Répartition de l'énergie dans le spectre de la lumière du ciel nocturne aux différentes heures de la nuit

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Répartition de l’énergie dans le spectre de la lumière du

ciel nocturne aux différentes heures de la nuit

V.I. Černĭajev, I.A. Khvostikov, K.B. Panschin

To cite this version:

RÉPARTITION

DE

L’ÉNERGIE

DANS

LE

SPECTRE

DE

LA

LUMIÈRE

DU CIEL

NOCTURNE

AUX

DIFFÉRENTES

HEURES DE LA NUIT Par V. I.

CERN~AJEV,

I. A. KHVOSTIKOV et K. B. PANSCHIN.

Institut

_{d’Optique. Leningrad.}

Sommaire. - On a effectué, à l’aide d’un nouveau _{procédé photométrique,} les mesures de la courbe

spectrale de la _répartition de l’énergie de la lumière du ciel nocturne.

Les mesures se faisaient dans l’intervalle de 4550 à 5900 Å aux différentes heures de la nuit. On a décelé une variation nocturne de _{l’énergie,} différente pour les différentes parties du _spectre. Ces courbes montrent la _{présence pendant} toute la _nuit, de la lumière solaire diffusée par les couches

supérieures de l’atmosphère. On a _{pu séparer quantitativement} la luminescence, la lumière diffuse et la lumière du fond stellaire. La comparaison des étalons avec les émissions du corps noir nous a _permis

d’exprimer toutes les mesures en valeur absolue.

Comme on

_sait,

l’existence du seuil de

_perception

visuelle de la rétine

_peut

être utilisée en

_photométrie

visuelle. En affaiblissant

_jasqu’au

seuil de la

_vision,

la lumière de la source

_étudiée,

et ensuite la lumière

d’une source d’une brillance connue, on

_{peut calculer,}

suivant le

_degré

d’affaiblissement,

la relation des

bril-lances des deux sources. On se servait de ce

_procédé,

par

exemple

en

_astronomie,

mais on l’a

complète-ment _{abandonné par la}

_suite,

à cause,

paraît-il,

de son peu de commodité.

Le

_professeur

S.1. Vavilov a démontré tout récem-ment que, dans les conditions

correspondantes

des mesures, ce

_procédé

_pouvait

être

_appliqué

d’une

_façon

fructueuse aux

_expériences

_{quantitatives}

avec une lumière d’une intensité extrêmement faible

_(1).

Les

expé-riences étant réalisées dans les conditions rationnelles

proposées

par Mr S. I.

Vavilov,

le

_{procédé permet}

d’effectuer des mesures

_précises

_{pour les} lumines-cences tellement faibles

_qu’elles

sont inaccessibles à toute

_[autre

méthode

_quelconque,

surtout

_lorsque

l’in-tensité de la lumière varie

_rapidement

_par

_rapport

au

temps.

Toute une série d’auteurs ont

_appliqué

cette

méthode,

nommée par S. I. Vavilov « la méthode

d’ex-tinction o, à la solution de diverses

questions

se

rap-portant

à la

_physique

_(~).

Nous avons

_{essayé d’appliquer}

la dite méthode à

l’étude de la lumière très faible du ciel nocturne. Une tentative dans cette voie a été

_{entreprise pendant}

les travaux de

_{l’expédition scientifique générale}

de l’Aca-démie des Sciences de l’U. R. S. S. en été de 1934 au mont Elbrouss

_(Caucase).

En se servant de la méthode d’extinction on _{est parvenu à isoler à l’aide d’un}

mono-(1) BRUMBERG et NVA,viLow _(VAVILOV). C. R. Acad. _Sci., U. R. S. S.,

III, 1934. 409.

(~) CERENHOV. C. R. Acad. _Sc., U. R. S. _S., f 934, 2, No 8, 451;

KIIWOSTIKOW. C. R. Acad. Sc., U. R. S. S., 1934, 4, NI 1-2, 14 ;

KHWOSTIKOW et LEBEDEW. C. R. Acad. Sc., U. R. S. S., ’193~, 1,

X°2-3, f18; DOBROTIN, FRANK, CERENKOV. C. R. Acad. _{Sc., U. R. S. S.,}

1935, 1, No 2-3, 115 ; i ANTomov ROMANOV SKI. C. R. Acad. Sc.,

U. R. S. S., 1934, 3, N° _{1-8, 432,;} BRUMBERG et WAwiLo".. C. R. Acad. _Sc., U. R. S. _{S., 9934, 3, 409.}

chromateur à fente étroite la raie verte de

_l’oxygène

À 5 577 À et à l’observer presque sans addition de lumière du

_spectre

continu. On a établi la

_présence

d’une variation nocturne très

_marquée

des intensités :

on a _{observé que l’intensité de la raie}

_verte,

pendant

la

première

moitié de la

_nuit,

croissait très sensiblement et

_atteignait

le maximum vers une heure de la nuit

_(à

une heure de la nuit l’intensité _{est à peu}

_près

trois fois

plus grande qu’à

dix heures du

_soir),

et diminuait

ensuite,

en conservant vers 3 h 30 min du matin une intensité

_1,5

fois

_{plus grande qu’à}

10 h du soir

_(a).

Il faut noter que le

procédé photométrique

visuel,

se

_rapportant

à la raie

_verte,

la

_plus

brillante dans le

spectre

de la lumière du ciel

nocturne,

se faisait autre-fois par

Rayleigh

(1)

à l’aide de la méthode

photomé-trique

ordinaire

_(en

_comparant

les deux moitiés du

champ

de

_vision).

Toutefois,

les erreurs d’observation sont très

grandes

dans ce cas-là et

_{l’application}

de la méthode d’extinction

_permet

_{d’augmenter}

considérablement

la

précision,

tout en rendant accessibles les

_objets

d’une intensité

_{beaucoup plus petite.}

Nous avons

_décidé,

_{pendant l’expédition}

de

l’Acadé-mie des Sciences de l’U. R. S. S. au Mont Elbrouss en été de

_1935,

de continuer l’étude de la lumière nocturne au moyen de la méthode d’extinction. L’étude des

varia-tions

de l’intensité dans une

_région

la

_{plus large}

pos-sible du

_spectre,

nous a _paru d’un intérêt tout

particu-lier. Nous avons réussi à faire des observations presque dans tout le

spectre

visible

_{(de 4}

550 à 5 900

_À)

en nous servant d’un monochromateur à fente

_large.

Le monochromateur M

_{(fig. 1)}

en verre de

_Hilger,

dirigé

vers la

_région

du ciel au

_voisinage

de l’étoile

polaire,

avait

_près

de la fente

d’entrée,

un

_prisme

P se

rejetant

en arrière et

_permettant

de

_diriger

vers

l’appa-reil la lumière

_provenant

d’un étalon de

_comparaison.

(â) KswosTtKow et LEBEDEi. C. R. Acad. Se., U. R. S. _S., 1935, 1, ~° 2-3, 118 ; DOBROTIN, FRANK, CERENKOV. C. R. Acad. _Sc., U. R. S. _S.,

193~, IN. 2-3, 115.

(4) Lord RAYLEIGH. Proc. Roy. Soc., Lond. _{(A), i930,129,} 458.

150

On installait derrière la fente de sortie un

objectif

L i ,

disposé

de telle

façon

que l’oeil

voyait

non _pas

_l’image

de la

fente,

mais

_l’objectif

lui-même éclairé

uniformé-ment. On installait devant un

_photomètre,

conte-nant un coin neutre K et

_ayant

un

_dispostif

_pour

l’enre-gistrement

deslectures de

_position

ducoin dans

l’obscu-rité. On

_employait,

en

_qualité

d’étalon de

_comparaison,

~

Fi g. L

une

_lampe

à incandescence E

_{éprouvée spécialement}

au laboratoire

_{pholométrique}

de l’Institut

d’Optique

à

Léningrad

et,

en ou lre,

des cristaux lumineux radioac-tifs

_(des

sels

_d’uranium)

se

_distinguant

_par une cons-tance

_{exceptionnelle}

de la brillance de luminescence. Nous avons _pu à l’aide de la

_lampe

à

_{incandescence,}

maintenue à un

_{régime rigoureusement}

constant et connaissant la

_température

de couleur

_équivalente

du filament.

_comparer

_{l’énergie dans}

les différentes

_parties

du

_spectre.

Le deuxième étalon donnait la

_possibilité

de contrôler la constance de toutes les conditions de la mesure. Les étalons ont été

_comparés

au laboratoire

pyrométrique

de l’Institut

_d’Optique

avec un _corps noir à la

_température

de 850°K et nous avons _pu obte-nir les valeurs de

_l’énergie

de la lumière nocturne en valeur absolue.

La

largeur

des fenl es du monochromateur était telle que la

région

spectrale

observée allait de 150 i dans le bleu du

_{spectre jusqu’à}

300 À dans la

région

jaune.

Avec des fentes

_plus

étroites les mesures auraient été

trop

cliflïcile,

à cause d’une faible intensité de la lumière.

La

série

complète

de mesure tout le

_long

du

_spectre

(de 4

550

jusqu’à 5

900 À, par tranches de 1bO

À)

durait de 30 à 45

min,

ce

_qui

_permettait

de mesurer 5 ou 6 séries

_chaque

nuit. Les mesures fonclamentales ont été

effectuées,

pendant

la

_période

de la nouvelle

lune,

du 27 août au 2

_septembre,

_{par trois} observateurs diffé-rents et à tour de rôle.

La

_{iigure 2}

_représente

les résultats des mesures. Les ordonnées

_{représentent}

les densités de

_l’énergie

de la lumière du

ciel;

il est t à noter _que

_chaque

division de l’échelle

_correspond

à

2,85.

Les abscisses

_{représentent}

les

_longueurs

d’onde.

Chaque

courbe se

_rapporte

à une heure

_définie,

indi-quée

sur le dessin.

On ne doit pas oublier que les mesures ont été faites avec une fen te

_large

_et,

_par

_conséquent,

les courbes de la

_{figure 2 représentent}

la _{valeur moyenne de}

_l’énergie

dans un certain intervdlle. Pour une

_position

du mono-chromateur ), 5 600 ~, par

exemple,

la

_largeur

de la

région spectrale

isolée fait 300

~,

approximativement;

Fig.2.

dans ce cas-là nous considérons

_l’énergie

mesurée comme

_répartie

dans tout l’intervalle. Mais en

_réalité,

presque toute

l’énergie

de cet intervalle est due à une émission

_{monochromatique}

X 5 577 A. Nos courbes ne donnent

_point

le détail du

_{spectre ;}

elles montrent la

valeur moyenne de

l’énergie

dans cet intervalle. La

surface,

limitée par chacune des

courbes,

donne ainsi une

_énergie

_totale,

émise par le

_ciel,

_pendant

une seconde dans l’intervalle des

_longueurs

d’onde de

4 550

_jusqu’à

5 _{9001~ par 1} du ciel. Les résultats des calculs pour les différents moments de la nuit sont donnés par le tableau I.

TABLEAU 1. -

Energie

éinise

_pendant

une seconde _par 1 cJn2 du ciel nocturne dans l’intervalle des lon-gueuî-s d’onde de

4 550 jusqu’à 5

90 0 À

diffé-rentes heures de la nuit.

On voit

_d’après

les chiffres cités

_{(tableau I)}

et

_d’après

la forme des courbes

_{(fig. 2)}

_que ce _{n’est pas la} valeur seule de

_l’énergie

émise

_qui

varie essentiellement

pendant

la

nuit,

mais que sa

_composition

_spectrale

en fait autant.

_L’analyse

des courbes montre, en même

temps,

que les

régions

du

spectre

plus

réfrangible

et moins

_réfrangible

se

_comportent

différemment. Si l’on

de la nuit, et si toute la marche nocturne

_rappelle

la marche de la raie verte mesurée

précédemment,

un

minimum

d’intensité,

très

_marqué

à

_minuit,

se trouve par contre dans le bleu du

spectre.

On _{aurait donc pu} penser que chacune des courbes de la

répartition

de

l’énergie,

données par la

figure

2,

_{représentait}

la

superposition

des deux

courbes,

correspondant

à l’émission propre du ciel

(luminescence)

et à la lumière solaire _{diffusée par les couches élevées de}

_{l’atmosphère}

terrestre.

L’analyse

détaillée des courbes

(fig.

2)

confirme cette conclusion. La

_figure

3

_représente

les courbes montrant la marche nocturne pour les différentes

longueurs

d’onde dans le

_spectre

du ciel nocturne. Ces courbes

sont tracées

_d’après

les courbes de la

_figure

2. Pour les

_longueurs

d’onde 4 ~~0 et 4 700 À on a un

_minimum,

nettement

_marqué,

vers minuit. Au

contraire,

pour A = 5

600; 5

450 et 5 300

Â,

la marche nocturne est toute

différente,

ayant

un maximum vers une heure de la

nu it,

rappelant

de

_près

la marche de la raie verte.

Fig. 3.

Les courbes intermédiaires

_{représentent,}

de toute

évidence,

la combinaison des deux effets. On

_peut,

donc,

croire que dans la

région

de 5 000 à 6 000

_À,

la lumière de luminescence du

_ciel,

dont la marche nocturne est semblable à celle de la raie verte h 5 577

À,

est

_{prépondérante. Or,}

dans la

_région

bleue,

la lumière diffuse du

_ciel,

_pour

_laquelle

doit nécessairement exister un minimum à

_minuit,

_présente

une

_part

considérable. Dans ce

_cas-là,

_{il faudrait supposer la}

_présence

de la

lumière diffuse

_pendant

toute la nuit.

Et,

en

_effet,

nos

expériences

sur la

_polarisation

de la lumière nocturne

(qui

paraîtront

dans un

_prochain

numéro du même

volume),

rendent une

_pareille

conclusion tout à fait vraisemblable.

On

_peut

_{essayer de}

_séparer

les courbes

_{(fig. 2)}

en courbes pour la lumière

diffuse,

et en _{courbes pour la}

luminescence du ciel. Il ne faut pas toutefois oublier la

_présence

de la radiation du ciel nocturne d’une

origine

différente : le fond

_stellaire,

_{représentant}

sans doute une

_part

considérable de la lumière totale.

Les résultats d’une

_pareille

_séparation

des

_courbes,

sont

_{représentés}

_{par la}

_figure

_~,

où la courbe L

_repré.

sente la luminescence du

_ciel,

la courbe

_D,

la lumière diffuse et G’.

_f.

le fond stellaire.

En faisant la

_séparation

des

_courbes,

nous

_partions

de trois

_{suppositions :}

1. En ce

_qui

concerne’la lumière du fond

_stellaire,

nous avons cru _{que l’émission}

intégrale

correspondait

à

_{l’émission-’}

du

_",corps

noir pour l’ = 5 500" abs.

(type

spectral

~).

C est un fait connu _{pour la}

_plupart

des

nébulosités,

pour la voie

lactée,

et une

_{supposition pareille,}

concernant le fond stellaire

_total,

est une des

_plus

_probables.

En

outre,

on

_peut

_{croire que la valeur absolue de brillance du} fond stellaire est constante

_pendant

toute la nuit.

2. Pour la lumière diffuse nous nous sommes servi d’une courbe de la

_{répartition spectrale}

de

_{l’énergie,}

prenant

en considération la diffusion secondaire De telles courbes ont _{été calculées par}

_{King :~).}

Nous avons considéré la forme de la courbe comme constante aux différentes heures de la nuit.

3,

_{Finalement, quant}

à la lumière de

luminescence,

nous avons cru _{que dans toute la}

_région

de 5 300 à 5 900 Á la marche de l’intensité coïncidait avec la marche nocturne pour la raie

verte,

mesurée en 193~

_(3).

Ces trois

_suppoitions,

très

_probables,

nous

semble-t-il,

suffisent pour faire la

séparation

des courbes.

Fig. 4

A l’aide de ces courbes

_{(fig. 4)}

il est

_pnssible

de calculer non seulement la

_part

relative de l’émission totale du ciel

_nocturne,

_séparément

_{pour le fond}

stel-laire,

pour la lumière diffuse et pour la luminescence aux différents momen ts de la

_nuit,

mais aussi la valeur absolue de

_l’énergie

_pour ces trois émissions. Les résultats de ces

calculs,

faits au _{moyen de}

l’intégra-tion

_graphique

des courbes sont _{donnés par le tableau II.}

Comme on le voit

_d’après

le tableau

_ci-après,

les

parts

relatives de la lumière

diffuse,

de la luminescence

et du fond stellaire sont essentiellement différentes pour les différents moments de la nuit.

(5) KixG. Proc. _{Roy. Soc.,} London (A), 1913, 88; Phil. Trans., 4943, 2~2.

152

TABLBAU II. -

Energie

dans de -~ ~ ~ 0

- 5 900 Â pour la

luminescence,

pour l~

fond

stellaire et _pour Ia lumière

_diffuse.

Se basant sur les courbes de la

_figure

_4,

on est

obligé

de constater que, pour la courbe de

luminescence,

la marche nocturne de l’intensité dans les

_régions

verte et bleue du

_spectre

_{n’est pas la même. Une}

_possibilité

pareille

ne

_peut

_{pas être exclue parce que dans la}

_région

des

_{petites longueurs}

d’onde du

_spectre

se trouvent les bandes intenses de

l’azote,

dont la marche nocturne

peut

être tuute autre que ’celle des raies de

_{l’oxygène.}

Nous

_devons,

_toutefois,

_{noter que} nos résultats sont très loin d’être suffisants en ce

_qui

concerne la solution de cette

_question,

_{d’abord parce que les} erreurs faites en

séparant

les trois courbes se manifestent surtout dans la forme des courbes de la luminescence en ce

_qu’on

croyait

connaître d’avance cette forme _{pour la lumière} diffuse et pour le fond

stellaire, et, ensuite,

parce que

l’erreur relative des mesures est

_plus

_grande

dans la

région

V’ ùs

réfrangible,

que dans la

région

bleu claire et dans la

_région

_verte,

à cause de la faible sensibilité de

Ncus avons

_essayé

de calculer avec _{la courbe pour la}

luminescence,

la brillance absolue de la raie

_verte,

pour faire la

comparaison

avec les

résultats,

obtenus par lord

Rayleigh

pour la raie verte 5 5 î 7 À. Comme les raies intenses dans le

_spectre

de la lumière du

ciel,

au

_voisinage

de la raie

verte,

sont

_absentes,

nous avons cru _que

_l’énergie

du domaine du

_spectre

à 300 À autour de X 5 600

_(la

_largeur

du domaine a été due

aux fentes

_larges

du

_{monochromateur)}

est donnée toute _{entière par}

_{l’énergie i,}

5 577.

_Après

avoir déterminé

_l’énergie

de ce domaine et _{divisé par h ’J}

pour la raie

verte,

nous avons obtenu les nombres suivants des

_quanta,

émis

_{pendant 1}

_{seconde par 1 cm2} du ciel :

TABLEAU III. - Valeurs absolues de l’intensité de la

raie verte î, 5 577

_(nombre

des

_quanta

une seconde _{par 1 cnl2} du

ciel).

Pour le même nombre de

_quanta,

mais en

_prenant

la moyenne

pendant

la

nuit,

Rayleigh

(~1)

a obtenu la valeur N

_=1,

8. 108. Par suite de la coïncidence étroite des nombres cités

_(6),

avec _{les résultats obtenus par}

Rayleigh,

on

_peut

_{croire que la}

_séparation

des

_courbes,

effectuée par nous, basée sur les

_suppositions

décrites

plus

haut,

se

_rapproche

d’assez

_près

de la corrélation réelle des trois émissions

_indiquées.

En

_résumé,

nous devons noter que les valeurs données par nous, mesurées le

plus

souvent pour la

première

fois,

ne

_peuvent

_prétendre

donner

_qu’un

ordre de

_grandeur.

Des observations ultérieures et

systématiques

seront

_{indispensables}

_{pour établir les}

valeurs d’une

_{parfaite précision}

et pour définir leur constance

_pendant

les différentes saisons.

Nous

exprimons

au

_professeur

S. I.

Vavilov,

membre de

_{1’.£académie,}

notre sincère reconnaissance pour sa constante sollicitude à

_l’égard

de notre travail

et _pour ses

_précieuses

indications.