationsplus
courtes. Il diffère considérablement duspectre
de l’ozone et onpeut
immédiatement l’identifier avec lenouveau
spectre
d’absorption
signalé
parBuisson,
Gôtz et leurs collaborateurs et attribué par eux à
l’oxy-gène.
Si cette
absorption
est due àl’oxygène,
elle doit être constante pour une distance donnée :plus
exacte-ment,
elle doit varierlégèrement, puisque
la massed’oxygène
traversée par la lumière varie proportion-nellement à lapression atmosphérique,
c’est-à-dire de1 à 2 pour 100 autour de sa valeur moyenne, mais de telles variations sont de l’ordre de
grandeur
des erreursdes mesures.
Or,
certainsspectres pris
auJungfraujoch
dans des conditionsexpérimentales
identiques
révèlent des variationsd’absorption
si grosses dans ce domainespectral qu’elles
apparaissent
immédiatement à l’exa-men visuel du cliché.L’exemple
leplus frappant
est celui desspectres pris
les soirs du 24 et du 25août,
dont lesenregistrements
sontreprésentés
sur lafigure
3. Cesspectres, pris
côte àcôte,
sur la mêmeplaque,
sontidentiques
au-dessus de 2 700Á,
mais les radiationsplus
courtesapparaissent
commeplus
absorbées le 24
(courbe
1)
que le 25(courbe
2).
Nous allons voir que l’écart entre les courbes 1 et 2s’ex-plique complètement
par lasuperposition
àl’absorp-tion constante de
l’oxygène,
del’absorption
d’une quan-tité d’ozonevariable,
plus
grande
le 24 que le 25.Cette démonstration se déduit directement des résultats contenus dans le tableau I.
313
Fig. 3. -
L’origine des
ordonnées correspond à une transparence nulle. Les flèches longues indiquent des maxima d’absorption, les courtes des minima.La deuxième colonne de ce tableau
donne,
pour un certainnombre de radiations a,
définies parla première,
E
le
logarithme
g durapport
ppEi
des éclairements duprisme
E2
ppar la radiation X
pendant
les deux nuits. Si cette variation d’éclairement estproduite
par une variationd’ozone,
laquantité E
d’ozonesupplémentaire
contenue entre les deux stations le 24 estégale
auquotient
de la valeur delog
Ii
correspondant
à une certainelon-E 2
pgueur d’onde par le coefficient
d’absorption
KI.
del’ozone : on doit obtenir évidemment la même valeur de e pour toutes les radiations.
Or,
le tableau montre que, si l’onprend
pour Kx(3r
colonne)
les valeurs déterminées récemment parNy
etChoong
(1°)
(fig.
4),
on obtient des valeurs de -- très voisines
(*)
(48
co-lonne) ;
les écartspeuvent s’expliquer
non seulement par les erreurs inhérentes aux méthodes dephotomé-trie
photographique,
mais aussi par l’incertitudequi
peut
subsister sur les valeurs des coefficientsd’absorp-tion de l’ozone.
,
(*) Conformément à l’usage, E représente (en microns),
l’épais-seur d’ozone pur à la pression atmosphérique que l’on obtiendrait
en rassemblant tout l’ozone contenu entre les deux ’stations de
façon à former une couche normale aux rayons.
Non seulement le résultat
précédent explique
la variationd’absorption constatée,
mais il constitue sansdoute la
première
preuve nette de laprésence
d’ozone dans la basseatmosphère.
Mais lesenregistrements
dela
figure
3 vont en donner une seconde. Lespectre
d’absorption
de l’ozone dans larégion
étudiée estformé de la
superposition
de bandes floues à unspectre
continu intense(fig. 4). Malgré
la faibleimportance
deces bandes relativement à
l’absorption
continue,
uneépaisseur
d’ozone de suffit pour amener des diffé-rences d’intensité de 2 à 3 pour 100 entre les radiationscorrespondant
à un maximum et à un minimum voi-sins. Onpeut
doncespérer
reconnaître ces maxima etces minima
d’absorption
par unecomparaison
atten-tive des détails des deuxenregistrements
de lafigure
3. Eneffet,
on constate sur la courbe 1(beaucoup d’ozone)
unedépression plus
forte que sur la courbe 2(moins
d’ozone),
au niveau des maximad’absorption
de l’ozone :2678, 2657. 2624, 2606, 2587, 2519.
Cela estparticu-lièrement net si l’on compare les
couples
de creux voi-siens 2624 - 2639À,
2 80 - 2 95Á, 2:5t9
- 2511 À,coïncident sensiblement t avec des tètes de bandes très absorbées de
l’oxygène,
de sortequ’il
estplus
difficile de les mettre en évidence.Il n’est pas
superflu
de donner ainsi des preuves décisives de l’existence d’ozone dans l’air voisin du sol. Les recherches sur lacomposition
de l’air faites par voiechimique
avaient en effetsimplement
montréqu’il
existe dans l’air des couches facilementacces-sibles des traces d’un corps
oxydant
(*),
mais sansper-mettre de l’identilier : on avait admis
qu’il s’agissait
de 1 ozone. Leprésent
travailjustifie
cettehypothèse (**).
Ilressort
également
de cette étude que l’air neconte-nait ces
jours-là
aucune autre substanceprésentant
uneabsorption
appréciable
dans larégion
spectrale
considérée,
oubien,
que s’il contenait une tellesubs-tance,
c’était dans les mêmesproportions.
Fig.4.
Spectre d’absorption
del’oxygène
dans laré-gion
2 300-2 700 À. - Nous allons maintenantreve-nir sur le
spectre
de bandes trèscomplexe
signalé plus
haut et montrerqu’il
est,
ainsi que nous l’avonsadmis,
attribuable à la moléculed’oxygène.
La
figure 5
enreprésente
l’enregistrement (spectre
obtenu le 30 août àLauterbrunnen,
distance 9 550 m,pression
690mm),
Leslongueurs
d’onde des têtes de bandes sont 2423, 243 L, 2445, 2465,
2491, 2521,2556,
2595,
2639, 2689
À. Elles ne sont pas données avectoute la
précision
que l’onpeut
attendre duspectro-graphe,
faute d’un bonétalonnage.
Cetétalonnage
fut fait auJungfraujoch
ensuperposant
les raies du mer-cure auspectre
del’hydrogène ;
mais letransport
duspectrographe
entraineau, parmi
les accidents dugla-cier avait
provoqué
unléger déréglage
de la mise aupoint :
il en est résulté une netteté moindre des détails del’absorption
et des raies du mercurequi
devaient servir derepère, empêchant
la détermination très pré-cise deslongueurs
d’onde. Les raies duspectre
d’ab-sorption,
même mesuréesgrossièrement,
constituaient desrepères
delongueur
d’onde très bons pour lesétu-des sur l’ozone
qui
formaient lapartie principale
de cetravail;
aussi ne fut-il paspris
de nouveauxspectres
du mercure. Mais l’étude du
spectre
de bandes neput
êtrepoussée
aussi loin que nous l’aurions voulu par lasuite.
Les bandes observées ici coïncident avec
celles,
extrê-ment faibles observées parHerzberg
dans l’étude del’absorption
d’une colonne de 25 md’oxygène
pur à lapression atmosphérique
(il),
et trouvées d’unefaçon
analogue
par Herman(12).
L’épaisseur d’oxygène
tra-versée ici étant
plus
devingt
foisplus grande,
il n’est pas étonnantqu’il
en résulte uneabsorption beaucoup
plus
intense. Nous avons donc unepremière
preuve de lalégitimité
de l’attribution de cetteabsorption
àl’oxygène.
Les bandes vont en se resserrant du côté des courtes
longueurs
d’onde et sont suivies par unspectre
continuqui
n’avait pas encore étéobservé,
mais dontHerzberg
avaitprévu
l’existence. Lalongueur
d’onde dupoint
(*> C’est ainsi que Lespieau avait intitulé le compte rendu
des recherches qu’il publia en 1906 (2) : « Etude du pouvoir
oxydant de l’air sur un mélange d’iodure et d’arscnite de
potassium en divers points du Mont-Blanc ».
(**) Les dosages spectroscopiques antérieurs faits à partir
du spectre du mercure ne prouvaient que d’une façon indirecte
315
Fig. 5.
de convergence des bandes et de la limite
théorique
duspectre
continu a été déterminée par la méthode deBirge.
Pour cela onporte
sur ungraphique
(fig. 6)
uneFig. 6.
série de
points ayant respectivement
pour ordonnée lafréquence nK
des arètes de bandes et pour abscisse, 1
la
quantité -
qui représente
la valeur moyenne de l’intervalle de deux bandes au niveau dela bande vK.
Lorsqu’on
arrive aupoint
de convergence des bandes laquantité ê1B;K
doit être nulle. Pour avoir lafréquence vi
de cettelimite,
il suffit donc dejoindre
par une courberégulière (*)
les diverspoints marqués
et deprendre
l’ordonnée dupoint
d’intersection decette courbe
extrapolée
avec l’axe des ordonnées. Onobtient =41 300
cm-1 ou),l
== 2 40 À.L’absorption
d’une radiation de
longueur
d’ondeplus
courte est suivie de la dissociation de la molécule et lepotentiel
ne dissociation est donné par la relationD - hvil
C’est
5,09 volts,
valeuridentique
aupotentiel
de dis-sociation de la moléculed’oxygène à
son état normal en deux atomesd’oxygène
normaux(3P).
Il résulte de là quel’absorption
est due à la moléculed’oxygène
elle-même et non à unpolymère
tel que0&.
L’état initial est le niveau de vibration nulle
(v" = 0)
de la moléculed’oxygène
dans son étatnormal 2013
dont la courbed’énergie potentielle
estreprésentée
figure
7.Quant
à l’étatfinal,
onpeut
simplement
en direqu’il
doit êtrereprésenté
par une courbeanalogue
à la courbe en traitdiscontinu,
c’est-à-direayant
mêmeasymptote
que lapremière puisque
lesproduits
de la dissociation sont les mêmes dans les deuxntats,
et dont "le minimum a une abscisse
plus grande puisque
les bandes sontdégradées
vers le rouge. Les coefficientsd’absorption
del’oxygène
peuvent
être déterminésd’après
nos clichés mais il faut noterqu’ils
n’ontvrai-(*) On voit très nettement dans cette courbe une cassure comme
dans beaucoup de courbes analogues. Elle est attribuable à un
ment de sens que dans
la région
d’absorption
continue : dans larégion quantifiée
ils nepourraient
avoir leursignification
ordinaire que si ladispersion
était suffi-sante pourpermettre
deséparer
trèslargement
les raies. Dans le casprésent
ils nepeuvent
être considérésque comme des constantes
caractéristiques
del’absorp-tion de
l’oxygène
pour lespectrographe
etl’épaisseur
d’air
considérée,
mais intéressantes néanmoins dans les recherchesqui
sontexposées
ici.Fig. 7.
La méthode
employée
pour l’étudequantitative
de cetteabsorption
estexposée plus
loin. La courbe 2 de lafigure 5
est obtenue encorrigeant
la courbe 1 del’ab-sorption
del’oxygène ;
c’est la courbequ’aurait
donnée lemicrophotomètre
si les séules causesd’affaiblisse-ment de la lumière avaient été
l’absorption
par l’ozoneet la diffusion. Le
rapport
des ordonnées delongueur
d’onde À des courbes 1 et 2(mesurées
àpartir
de la droitecorrespondant
à latransparence
nulle)
estégal
àl’opacité,
pour lalongueur
d’ondei,,
de la couched’oxygène
pur considérée(225 m).
La densité de laquantité d’oxygène
contenue dans ~1 km d’airnormal,
calculée de cettefaçon,
estégale
à0,58
pour la radia-ton 2 £0iqui appartient
à larégion d’absorption
con-tinue.Or, Buisseron,
Jausserand et Rouard(1)
don-nent pour cette mêmequantité (*)
la valeur0,62.
L’ac-cord est donc
bon,
et l’onpeut
admettre que la suite des densités croissantes obtenues par ces auteurs pour des (*) Exactement : pour la densité de 1 km d’air sans diffusionet sans ozone. Il est possible, comme nous le verrons plus loin,
que dans ces nombres 0,58 et 0,62 se trouve comprise, outre
l’absorption de l’oxygène, formant le terme principal, une
absorption faible due à quelque autre constituant de
l’atmos-phère.
longueurs
d’onde deplus
enplus
courtes(jusqu’à
2 139Á),
etqui
ont l’air deprolonger,
defaçon
trèsrégulière,
nosdéterminations,
est bien attribuable àl’absorption
del’oxygène.
Tout cet ensemble de résultats et
même, plus
simple-ment,
l’examen des deux courbes de lafigure
5,
montre quel’absorption
del’oxygène
va en croissant àpartir
de 2 780 Àlorsqu’on
sedéplace
vers lesplus
courteslongueurs
d’onde : ceci est vrai aussi bienlorsque
l’on comparel’importance
successive des diverses bandes quelorsque
l’on compare les radiations duspectre
con-tinu.Ladenburg
et Van Voorhis(13)
observent un faitanalogue
pour les bandes deSchumann-Runge
del’oxy-gène
--l’absorption
croît dans lesystème
de bandeslorsque
l’on serapproche
de la limite etcontinue à croître au
delà,
dans la zoned’absorption
continue, jusqu’à
1 450 À. Le minimum de la courbed’énergie
potentielle
du niveau final inconnu des ban-des nouvelles serait donc tel que les transitions lesplus probables,
àpartir
du niveaufig. 7) seraient,
d’après
leprincipe
de Franck etCondon,
a c et b d et conduiraient à la dissociation et au
spectre
continu. Les radiations
quantifiées
résulteraient de transitions moinsprobables
et celapeut permettre
d’expliquer,
au moinspartiellement,
leur faiblecoeffi-cient
d’absorption.
Herzberg
(11)
pense que ces bandes se réduisent àleurs
branches Q
et seraient dues à la transition inter-dite3sü+
-- -.
Mais l’examen des
enregistrements
de nosspectres
(fig.
5,
parexemple), qui
sontprobablement plus
dé-taillés que les siens montre la
complexité
des raies de rotation :beaucoup présentent
un dédoublement et certaines unecomplexité plus grande.
Cette observation rend un peu douteusel’hypothèse
deHerzberg.
Finkelnburg
et Steiner(l~1)
ontobservé, après
d’au-tres
auteurs,
dansl’oxygène
fortementcomprimé,
unspectre qui
semble être une modification par l’effet de lapression
duspectre
que nous étudions. Laplupart
des «
triplets o qu’ils signalent
se reconnaissentparfai-tement surtout du côté des
grandes longueurs d’onde,
parmi
les groupes de raies que met bien en évidence lafigure
5.L’insuffisance de
dispersion
et le manque depréci-sion de nos déterminations de
longueur
d’onde,
ne nous ont paspermis
de pousserplus
loin l’étude de cespectre.
Mesure de la teneur en ozone. - Le calcul de la teneur de l’air en ozone est
légèrement compliqué
par l’existence de
l’absorption
del’oxygène
dans la zonespectrale
où le coefficientd’absorption
de l’ozone passe par un maximum et où les évaluations d’ozone seraient lesplus précises.
Heureusementl’absorption
del’oxygène
devientpratiquement
nulle, pour les dis-tances utiliséesici,
aux environs de 2 700 1,région
où l’ozone est encore fortement absorbant. Il est doncpro-317 cédé de calcul est le suivant : -. les méthodes connues
de
photométrie photographique permettent
de calculerl’absorption globale a;,
del’atmosphère
pour chacune deslongueurs
d’onde considérées : a" est la somme del’absorption
apparente
par diffusion desabsorp-tions sélectives de l’ozone
(a2i)
et del’oxygène (a3i.)
etde
l’absorption
non sélective due à la brume et auxpoussières
(a~).
Le terme alk est bien connu ; a3i estnul dans la
région spectrale choisie ; quant
on le calcule facilement : il suffit de choisir unelongueur
d’ondeaQ
où a 2,,, ~ a 3Ào ‘ 0(de préférence
pastrop
éloignée
des radiations étudiées pour le cas où a,varie-rait un peu avec la
longueur d’onde)
et dans ce cas la relation a;,o=== au,ú +
a.détermine a4
(qui
peut
varier notablement d’unjour
àl’autre).
Les valeursde ai,
calculées pour les diverseslongueurs
d’ondepermettent
donc d’obtenir les valeursa2), de
l’absorption
par l’ozone :ou
Le
quotient
e de a2), par le coefficientd’ahsorption
correspondant
!{À
de l’ozonereprésente l’épaisseur
d’ozone contenue dans une colonne d’air delongueur
égale
à la différence entre les deux distancessource-spectrographe.
La valeur de e doit évidemment êtreindépendante
de ~.L’absorption
par l’ozone n’est mesurable avecquel-que
précision,
dans les conditions de notreétude,
que pour leslongueurs
d’ondeplus
courtesque 2
750 Àenviron, région
où commence àapparaître
faiblementl’absorption
del’oxygène. Mais,
faisant toutes nos mesures sur lesenregistrements
desspectres
aumicrophotomètre,
nouspouvions
facilementopérer
sur des radiations situées en dehors des bandes
d’ab-sorption ;
il ressort de l’allure des courbes(fig.
3et 5)
quel’absorption
parl’oxygène
doit y êtrenégligeable,
si l’on se cantonne entre 2 650 et 2 750 -B.Le tableau II donne un
exemple
de déterminations :TABLEAU II. -
Spectres pris
le19/8
à Lauterbrunnen.La
longueur
d’onde est ici 3 145-~;
l’absorption
par l’ozone y est absolumentinappréciable.
Les valeurs de aix sont cellesadoptées
parBuisson,
Jausseran etRouard
(3).
On voit que la concordance entre les trois déterminations est très satisfaisante.Remarque. -
L’explication précédente
supposeévidemment que les
spectres (grande
etpetite
dis-tance)
sontpris
à des instants assezrapprochés,
dansla même
région
et que lacomposition
del’atmosphère
est restée
homogène
et constante. Si les deux posessont
prises
deux nuits différentes ou en des lieuxdiffé-rents la
quantité
ereprésente
la différence entre les deuxépaisseurs
d’ozone traversées par la lumière pen-dant laprise
de deuxspectres ;
les mesures étaient conduites de telle sorte que laplus petite
des deuxépaisseurs
étaittoujours préalablement
déterminée,
un
spectre
àgrande
distance étanttoujours pris
peu
detemps
avant ouaprès
unspectre
àpetite
distance(mais
pasl’inverse).
Dans tous les cas laquantité
efournit donc la teneur de
l’atmosphère
en ozone aumoment de la
prise
duspectre
àgrande
distance. Résultats. - Les résultats sont contenus dans les tableaux III et IV. Lepremier
renferme nos propres déterminations etpermet
d’enjuger
laprécision.
Chacun des nombres inscrits dans la troisième colonne résulte d’une moyenne de trois mesures
(correspon-dant aux mêmes radiations que dans le tableau
II),
faites àpartir
d’un mêmecliché,
dont le numéro estinscrit,
à lasuite,
entreparenthèses :
ilreprésente
l’épaisseur
e d’ozone que continent une colonne d’airqui
aurait 1 km delongueur
si on la ramenait à lapression
normale et dont lalongueur
réelle est par,
t, l
. 7
k . dconséquent
égale
à76Q
km sous unepression
deH p
.H mm. La
précision
est bonne et les écarts entre les nombres relatifs à une même nuit et déduits desdivers clichés ne sont
jamais supérieurs
à ceux dutableau II.
’
TABLEAU III.
Le tableau IV contient l’ensemhle des résultats obtenus par. Gôtz et par nous, ces derniers
marqués
d’uneastérique, toujours exprimés
enépaisseur
dozone par kilomètre normal.Il
apparait
immédiatement que,pendant
lapériode
considérée la teneur del’atmosphère
en ozone estconcen-tration de l’ozone dans
l’atmosphère
doit s’accroîtrelorsqu’on
s’élève et ceci dès le niveau du sol(*).
Il faut toutefois remarquer que, si les matièresorga-niques
ou leursproduits
dedécomposition jouent
un rôle dans la destruction de l’ozone auvoisinage
dusol,
cette action doit êtreparticulièrement importante
dans une vallée aussi encaissée et aussi boisée quecelle de Lauterbrunnen :
peut-être
l’écart entre les concentrations moyennes aux deux altitudes s’est-iltrouvé accru de ce fait. TABLEAU IV.
Il est encore
possible
deprésenter
autrement lesrésultats,
en donnantl’épaisseur e’
d’ozone contenue dans 1 km d’air à lapression
du lieu : alors que les va-rialions de e sontproportionnelles
aux variations de concentration de l’air enozone,celles
de e’ sontpropor-tionnelles aux variations de la
quantité
d’ozoneconte-nue dans un même volume d’air
pris
aux 2 altitudes.Dans le tableau V les résultats du tableau IV sont
expri-més de cette seconde manière.
On voit
qu’en moyenne e’
a peuchangé
d’une sta-tion à l’autrependant
nos mesures : il semble donc que laquantité
d’ozone contenue dans un volumedonné d’air soit en moyenne presque
indépendante
de l’altitude dans les couches basses del’atmosphère (").
TABLEAU V.L’ultraviolet lointain est-il absorbé par d’au-tres corps que
l’oxygène
et 1’ozone °? -Connais-sant
l’épaisseur
e d’ozoneinterposée
entre la source et lespectrographe
et les coefficientsd’absorption
del’ozone,
il est facile de calculerl’absorption
exercée par cetteépaisseur
e sur les radiationsplus
courtes que2650
À,
qui
subissentdéjà l’absorption
del’oxygène.
Si l’on retranche del’absorption
totale a~,
observée la somme de cettequantité
et desabsorptions
an dueà la diffusion et a4 due aux
poussières,
on obtient leterme a3x donné
plus
haut commereprésentant
l’ab-sorption
sélective del’oxygène
(voir
p.317).
C’est par un calcul de cette sortequ’a
été déterminée la cuurbe 2 de lafigure 5 (* *).
Or on constate
(Tableau
que,lorsque
lalongueur
d’ondedécroit,
les valeurs de a3x déterminéespendant
plusieurs jours
successifs,
sont en accord satisfaisantjusque
vers 25t)0 Àpuis
quelles peuvent présenter
entreelles des écarts notables et croissants. Les valeurs les
(*) Ce résultat est en accorJ avec ceux de certaines mesures
chimiques et en désaccord avec d’autres (2).
(**) Si cette détermination avait été faite avec une très grande
exactitude la courbe 2 présenterait les dentelures de la courbe
d’absorption de l’ozone (fig. 4).
plus petites
sont celles duJungfraujoch(en
bonnecon-cordance entre
elles) :
ellescorrespondent’sans
doute àl’absorption
del’oxygène
seul.L’atmosphère
est sensi-blementplus
absorbante à Lauterbrunnen et les valeurs de a3~,correspondantes
sont voisines de celles trouvéespar Gôtz et Maier-Leibnitz à Arosa
(5)
et parBuisson,
Jausseran et Rouard en Provence
(3).
, Il semble donc
qu’aux
bassesaltitudes,
dans lesré-gions
où la vie semanifeste, l’atmosphère
soit moins pure et que les substancessupplémentaires qu’elle
contient
puissent
se déceler par l’étude de satranspa-rence dans l’ultraviolet lointain. Dans le travail relaté
ici,
lesspectres
n’ont pas le noircissement suffisant dans ce domainespectral
pourpermettre
d’étudierplus
en détail cetteabsorption supplémentaire
~et
d’essayer
d’en trouver
l’origine (*’).
,(*) Il est assez curieux de constater que si e’ était
réel-ment indépendant de l’altitude et égal à 20 par km, les 100 km
de l’atmosphère voisins du sol contiendraient une épaisseur
to-tale de 2 mm d’ozone, ce qui n’est pas très loin de la réalité.
(**)Voir à ce sujet le travail de Gùtz et Maier Leibnitz (5) qui avaient déjà signalé des variations de transparence de l’air à
Arosa, entre le printemps et l’automne. Ils avaient noté
également une plus grande transparence en mars, c’est-à-dire
319
TABLEAU VI. Nous nous proposons de
reprendre
ultérieurementcette étude.
Conclusion.
Ce travail a eu pour
premier
résultat de montrer que la concentration de 1 ozone dans l’air doit croîtreavec l’altitude dès le niveau du sol et de fournir ainsi un
argument
deplus
en faveur de l’existenced’une distribution étendue de ce gaz dans
l’atmos-phère.
Il prouve en second lieuqu’une partie
impor-tante de la forte
absorption
de l’airatmosphérique
dans l’ultraviolet lointain est attribuable à la molé-culed’oxygène,
maisqu’il
doit existeraussi,
au moins dans les couches d’air lesplus
voisines dusol,
depetites quantités
de corps, dont la nature reste àéluci-der,
etqui
se manifestent par un accroissement nota-ble del’opacité
de l’air aux courteslongueurs
d’onde.Manuscrit reçu le 31 mai 1934.
’
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