Étude du champ électrique terrestre, de l'ionisation atmosphérique et du courant vertical au Scoresby Sund, pendant l'année polaire ( Suite)

HAL Id: jpa-00233383

https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00233383

Submitted on 1 Jan 1936

HAL is a multi-disciplinary open access

archive for the deposit and dissemination of

sci-entific research documents, whether they are

pub-lished or not. The documents may come from

teaching and research institutions in France or

abroad, or from public or private research centers.

L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est

destinée au dépôt et à la diffusion de documents

scientifiques de niveau recherche, publiés ou non,

émanant des établissements d’enseignement et de

recherche français ou étrangers, des laboratoires

publics ou privés.

Étude du champ électrique terrestre, de l’ionisation

atmosphérique et du courant vertical au Scoresby Sund,

pendant l’année polaire ( Suite)

A. Dauvillier

To cite this version:

ÉTUDE

DU CHAMP

_ÉLECTRIQUE

_TERRESTRE,

DE L’IONISATION

_{ATMOSPHÉRIQUE}

ET DU COURANT VERTICAL AU

SCORESBY

SUND,

PENDANT

L’ANNÉE

POLAIRE

(Suite) (1).

Par M. A. DAUVILLIER.

II.

Conductibilité.

Appareils. -

Les

_{conductibilités,}

dues au

_petits

ions

positifs

et

_négatifs,

ont été mesurées deux fois par

jour,

lorsque

les conditions

_{météorologiques}

le

_{permettaient,}

à midi et à minuit

_(temps

de Greenwich

_(")

au _moyen

d’aspirateurs

de

_Gerdien,

munis d’électromètres bifi-laires de

wulf,

du modèle utilisé à l’Institut de

Phy-sique

du Globe de Paris.

Ces

_aspirateurs

G,

d’un diamètre de 16 cm, étaient

disposés

en

_série,

comme le

_montre,

en

_plan,

la

_figure

3,

afin que

l’air,

parfois

très

froid,

aspiré

durant

_chaque

mesure

₍₄

_min)

ne

_pénètre

_{pas dans le laboratoire. Ils} ne

_pouvaient

donc être utilisée _{que successivement. Le}

coffret de

_jonction

C,

fixé au

_plafond,

contenait les

moteurs M actionnant les ventilateurs. Afin de

préve-nir toute entrée de

_neige,

durant les

_périodes

de non

utilisation,

les orifices

_{d’aspiration pouvaient}

être obturés par un

_{large clapet}

K manoeuvrable de l’inté-rieur. Au mois de

_juin,

il fut nécessaire de les

_garnir

de gaze pour

prévenir l’aspiration

des

_{moustiques !}

Pendant les _mesures, la

_partie

centrale des tubes

d’aspiration

était fortement chauffée _par un enroule-ment de nichrome N absorbant une centaine de watts

pour

prévenir

le

givre.

Néanmoins,

toute mesure deve-nait

_impossible

_{dès que} l’air contenait en

_suspension

de minuscules cristaux de

_glace.

L’électrode

axiale,

isolée de ces

_{condensateurs,}

était

successivementportée

à des tensions de V_-_ ±I‘~6

volts,

fournies par les batteries d’accumulateurs au nickel-cadmium alimentant les

_quadrants

des électromètres Benndorf. Cette tension était assez faible pour éviter la saturation dans les

condensateurs

cylindriques,

comme

nous nous en sommes assuré.

La

_capacité

totale

Ci

de

_l’appareil

_utilisé,

préalable-ment _{déterminée par M.}

_Salles,

à l’Institut de

_Physique

du

Globe,

était de 17,1 cm et celle

(,’2

de l’électrode centrale

_captant

les

ions,

de

6,8

cm. On _{sait que la}

conductibilité est _{alors donnée par}

_{l’expression :}

Il fallait en

_{moyenne 4}

_{min pour obtenir} une

chute de tension d V d’une

_quinzaine

de

volts,

corres-pondant

à un

_déplacement

des fibres d’environ autant

de divisions du micromètre oculaire. Cette

_élongation

(1)

Voir la _{première partie} dans J.

_Physique,

oct. 1935, 6, p. 420.

(2) Ces époques sont favorables pour mettre en évidence une

variation diurne _synchrône de celle du _champ.

pouvait

être mesurée à une demi-division

_près,

ce

qui correspondait

à une

_{approximation}

_{de 3 pour 100}

(4 lectures).

La valeur ainsi obtenue est la moyenne,

de la conductibilité

_{pendant 4}

min. Cette

_quantité

varie,

en

_effet,

très

_rapidement

d’une manière

désor-donnée,

par suite du caractère accidentel de l’ionisa-tion

_{(gerbes d’électrons)}

due aux _rayons

_cosmiques,

si

bien

_qu’il

_n’y

a _{pas lieu de rechercher} une

approxima-tion,

que le

principe

même de la méthode

d’aspiration

ne saurait d’ailleurs

_justifier.

La vitesse v du courant d’air traversant le conden-sateur doit aussi être assez élevée pour éviter la pro-duction d’un courant de saturation.

Des mesures effectuées avec un anémomètre ont

donné des vitesses

_supérieures

à 2

_m/sec.

Si l’on

_désigne

_{par K}

la mobilité des

_ions,

_par 1 la

longueur

de ,l’électrode

_interne,

_{par R}

et .~ les rayons

des deux

_cylindres.

la

vitesse, v

doit être

_supérieure

à :

Si l’on pose K- 1

cm/sec, l

= 23

cm ; ~ =

8 cm et

r =

_0,75

_cm, on _{trouve que la condition}

_précédente

était

_largement

assurée.

La fuite naturelle était contrôlée

_{après chaque}

sérié

de mesures, le

cylindre d’aspiration

fermé. Elle ne

dépassait

pas,

lorsque

l’isolement était

normal,

3 pour 100 de la chute de tension

mesurée,

c’est-à-dire

_qu’elle

était de

_l’ordre

de

_grandeur

de la

_précision

des mesures. Cette

_fuite,

très

constante,

correspondait

à un courant de ~.10-i~ A soit à la

_production

de 20

_paires

d’ions par centimètre cube et par seconde dans le condensa-teur. Cette

ionisation,

due aux _{rayons a} issus des

parois

et aux électrons

_cosmiques,

ne _{devrait donc pas}

être

_{intégralement}

retranchée des valeurs de

_{d V,}

et

nous l’avons

_négligée.

La

_fuite,

s’effectuant _{par la surface des isolants} d’ambre et de

silice,

a

_{généralement}

été

_{négligeable,}

au

Scoresby

Sund,

où l’air était très sec.

_Néanmoins,

les isolants non chauffés

_furent

_toujours

_{desséchés par la}

présence

de sodium.

Résultats. - Le

_graphique

de la

_figure

9 résume le résultat de 644 mesures des conductibilités

_bipolaires

effectuées entre 1Q 26 novembre 1932 et le 12 août 1933.

On _{voit que les valeurs varient}

énormément,

la

_plus

faible conductibilité totale

_{(27 janvier)}

étant de X = sec-’ et la

_plus

forte

_{(14 mai)}

de

41

Fig. 9.

~ -

_{6,0.10-~’ sec-1 ,}

soit une variation de 1 à 60. Une variation diurne se reconnait nettement en hiver et en

été,

la conductibilité étant

_plus

élevée à 0 h

_qu’à

12 h.

Cette

_différence,

_{qui disparaît}

en avril et en

_mai,

n’est due ni à

l’insolation,

ni à la

_{température, puisque}

le

rayonnement

solaire est

_beaucoup

_plus

considérable à minuit

_pendant

le

_jour

_polaire

_qu’à

midi

_pendant

la

Fig. 10.

nuit

_polaire,

et _que la variation

_diurne

de la

tempéra-ture

_durant

cette dernière

période

est

nulle.

Cette

dis-pal ition

âe

la

variation diurne

en

avril

et

mai)

est à

rapprocher

du

_{phénomène analogue}

_que nous avons observé pour le

champ électrique,

et en est très

proba-blement la cause.

On voit aussi que les deux

courbes,

diurne et

noc-turne,

quoique

présentant’de

grandes

fluctuations,

ne

sont pas

parfaitement

désordonnées,

mais

_qu’elles

montrent souvent des variations

_{analogues, persistant}

pendant plusieurs jours

consécutifs,

prouvant

que la cause des variations de la conductibilité

peut

évoluer len-tement. Ce

_phénomène

est

_{particulièrement}

net en été.

Ces caractères se retrouvent sur les courbes de la

figure

10,

qui

montrent les variations diurne et

noc-turne moyennes bimensuelles des deux conductibilités

et de leur somme. On _{voit que la conductibilité} X

₊

due aux ions

_positifs

est presque

toujours supérieure

à la conductibilité X -

due aux ions

_négatifs.

La même

variation annuelle est accusée par les deux courbes

_(1).

Si l’on fait les moyennes annuelles des conductibi-lités diurne et

_nocturne,

la variation diurne se confirme. Les conductibilités des deux

_signes

sont toutes deux

plus grandes

à midi

_qu’à

minuit,

et leur

_dissymétrie

est maximum

_pendant

le

_{jour :}

TABLEAU II.

(1) M. C. _MAURAiN, effectuant des mesures de _{conductibilité par} la méthode apparemment moins précise de _{déperdition,} a trouvé

au _Scoresby Sund en août _1932, des valeurs en bon accord avec

Ips valeurs diurnes d’août t 93~. En la était

42

Enfin,

il est intéressant de connaître la variation annuelle de la conductibilité totale en faisant les

moyennes mensuelles de toutes les mesures diurnes et

nocturnes,

afin d’éliminer les influences

météorolo-gigues,

Fig. 1 L

Cette variation est

_{représentée}

_{graphiquement}

sur la

figure

11. On voit que la

conductibilité,

sensiblement constante de novembre à

mai,’ croît,

au moment de la fonte des

_neiges,

de mai à août. On admet

générale-ment _{que les variations de conductibilité et du}

_champ

sont inverses l’une de

_l’autre,

aussi bien

statistique-ment _{que dans} les cas

isolés,

auquel

cas le courant

vertical serait constant.

_Or,

nous verrons que ce

cou-rant est fort loin d’être constant et nous trouvons des variations annuelles du

_champ

et de la conductibilité nullement

inverses,

mais

_plutôt

de même sens. Seules les variations diurnes de la conductibilité et du

_champ

semblent

_inverses,

les

_grandes

conductibilités

noc-turnes

_{(0 h)}

étant

_proches

du minimum du

_champ

(2

h)

et les faibles conductibilités diurnes

_{(1 i h)}

étant peu

éloignées

du maximum du

champ (18 h).

Dans de nombreux cas

_isolés,

cette

_apparente

constance du

courant vertical s’observe

_{également. Cependant,}

il existe des cas où cette relation est en défaut.

Par

_exemple,

le 17

_juillet

à i2

h,

le

_champ

et la conduelibilité sont tous deux extrêmement

faibles ;

le 18 à 0

_h,

_par

_brouillard,

la conductibilité est très

grande,

et le

_{champ faible,}

etc...

La relation

_précédente

_{n’est donc vérifiée que}

sta-tistiquement.

Moyenne

annuelle. - Si l’on fait la’

moyenne

générale

annuelle ou trouve : .

soit une conductibilité totale

_égale

à :

et un

_rapport

des deux conductibilités de :

Cette conductibilité totale est très

_inférieure

aux

valeurs

_{admises j usqu’ici}

_{pour les}

_i-égions

_polaires.

Elle n’atteint i)iême pas la valeur moyenne des mesures

effectuées

sur les Océans

(î,

z--

3,0.

9 0-~

_sec-l)

_{et est}

tout à

_fait

dit mé,’j)ie ordre _que les valeurs obtenues en

Europe.

Par contre, la

_dissymétrie

des deux conducti-bilités est

_plus

_{accentuée que}

_partout

ailleurs et 2cn

rapport

aussi élevé _{n’avait été obtenu que dans} les

régions

polaires

ou aux

_grandes

altitudes.

Enregistrement

des conductïbilités. - Dans le but d’étudier d’une

façon

plus précise

la variation diurne et l’influence des

_{phénomènes géophysiques}

et

météorologiques

sur les

_{conductibilités,}

_j’ai

_établi,

en

janvier

1933,

un

_{enregistreur susceptible}

de fonc-tionner 24 h consécutives : 52

_{enregistrements}

ont

été obtenus entre le 26 février et le 9 août 1933.

L’appareil

utilise l’un des

_aspirateurs

de

_Gerdien,

dont l’électrode axiale isolée est

_{chargée, chaque}

demi-heure,

au

_{potentiel positif}

ou

_négatif

de 126 V par le

jeu

d’un contact _{tournant mû par} un mouvement

d’hor-logerie.

L’électrode est reliée à l’électromètre

enregis-treur

_{photographique}

de Kolhorster

_déjà

mentionné. Le

_{cylindre d’aspiration}

était alors chauffé

électrique-ment en _{permanence. Dans} un but de commodité de

lecture,

les

_{potentiels négatifs}

_étaient,

au _{moyen d’une}

batterie

auxiliaire,

rendus

_{légèrement plus}

élevés que les

_{potentiels positifs.}

Les courbes

accusent,

par les accidentes

_présentés

_{par leurs}

_{pentes variables,}

non

seulement les variations lentes des

_{conductibilités,}

mais encore de curieuses variations

_rapides,

principa-lement dans la

soirée,

où la

_dissymétrie

des conclucti-bilités est

_{particulièrement}

_marquée.

Par

_{exemple, l’enregistrement}

effectué le 9

_juin

_1933,

et

_reproduit

sur la

_figure

_12,

montre des conductibi-lités

_égales

et très élevées dans la matinée, diminuant

régulièrement

vers le milieu du

_jour.

En même

_temps,

apparaît

une forte

dissymétrie :

tandis que la conduc-tibilité dûe aux ions

_positifs

varie peu, celle due aux

ions

_négatifs

diminue

_beaucoup

et cet effet

_persiste

dans la soirée. La

_transparence

de

_{l’atmosphère,}

très

grande

ce

_jour-là,

n’a

_pourtant

_pas

_changé,

le

_temps

étant demeuré calme et beau. Les mesures directes

sont en accord avec ces résultats.

Les

_{enregistrements}

des 25 avril et 10

_juillet,

re-produits

sur la

_figure

13,

montrent aussi de

_grands

conducti-43

Fig. 14.

Fig. 15.

bilités durant

_quelques

heures,

qui

n’est attribuable à aucun

_{phénomène météorologique}

_apparent.

En

_été,

les

_jours

de beau

_temps,

un

_phénomène

météorologique

régulier remarquable

se manifestait au

Scoresby

Sund. Il consistait dans la

_formation,

au-dessus de la mer, d’un banc de brouillard

dense,

depuis

sa surface

_jusqu’à

l’altitude de deux ou trois

cents mètres. Ce

_stratus,

_qui

s’étendait sur

_plusieurs

dizaines de kilomètres au

_large,

formait une

_langue

de forme

_{géométrique}

_pénétrant

dans le

Sund,

mais dé-bordait rarement sur la côte.

Parfois,

cependant,

la station fut atteinte par ce brouillard, dans

_lequel

la visibilité se réduisait à une centaine de mètres.

L’en-registrement

du 25 mai

_{(fig. 14)}

montre que les

44

(170 V/m).

Pourtant,

des conductibilités élevées furent aussi observées par des brouillards denses.

La

_{pluie, qui}

est fort rare au

_Scoresby

_Sund,

se

traduit,

au

_contraire,

_par une réduction considérable

de la seule conductibilité due aux ions

_positifs,

comme le montre

_{l’enregistrement}

du 18

_juin

1935

_{(fig. 15).}

Ce

_phénomène

_{s’accompagne}

d’un renversement du

champ

dû à l’induction d’une

_charge

_positive

sur le sol. La fumée

_produit

un effet

_analogue.

Discussion. - Les

variations

_de~la

conductibilité ne

peuvent

se

_rapporter

à aucun

_phénomène

_géophysique

apparent.

Ainsi la variation diurne _{accusée par les}

courbes de la

_figure

9

_pendant

la nuit

_{polaire, pourrait}

être

_rapprochée

de la variation diurne

_analogue

de

l’activité aurorale.

_Cependant,

les mesures effectuées en

février,

mois durant

_lequel

l’activité aurorale a considérablement varié d’une manière

_{systématique}

(1),

montrent que l’aurore n’est _pour rien dans la

conductibilité au

sol,

comme on

_peut

d’ailleurs

_s’y

attendre

_(1).

M. Paul

_{Langevin, auquel}

_j’ai

fait

_part

de ces

résultats,

a bien voulu rechercher par le

calcul,

si les accroissements

_brusques

de la conductibilité ne

pour-raient

_{s’expliquer}

_{par des}

_apports

verticaux d’air for-tement ionisé par les rayons

cosmiques qui,

comme

Regener

l’a

montré,

produisent

leur maximum d’ioni-sation vers 13 km d’altitude.

Mais,

en admettant des

vents verticaux de l’ordre de ceux _{que décèle}

l’obser-vation,

il _{n’est pas}

_possible

de rendre

_compte

des

grandes

variations observées et cet effet demeure

né-gligeable.

Il est

_probable

que les variations observées doivent être

_rapportées

à celles du _{nombre des noyaux} de

condensation,

microscopiques

aiguilles

de

_glace

assez _{peu nombreuses pour} ne _{pas être} décelables par des variations de la

_transparence

de l’air.

Ces _noyaux

sont,

en

_effet,

_{toujours plus}

nombreux

(plusieurs

dizaines de

_fois)

que les

petits

ions

_présents

dans l’air.

La conductibilité norniale observée au

_Scoresby

Sund : h _

2,2

10-4 sec-1 est entièrement

explicable

par l’ionisation

produite

par les rayons

cosmiques.

Nous avons trouvé

₍₁₎

pour la valeur moyenne de

l’intensité de

_ceux-ci,

sur un sol

_inactif,

la valeur q ~

_2,8

_paires

d’ions par centimètre cube

d’air

normal

et _par seconde. Si l’on admet _que l’influence des gros

ions et des _noyaux de condensation est

_négligeable

et si a est le coefficient de recombinaison

(4.)

{a

= 3.10-6

au

_{sol), l’équation :}

q = _an2

conduit à un nombre d’ions n de

_chaque

_signe

de l’ordre de

1.0-3,

en accord avec les valeurs observées.

(1) A. DAuvILLIER. J,

Phy.~.,

f9~4, t, 5, p. 3ig.

(~) La cause de cette variation diurne ne _peut 4tre discutée avant de savoir si elle dépend de l’heure locale ou du temps universel.

’

"

(3) A. DAOVILLIER. J, déa. 1934, t, 5, p. 650,

(4)

BENNDORF. Handbuch der

lische Elektnzitât, p.

On

_peut

alors se demander si l’accroissement de conductibilité observé en été ne

_correspond

_pas

sim-plement à

une

_augmentation

de l’ionisation de l’air due à l’addition _{des rayons y} issus du

_sol,

alors

partiellement dégarni

de

_neige.

Nous avons, en

_effet,

observé que, sur les

_gneiss,

constituant la roche en

place,

l’intensité des rayons y

était

égale

à’environ la

moitié de celle des rayons

cosmiques.

C’est

précisé-ment la

_grandeur

dont s’est accrue l’ionisation.

M. A.

_Lepape

a bien voulu mesurer la radioactivité

d’un échantillon du

_gneiss

sur

_lequel

était édifiée la station. La

_roche,

mise en

_solution,

a donné une te-neur en radium

_(10,6.1©-1~

_{g Ra par}

_{gramme) cinq}

fois

plus

forte que celle admise pour ce

_type

de roche et

dépassant

même celle trouvée par

Joly

dans le

_gneiss

du St-Gothard

(9,9.~0-~9

g Ra et

_0,9

_{10-5 g}

_Th).

Etant donnée cette concentration p on

_peut

calculer

approximativement l’intensité q

des rayons y issus du

sol,

exprimée

en

_paires

d’ions libérées par cm3 d’air normal et _par seconde

_(1).

Si ~

est le coefficient

_{d’absorption}

_{des rayons y dans} le sol

_(p.

= le coefficient

_d’Eve,

on a:

soit une

_production

de 3

_paires

_{d’ions par cm3 et par}

seconde,

du même ordre de

_grandeur

_que l’intensité

des rayons

cosmiques

au

_Scoresby

Sund.

Il est donc extrêmement

_probable

_{que les}

_fortes

valeurs de la

conductibilité,

souvent observées l’été dans les

_{régions polaires,}

et

_qui

ont

_fait

croire à une

iOl1i-,çation

_plus

_forte

dans ces

_régions,

sont attribuables à cette cause

d’erreur.

Les continents

_polaires

_sont,

_pour

la

_plupart,

_d’origine

_volcanique

et la roche en est par-tieulièrement active. Les mesures d’électricité

atmos-phérique

doivent tenir

_compte

de cette

_{particularité.}

Les mesures de

_Malmgren

et de

_Béhounek,

non

per-turbées par la radiation locale du

sol,

sont en accord

avec les nôtres.

Il résulte du fait _que l’ionisation

_{atmosphérique}

sur les Océans et dans les

_{régions polaires,}

étant

principale-ment due aux _rayons

_cosmiques,

la conductibilité doit être

_{indépendante}

de la

_{pression atmosphérique.}

En

effet,

l’ionisation due à

_{l’absorption}

de ces _rayons est

proportionnelle

à la

_{pression barométrique,}

_{tandis que}

leur intensité au sol varie inversement avec la masse

de

l’écran

_{atmosphérique}

traversé

(effet

barométrique).

Les mesures d’ionisation en

_récipient

non

_étanche,

soit sous la

_ipression

_{atmosphérique}

_{variable, donnent,}

en

_effet,

un _{nombre q constant.}

Ce

_résultat,

obtenu au

_sol,

est naturellement encore

plus

valable

_{pour les}

hautes

_régions

de

_{l’atmosphère,}

où l’intensité et

l’absorbabilité

des rayons

cosmiques

croisent

_rapidement,

pour

atteiiidre

leur maximum vers 25

km.

Mais,

la

_pression

décroissant suivant

la loi

de

Laplace,

le

_{nombre q}

passe par un maximum

(q

~

₄₇₎

_vers 43

_km,

comme

_Regener

montré,

45

expérimentalement. Moyennant

quelques

simplifiea-tions,

Benndorf

_déjà

calculé que le coefficient de recombinaison décroissant

_rapidement

avec

l’alti-tude, la

conductibilité

_pouvait

atteindre celle de l’eau

douce

_(~

= 109

_sec-1)

vers 100

_km,

rendant ainsi

compte

de l’existence d’une

_Ǥcouche

» _conductrice

per-manente

_{(Kennelly-Ileavis ide).}

En

réalité,

il _{semble que} les

_sondages

de

l’ionos-phère

exécutés

_{par la}

méthode des

radio-échos,

placent

le centre de

gravité

de la couche réfléchissante nocturne

attribuable aux _rayons

_cosmiques,

à une altitude

supé-rieure,

en fait à 400 km

_(couche

_F)

_{tandis que la} couche diurne

_(couche

E à 100-~OO

_km)

serait attri-buable à

l’ionisation

due à

l’ultra violet

_{solaire, auquel}

doit se

_superpose

l’ionisation

variable due à l’aurore

mondiale

_(2).

Au-delà

de

la

couche

_F,

_{l’ionosphère}

demeure

ultra- raréfiée

_barye)

et

_constituée,

ainsi

que celle d’un tube à

vide,

d’ions

positifs

et

d’électrons

libres. Ces

derniers,

par

suite de leur

_mobilité,

ont tendance à

_{s’échapper}

de

_{l’ionosphère}

en entourant celle-ci d’une couche

_négative.

Il

_pourrait

donc exister, aux confins de

_{l’ionosphère}

à une altitude de l’ordré du

_{rayon terrestre,}

un

_ehamp

électrique

de sens

_opposé

_{à celui que} nous mesurons dans la

_{troposphère.}

Ce

_champ

_{pourrait y}

subsister car, la

_pression

diminuant

_{constammentaveèl’altitude,}

la conductibilité

_passé

_par un maximum dans la

_région

des couches réfléchissantes. L’existence des aurores,

jusqu’à 2

000 km

_{d’altitude,}

ne _{prouve pas l’absence} d’un tél

_champ

_(effet

«

_d’espace

_{obscur » dans} un tube à

_vide),

la

_{phosphorescence}

aurorale semblant beau-coup

plus

due à des réactions «

_chimiques

» lentes entre

_gaz

ultra raréfiés

_qu’à

un

_simple

effet de recom-binaison d’ions

_positifs

et d’électrons lents.

Mesure de la densité des

_petits

ions et de leur mobilité. - Ces mesures ont été

_tèntdes,

au moyen d’un

aspirateur

d’Ebert muni d’un électromètre

bifilaire de Wulf. Cet

_aspirateur

se _compose d’un étroit

condensateur

_cylindrique

dans

_lequel

_règne

un

_champ

assez _{intense pour}

_capter

tous les

_petits

ions

_{(R=1, 5}

cm,

r ==

0,27 cm,

1 = 30 _cm, V:::::: 9l50

volts)

dans

lequel

un volume d’air connu

_{(4 m3/h)}

est

_aspiré

_par une

turbine munie d’un anémomètre.

Le nombre d’ions de

_{chaque signe}

renfermé dans 1 cm3 d’air est donné par

l’expression :

C étant la

_{capacité (C}

=

_§6,1

_cm)

du

_système

_isolé,

Vi

Sa chute de

_potentiel,

M le

débit en mètres eubes.

Dans une

_expérience

durant 3

_min,

le débit est voisin de 1 m3. _{Sachant que la} teneur _{moyenne de l’air}

en

_petits

ions est _{de l’ordre de i0~ par}

_cm3,

on _{voit que} (l) BENNDORF. _Physik. Z., 1926, t. 27, p. 686.

(s) On sait que la propagation des ondes hertziennes est

em-péchée, durant les aurores, par la forte conductibilité _provoquée, jusqu’à près de 80 km d’altitude, par l’ionisation due aux

électrons auroraux.

la chute de tension V ne

_dépasse

_pas

_3,6

_volts,

soit 2 divisions du micromètre oculaire. Le

débit,

où la sensibilité de

_{l’électromètre,}

étaient donc

malheureuse-ment,

dans cet

_appareil,

10 fois

_trop

_petits

_pour per-mettre des mesures

_précises

et il ne _{fut pas}

_possible

de

changer

l’électromètre ni de consacrer

_{quotidiennement}

plusieurs

heures consécutives à une mesure

_complète.

La mobilité des ions

_peut

être

_mesurée,

avec

l’appa-reil

_d’Ebert,

en insérant, avant le condensateur de mesure, un condensateur

_cylindrique

_porté

à un faible

potentiel

( V3

=

+ 16

volts).

La chute de

_potentiel

_Vi

devient alors

_plus

faible

( V2)

et la mobilité est donnée _par

_{l’expression :}

M étant lé débit en centimètres cubes par

seconde,

R,

r et

_1,

les constantes du condensateur auxiliaire. Sachant _{que les mobilités des}

_petits

ions sontde l’ordre du centimètre _par seconde dans un

_champ

de 1

_V/cm,

l’expression (Vi

-

V2)/

V, était,

dans

_l’appareil

utilisé,

de

l’ordre de

_{9 j~ ~}

Enfin,

la conductibilité étant

_égale

au

_produitde

la densité n _{des ions par leur mobilité u,} on _{voit que} ces mesures

_permettent

de contrôler les déterminations directes effectuées avec

_l’appareil

de Gerdien.

Une douzaine de tentatives furent

faites,

avec cet

appareil,

pour mesurer n et u. La fuite

naturelle,

sans

aspiration,

était

_négligeable

₍₄

divisions en 24

_h,

soit

10-15

_A).

Là

_plupart

du

_temps,

les chutes de

_potentiel

obtenues

en

_1/4

d’heure _{n’étaient pas mesurables.}

_Cependant

quelques

essais effectués en

_été,

lors des

_grandes

con-ductibilités,

donnèrent des chutes de tension

_appré

ciables,

quoique

ne

_dépassant

_pas

_quelques

volts. Les

résultats en sont

réunis,

à titre

_{d’indication,}

dans le

tableau

Ill.

On

voit que

le

nombre des

petits

iôns

_{positifs (1300)}

excède,

en _moyenne,

celui

des ions

_{négatifs (900)}

et que

la

mobilité de ceux-ci

est la

_{plus grande.}

Ces résultats

sont en accord avec ceux _{obtenus par}

Behounek,

lors du voyage

de

l’Italia au Pôle Nord.

. . v ,

Mais,

tandis que Behounek

_{observait presque la}

même

densité en ions des deux

_signes,

à 500 m

_{d’altitude,}

les

chiffres

_précédents

accusent une

_{dissymétrie marquée.}

Cet effet

_(action

d’électrodel

est dû au _{passage du} cou-rant vertical au

_voisinage

du

_sol,

_lequel

se

_comporte

comme une électrode

_négative

accumulant les ions du

signe opposé.

Le nombre d’ions semble aussi

_{plus grand qu’en}

Europe,

probablement

par suite de la

présence

d’une moindre

_quantité

_{de noyaux de condensation}

₍₁₎

se

tra-(1) hI. Ch. MAURAIN a effectué au _Scoresby Sund, en août 1932

une dizaine de maures dû nombre des _noyaux de condensation par la méthode d’Aitken, et a trouvé des valeurs comprises entre 4 000 et 3u 000 par cm-’ d’air, notablement

_plus

_{faibles que}

46

TABLEAU 111.

duisant par une très

_grande

_transparence

de l’air.

Cette

transparence était,

au

_Scoresby

_Sund,

des

_plus

remarquables.

Les

_montagnes

de la

côte

Sud

₍

1 a00

_m)’

éloignées

de

_plus

de 30

km,

se

_{distinguaient}

le

_plus

souvent dans leurs moindres détails et avec une

netteté

_qui

n’est

_égalée,

sous nos climats

_qu’en

hiver

_

et en haute

_montagne.

La

_dissymétrie

des mobilités des

_petits

ions est la même que sous nos latitudes.

Enfin,

la conductibilité calculée est du même ordre de

_grandeur

_{que la conductibilité observée}

_{(bien qu’à}

un moment un _peu

différent)

avec

_l’appareil

de

Gerdien.

Comme on le

_voit,

une étude

_complète

de l’ionisation de l’air devrait

_comporter

des

_{enregistrements}

mul-tiples :

celui du nombre des noyaux de condensation

présents

dans

_l’air,

celui du nombre d’ions

_petits

_{et gros} des deux

_signes,

et de leurs

_mobilités,

celle des conduc-tibilités et du

_champ.

_{Il y}

aurait,

dans ce _programme,

matière à occuper exclusivement toute l’activité d’un

, observateur.

III. Le courant vertical.

J’ai

_profité

des mesures

_quotidiennes

des conducti-bilités pour effectuer simultanément celle du courant

vertical. A cet

_effet,

des

_pointés

étaient effectués sur les

enregistrements

du

_{champ électrique}

_pendant

les

mesures de conductibilité et la _{valeur moyenne du}

champ

pendant

les

_quatre

minutes

_{correspondantes,}

était relevée sur la courbe.

L’intensité i de ce

_courant,

_exprimée

en

_ampère,

est

égale, d’après

la loi

_d’Ohm,

au

_produit

du

_champ,

exprimé

en volts par centimètre et de la conductibilité.

Celle-ci,

exprimée

en unités

_pratiques,

est voisine de

.IO-/9.10’1,

soit sensiblement 2.10-16 ohms-l cm-’. Le

_champ

étant _{de l’ordre du volt par}

_centimètre,

le courant vertical i aura une densité de :

Le

_champ

_électrique

étant

_{généralement dirigé}

de telle sorte _{que la surface du sol soit}

_négative,

ce

cou-rant

_correspond

à un

_apport

d’ions

_positifs

au sol et à un flux inverse d’ions

_négatifs,

ceux-ci toutefois moins

nombreux,

comme nous l’avons vu.

-

,

Les variations du courant vertical à 0 h et à 12 h sont

_{représentées}

sur la

_figure

9. La conductibilité variant

_plus

_{que le}

_champ

_électrique,

on _{voit que le}

courant suit assez nettement les variations de la con-ductibilité. La variation diurne,

qui disparaît

encore

en avril et en

mai,

est visible à la fois sur les courbes

directes,

sur _{les moyennes bi-mensuelles}

_{(fig. 10)}

et sur les moyennes annuelles.

La _{variation annuelle est montrée par la courbe de} la

_figure

ii . Elle

_présente

une onde

_simple,

fort

régu-lière,

avec un minimum à

_{l’équinoxe}

de

_printemps

et

probablement

un maximum à

_{l’équinoxe}

d’automne.

Sur cette courbe nous avons

_porté,

à la

_fois,

les moyen-nes mensuelles des mesures directes du courant

_vertical,

et les moyennes mensuelles calculées à

partir

des valeurs moyennes mensuelles du

_champ

et de la con-ductibilité. L’excellent accord

_régnant

entre ces deux déterminations du courant

_{vertical prouve}

l’élimination

complète

des accidents

_{d’origine météorologique.}

La variation diurne du courant vertical se reconnaît

encore sur les moyennes annuelles : on trouve en effet :

La moyenne

générale

de toutes lcs mesures donne pour valeur annuelle :

tandis que le

produit

des _{valeurs moyennes} annuelles

du

_champ

et de la conductibilité donne :

en

_{par f ait}

accord avec les mesures directes.

Cette valeur est

_plus

_{faible que celle résultant de}

l’ensemble des mesures

_(j

=

_2,0.10-16)

effectuées

jus-qu’à

ce

_jour

en diverses

_régions

du

_globe,

et surtout

sur les océans

_(i

~

3,U.10-~6).

Les valeurs

_négatives

du courant vertical sont fort

rares

₍₆

mesures sur

_634,

soit 1 _pour

_100).

Elles

n’ap-paraissent

qu’en

été par

temps

couvert et

_pluvieux,

ou par

pluie.

Ce sont donc des accidents

purement

météo-rologique.

47

régions polaires,

supposé

à la suite des mesures dont notcs avons

_parlé,

n’est donc pas

_confirmée.

Ce courant

_permanent,

_qui

_correspond

au _{passage de}

1 200

_charges

_{élémentaires par seconde} et _{par unité de}

surface terrestre, ou à un débit de _{1400 A pour} toute la

Terre,

constitue le

_problème

fondamental de l’électri-cité

_{atmosphérique,}

comme l’ont montré

Gockel,

Benn-dorf,

C. T. R.

Wilson,

Schweidler et d’autres savants.

Il traduit l’existence d’une force électromotricc

perma-nente,

d’origine probablement cosmique,

entretenue entre les deux électrodes du condensateur

_sphérique

que forment la surface du sol et la couche conductrice de

_{Kenelly-Heaviside.}

Si cet isolant était

_parfait,

il en

résulterait seulement un

_champ

constant invariable

avec l’altitude. Mais la

_troposphère

est ionisée par les rayons

cosmiques

et

fuit.

C’est là

l’origine

du courant

vertical,

dont les variations nous

_renseignent

sur celles

de la force électromotrice

_cosmique,

l’ionisation étant relativement constante. La différence de

_potentiel

cor-respondante,

presque localisée au

_voisinage

du sol où la conductibilité est minimum

_(intensité

minimum des rayons

cosmiques

et

_{pression maximum),}

constitue le

champ électrique

terrestre. Les

_variations,

diurne et

annuelle,

reflètent aussi celle de la force électromotrice

cause du courant vertical.

L’entretien de ce courant ne met en

_{jeu qu’une}

iaible

puissance :

la différence de

_potentiel

existant entre le sol et

_{l’ionosphère}

ne

_dépasse

_guère

200 OOU

_V,

ce

_qui

correspond

à une

_puissance

de : W = ~ . ~1u X 1 400

2,8. 10-~ Kw,

presque

équivalente

à celle

_dépensée

dans la

_troposphère

_{par les rayons}

_cosmiques.

Plusieurs théories ont ét,é

_proposées

_pour

_expliquer

ce

_remarquable

_phénomène.

D’après

C. T. R.

_Wilson,

le courant

_vertical,

aussi bien que les rayons

cosmiques,

sont dus à la manifes-tation violente de l’électricité

_{atmosphérique.}

c’est-à-dire de _{la foudre. Bien que} nous ne sachions encore

presque rien de ne

_{phénomène -}

dont la connaissance aura des

conséquences

théoriques

et

_pratiques

incalcu-lables,

- _on

peut

affirmer que les rayons

cosmiques

ne _{sont pas dus à la foudre} et

_qu’il

est _peu

vraisem-blable que le courantvertical soit entretenu par

unicou-rant de sens

_opposé,

de

_grande

densité,

discontinu et

accidentel.

La foudre mondiale

_représente

bien une

_puissance

largement

suffisante pour entretenir ce courant.

_D’après

Bureau,

avec une

_réception

de

_{100 p.}

_{V; m,}

on

_reçoit

sur

X ~ 10

km, 2

000

atmosphériques

_par

minute,

issus

d’un rayon de 3 000 km. Or un éclair de 2 km de lon-gueur

correspond

en _{moyenne à} un débit de 10~ A sous 101 V

_pendant

1U-2 sec, soit à une

_énergie

de 1010

_joules.

La

_{puissance correspondante}

serait : W= 2

_000/6L)

X 101° soit 3.10~

_Kw,

mille fois

_{plus grande}

_{que celle} du courant vertical.

Mais l’intensité des rayons

cosmiques

semble

parti-culièrement élevée dans les

_régions

_polaires,

comme

nous _{l’avons montré pour le}

_Scoresby

_Sund,

et

_pourtant

comme on le

_sait,

_{la foudre y} est un

_phénomène

abso-lument inconnu. La

_statistique

_{mondiale des orages}

montre que leur

fréquence

décroît

_rapidement

_lorsque

la latitude

_augmente

et

_qu’on

n’en observe

_plus

au delà de 70°. Ils sont nettement confinés dans les zones à

température

élevée où ils constituent un

_phénomène

purement

météorologique

de caractère

_quotidien

et

régulier

(1).

On

_pourrait,

sans

doute,

_imaginer

_{que la}

_charge

de

la couche

_{ionosphérique}

conductrice s’effectue

princi-palement

dans les

_{régions équatoriales}

_{et que, par} suite de la conductibilité

_{ionosphérique,}

le courant ver-tical de

retour,

est uniformément distribué sur toute la

Terre.

La

_statistique

_{de la foudre est aussi donnée par celle} des

_{atmosphériques}

de

_{grande longueur}

d’onde.

_Or,

Austin

₍₂₎

a _{montré que la}

_fréquence

de

_ceux-ci,

d’ori-gine tropicale,

avait varié entre 1918 et 1930

(À

_---1~ 500

_m)

en

_opposition

de

_phase

avec l’activité

solaire,

c’est-à-dire contrairement à la

_propagation

des ondes

_longues

à

_grande

_distance,

à la

_température

dans la zone

_tropicale

et à l’intensité du

_champ

élec-trique

terrestre.

Le courant vertical ne _{semble donc pas}

_dépendre

de la foudre

et,

outre

_qu’il

est _{difficile de prouver} l’exis-tence _{d’un excès de coups de} foudre

_{correspondant}

au passage d’un courant

dirigé

du sol vers la haute

atmos-phère,

le

_{champ présente}

des variations annuelle et diurne

_ayant

un caractère

_{cosmique marqué.}

Il ne saurait donc

_dépendre

d’un

_phénomène

météorolo-gique.

La seconde théorie célèbre dn courant vertical est celle de Schweidler et de Swann

₍₁₉₀₄₎

_{d’après laquelle}

la

_charge

_négative

du Globe _{serait entretenue par}

l’ab-sorption

d’électrons

_cosmiques

de très

_{grande énergie,}

assez

_grande

_{pour éviter leur déviation par le}

_champ

magnétique

terrestre et leur

_absorption

par la

tropo-sphère.

De tels électrons ne seraient donc

_plus

ioni-sants.

Quelques expériences

ont été faites pour prouver

l’existencede ce flux

électronique.

Swann, Schweidler,

puis

Behounek au

_Spitzberg,

ont tenté de déceler la

charge

négative

acquise

par un _{gros bloc matériel}

soi-gneusement isolé,

qui

aurait absorbé une fraction de ce flux. Toutes ces

_expériences

ont conduit à des résultats

_{négatifs, interprétés}

_par une émission

pos-sible d’électrons secondaires.

L’intérêt de cette théorie s’est accru à la suite de la

découverte,

au _{moyen des chambres de}

_Wilson,

des

trajectoires électroniques

de

_grande

_énergie

associées

aux _rayons

_cosmiques.

Les électrons de

Swann,

non

_ionisants,

doivent

au-jourd’hui posséder

une

_énergie

_beaucoup

_plus

_grande

que celle manifestée par les électrons

cosmiques qui

~ - _aux

plus grandes énergies

-

produisent

encore 90

_paires

_{d’ions par centimètre de}

_longueur

de

trajec-toire dans l’air normal. Cette

_énergie

doit

_dépasser

(1) Ce _phénomène est évident dans les îles _montagneuses de basse latitude.

48

1010

eV

et

la théorie

doit admettre

_l’impact

de

1

260 électrons

de ce _{genre par}

unité

de surface ter-restre et par

seconde,

tandis _que les

électrons

cos-miques représentent

une densité considérablement

plus

faible,

ne

_{dépassant guère}

un électron _par

centi-mètre carré et _{par minute} au sol.

Le flux

traversant

_chaque

unité de

surface

ter-restre

_{représenterait}

donc une

_puissance

d’au moins

X 2. tO-t6 ~

tandis que celui des rayons

cosmiques,

en

dehors

de

_{l’atmosphère,}

ne

dépasse

pas w = 5.10-10

watt,

soit une

valeur 105 iois

plus petite.

Il faudrait donc que le

pouvoir

ionisant des

électrons de

Swann fut réduit dans la

même

pro-portion.

Or,

il

ne

semble

_{pas que le}

nombre

des

paires d’ions,

produites

par unité de

longueur

de

tra-jectoire

des

électrons

_cosmiques,

diminue

appréciable-ment avec leur

_énergie

-

jusqu’à

iü10

_eV,

limite

appréciable

dans un

_champ

_magnétique

de l’ordre de

20

000

_gauss.

La théorie se heurte donc à des

difficultés

très

sé-rieuses sans

_parler

de celles d’ordre

_{astrophysique :}

si ce

flux

est

_d’origine

stellaire,

il faut

admettre,

puisqu’il

n’est

_plus

dévié

par

le

champ

magnétique

terrestre,

que les

étoiles

rayonnent

10, fois

_plus

d’éner-gie

sous forme

_{électronique}

_que sous forme

ther-mique.

On

_peut

alors s’étonner que le

Soleil

ne se

com-porte

pas de

même,

auquel

cas notre sol recevrait une

quantité

de chaleur

_{correspondant}

à une constante solaire accrue dans la même

_proportion.

Ce

flux serait absorbé par les

_parties

_{superficielles}

de l’écorce terrestre et en

élèverait

notablement la

température.

la

_température

de ces

couches

est

_{interprétée}

_{quantitativement}

_par leur

radio-acti-vité.

Enfin,

si le courant vertical était dû à des électrons

cosmiques

d’énergie

telle

_qu’ils

ne soient

_plus

influen-cés par le

champ

magnétique

terrestre,

il ne serait pas

possible d’expliquer

par cette

théorie,

ni

sa

varia-tion

diurne,

ni sa variation annuelle. Nous devons donc admettre

_{qu’un phénomène}

de mécanisme

_inconnu,

d’origine probablement cosmique,

entretient une dif-férence de

_potentiel

sensiblement constante entre le

globle

et

_{l’ionosphère.}